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什么是GPS全球定位系统?

时间:2017-7-29 3:37:00 浏览次数:314

GPS发展历史与系统组成

  为了解决海军舰艇的定位导航问题,自1957年人类发射第一颗卫星开始,美国海军就着手卫星定位方面的研究工作,产生了子午仪卫星导航系统(Transit),尽管子午仪卫星导航系统得到了广泛的应用,并显示出巨大的优越性,但在实际应用方面仍存在缺陷,如观测时间较长,定位精度不高,只有经纬度,没有高程。鉴于子午仪卫星导航系统存在的缺陷,美国国防部制定了现在的GPS(全球卫星定位系统)方案,该方案耗资120亿美元,由24颗卫星组成,这些卫星分布在互成120度的轨道平面上,每个轨道平面平均分布8颗卫星。

  GPS卫星提供了P码(精码)和C/A码(粗码)两种定位服务。P码为军方服务,定位精度达到3C/A码对社会开放,定位精度为14。出于自身安全的考虑,美国先后实施了SAAS政策。SA政策在C/A码中人为引入了误差,使定位精度下降到100AS政策则对P码实行加密。 由于GPS对社会开放,因此各类接收机、测量设备如雨后春笋般涌现,并广泛应用于各行各业,彻底改变了传统的定位导航方式。

  GPS系统主要有三大组成部分,即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

  GPS的空间星座部分由24颗均匀分布在6个轨道平面内的卫星组成;GPS的地面监控部分负责卫星的监控和卫星星历的计算,它包括1个主控站、3个注入站和5个监测站; GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS卫星信号,经信号处理而获得用户位置、速度等信息,最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。

   24GPS卫星在离地面12千公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

  由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,XYZ和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。

  事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。

  由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100。为提高定位精度,普遍采用差分GPSDGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5

  自GPS对民间开放以来,各种产品、应用层出不穷,GPS已经深入国民生产、日常生活的方方面面。

  一、测量

  GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术(RTK),在实时处理两个观测站的载波相位的基础上,可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比,GPS技术有着巨大的优势: 测量精度高操作简便,仪器体积小,便于携带全天候操作;观测点之间无须通视;测量结果统一在WGS84坐标下,信息自动接收、存储,减少繁琐的中间处理环节。 当前,GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。

  二、交通

  出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理,合理分布车辆,以最快的速度响应用户的乘车或送请求,降低能源消耗,节省运行成本。 GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色,在城市中建立数字化交通电台,实时发播城市交通信息,车载设备通过GPS进行精确定位,结合电子地图以及实时的交通状况,自动匹配最优路径,并实行车辆的自主导航。 民航运输通过GPS接收设备,使驾驶员着陆时能准确对准跑道,同时还能使飞机紧凑排列,提高机场利用率,引导飞机安全进离场。

  三、救援

  利用GPS定位技术,可对火警、救护、警察进行应急调遣,提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆(如运钞车)等,可对突发事件进行报警、定位,将损失降到最低。 有了GPS的帮助,救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠,对失踪人员实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船,在发生险情时,可及时定位、报警,使之能更快更即使地获得救援。

  四、农业

  当前,发达国家已开始把GPS技术引入农业生产,即所谓的"精准农业耕作"。该方法利用GPS进行农田信息定位获取,包括产量监测、土样采集等,计算机系统通过对数据的分析处理,决策出农田地块的管理措施,把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中,从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作,可在尽量不减产的情况下,降低农业生产成本,有效避免资源浪费,降低因施肥除虫对环境造成的污染。

  五、娱乐消遣

  随着GPS接收机的小型化以及价格的降低,GPS逐渐走进了人们的日常生活,成为人们旅游、探险的好帮手。通过GPS,人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地,并且可以最优的路径行驶;野营者携带GPS接收机,可快捷地找到合适的野营地点,不必担心迷路;甚至一些高档的电子游戏,也使用了GPS仿真技术。

  大多数GPS设备的面板上都有一些按钮,引导你到不同的操作选项。也许它们的名称不太一样,但功能都是类似的。它们可能是让你浏览一个导航画面、查看可用的卫星信号,检查位置目录、清单或者到选定目标的方向。最主要的功能就是显示你的位置,包括当前坐标、海拔和时间,如果选定了目的地或路线,它还指示通往目的地的方向。其他常用的功能有导航、菜单、卫星状态、路旁标志或航路点清单/路线清单、设置选项、距离、偏航、上次定位地点、日出/日落时间等。 结合地图使用 不同的地图使用不同的坐标系,美国地理最常用的两种地图是: 1. LAT/LONG矢量地图:包括经度、纬度、分和秒; 2. UTM栅格地图,以米为单位。 LAT/LONG是我们最熟悉的形式,地球从赤道到极点的位置被等分为090度的北纬或南纬(地球仪上的平行线),而地球从东向西等分为从0360度的经度(地球仪上的弧线),通过英国格林威治的线,称为本初子午线。用这种坐标人工计算出两点之间的距离是很难的,因为我们生存的地球是椭圆的。

  UTM坐标是那些需要精确距离信息的地图使用者的首选。这个坐标系选择一条子午线,标明你在它东面或西面多少米,还有你在赤道南面或北面多少米。

  大部分GPS设备在设置时允许你选择LAT/LONGUTM或其他坐标系作为你的坐标系,当你有了你所在位置的坐标,你可以在地图上查找,从而得知你所在位置的确切地址。当你在地图上找到了目的地时,你可以输入它们的坐标到你的GPS接收器中以形成一条路线。可以利用透明的塑料尺子在TOPO地图或UTM地图上测量,这样更容易估计一个位置的坐标,一些GPS设备有这样的功能:你可以测量一个位置到地图右下角的距离,然后用地图名和刻度为这个位置命名。
  

  性能指标 
  
  1.卫星轨迹

  这里有24GPS卫星沿六条轨道绕地球运行(每四颗一组),一般不会有超过12个卫星在地球的同一边,大多数GPS接收器可以追踪812颗卫星。计算LAT/LONG2维)坐标至少需要3颗卫星。再加一颗就可以计算3维坐标。对于一个给定的位置,GPS接收器知道在此时哪些卫星在附近,因为它不停地接收从卫星发来的更新信号。

  2. 并行通道

  一些消费类GPS设备有25条并行通道接收卫星信号。因为最多可能有12颗卫星是可见的(平均值是8),这意味着GPS接收器必须按顺序访问每一颗卫星来获取每颗卫星的信息。
市面上的GPS接收器大多数是12并行通道型的,这允许它们连续追踪每一颗卫星的信息,12通道接收器的优点包括快速冷启动和初始化卫星的信息,而且在森林地区可以有更好的接收效果。一般12通道接收器不需要外置天线,除非你是在封闭的空间中,如船舱、车厢中。
  
  3.定位时间

  这是指你重启动你的GPS接收器时,它确定现在位置所需的时间。对于12通道接收器,如果你在最后一次定位位置的附近,冷启动时的定位时间一般为35分钟,热启动时为1530秒,而对于2通道接收器,冷启动时大多超过15 分钟,热启动时为25分钟。

  4.定位精度

  大多数GPS接收器的水平位置定位精度在20m30m左右,但这只是在SA没有开启的情况下,有些GPS接收器声称它们可以达到这个精度,但是往往有一个小小的标签附在后面:"SA关闭时"

  你可能会发现,大多数GPS生产商不怎么提及"高度"的精度,因为这是GPS设备中精度最没有保证的方面。据我所知,几乎所有的GPS设备(除非那些专为航海定制的在海拔为0的海平面上使用的设备)在4颗卫星可见的情况下,可以定位高度,但是偏差可能达到3倍。

  30m的精度意味着什么?这意味着,当SA关闭时,从统计的角度讲,你的平面定位的位置距离你的实际位置在3 0m之内的概率是95%GPS接收器工作时是依靠卫星信号到达GPS接收器的时间来定位的(时间X光速=距离)。对于高度读数,这意味着精度在45100m之间的概率是95%

  如果政府开启了SA(为了安全原因,而且几乎是所有时间都开启着),水平精度在100m之内的概率是95%,高度在300m之内的概率是95%,这可能比你期望值高很多,但不影响你找到想去的街道或那条河流。

  5. DGPS功能

  为了将SA和大气层折射带来的影响降为最低,有一种叫做DGPS发送机的设备。它是一个固定的GPS接收器(在一个勘探现场100km200km的半径内设置)接收卫星的信号,它确切地知道理论上卫星信号传送到的精确时间是多少,然后将它与实际传送时间相比较,然后计算出"",这十分接近于SA和大气层折射的影响,它将这个差值发送出去,其他GPS接收器就可以利用它得到一个更精确的位置读数(5m10m或者更少的误差)。
许多GPS设备提供商在一些地区设置了DGPS发送机,供它的客户免费使用,只要客户所购买的GPS接收器有 DGPS功能。

  6.信号干扰

  要给予你一个很好的定位,GPS接收器需要至少35颗卫星是可见的。如果你在峡谷中或者两边高楼林立的街道上,或者在茂密的丛林里,你可能不能与足够的卫星联系,从而无法定位或者只能得到二维坐标。同样,如果你在一个建筑里面,你可能无法更新你的位置,一些GPS接收器有单独的天线可以贴在挡风玻璃上,或者一个外置天线可以放在车顶上,这有助于你的接收器得到更多的卫星信号。

  7.物理指标

  选购GPS设备时,大小、重量、显示画面、防水、防震、防尘性能、耐高温、耗电等物理指标都要考虑在内。 
  我们的生活充斥着数字-数字经济、数字神经、数字化生存、数字……也许我们都需要利用GPS技术,来了解这个数字化地球,帮助我们培养数字思维,来适应这个数字时代。

  随着GPS技术的进步和接收机的迅速发展,GPS在测量定位领域已得到了较为广泛的应用。但是,针对不同的领域和用户的不同要求,需要采用的具体测量方法是不一样的。一般来说,GPS测量模式可分为静态测量和动态测量两种模式,而静态测量模式又分常规静态测量模式和快速静态测量模式,动态测量模式分准动态测量模式(后处理动态,走走停停)和实时动态测量模式,实时动态测量模式分DGPSRTK方式。下面分别介绍如下:

  1、常规静态测量
  
   这种模式采用两台(或两台以上)GPS接收机,分别安置在一条或数条基线的两端,同步观测4颗以上卫星,每时段根据基线长度和测量等级观测45分钟以上的时间。这种模式一般可以达到5mm1ppm的相对定位精度。 常规静态测量常用于建立全球性或国家级大地控制网,建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及精密工程控制网建立等。

  2、快速静态测量

  这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站,连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机依次到各待测测站,每测站观测数分钟。这种模式常用于控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等。 需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测;流动点与基准点相距应不超过20km

  3、准动态测量

  这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站,连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机在进行初始化后依次到各待测测站,每测站观测几个历元数据。这种方法不同于快速静态,除了观测时间不一样外,它要求移动站在搬站过程中不能失锁,并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化(采用有OTF功能的软件处理时例外)。

  这种模式可用于开阔地区的加密控制测量、工程定位及碎部测量、剖面测量及线路测量等。需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测;流动点与基准点相距应不超过20km

  另外,有一种连续动态测量,也属于这种模式。这种测量是在一个基准点安置接收机连续跟踪所有可见卫星。流动接收机在初始化后开始连续运动,并按指定的时间间隔自动记录数据。这种方法常用于精密测定运动目标的轨迹、测定道路的中心线、剖面测量、航道测量等。

   4、实时动态测量:DGPSRTK

  前面讲述的测量方法都是在采集完数据后用特定的后处理软件进行处理,然后才能得到精度较高的测量结果。而实时动态测量则是实时得到高精度的测量结果。这种模式具体方法是:在一个已知测站上架设GPS基准站接收机和数据链,连续跟踪所有可见卫星,并通过数据链向移动站发送数据。移动站接收机通过移动站数据链接收基准站发射来的数据,并在机进行处理,从而实时得到移动站的高精度位置。

   DGPS通常叫做实时差分测量,精度为亚米级到米级,这种方式是基准站将基准站上测量得到的RTCM数据通过数据链传输到移动站,移动站接收到RTCM数据后,自动进行解算,得到经差分改正以后的坐标。

   RTK则是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量,它是GPS测量技术发展中的一个新突破。它的工作思路与DGPS相似,只不过是基准站将观测数据发送到移动站(而不是发射RTCM数据),移动站接收机再采用更先进的在机处理方法进行处理,从而得到精度比DGPS高得多的实时测量结果。这种方法的精度一般为2厘米左右。

 

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