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1、GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。它是随着现代化科学技术发展而建立的一精密卫星无线电导航定位系统， GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年全面建成，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。可为航空，航天。陆地、海洋、等用户提供三维的导航，与其它定位技术相比，该系统具有全球连
2、续覆盖，定位精度高，快速、全天候观测、无需通视、操作简便、抗干扰能力强等优点。卫星定位技术概况卫星定位技术，是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，有地面观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立三星三角网。 GPS整个系统由二个独立的部分组成:空间卫星星座、地面监控与控制站和用户设备。 1.卫星星座部分GPS的空间卫星星座由24颗卫星组成，其中将21颗卫星分配为工作卫星，3颗分配为备用卫星。目前，实际工作的卫星大约有30颗。将这24颗卫星平均分配在6个轨道面内，每四颗卫星不均匀的分配在一个轨道上。卫星轨道面对十地球赤道面的倾斜
3、角约55度。6个轨道平分后，每相邻之间的轨道的经度升交角相差60度。在相邻轨道上，临近卫星的交距相差约30度。GPS卫星属十地球中轨卫星，位十距离地球表面高度约20200km的上空，其运行周期为11小时58分。在同一观测站上，每天出现的卫星分布图相同，考虑到地球自转一次是24小时，其卫星的分布状况和运行每天要提前4分钟重复一次。每颗卫星每天大约5小时是处在地平线以上的，因此每天观测的位十地平线以上的卫星数目是不定的，一般来说最少为4颗，多则可达到11颗。一周的时间为12恒星时。这样，对十地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位十地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同，最少可见
4、到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的二维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对十某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的定位。这种框架分布保障了在地球上任何时间、地点都可以观测到足够多的卫星数量为定位所用，并保持良好的定位解算精度，另一目的是如果某一轨道的卫星失效，由十相邻轨道其他卫星的存在，地面所接收到的信号定位性和覆盖性不至十受到破坏Ifn大幅度下降。因此，GPS提供了在时间上连续、全球性的
5、导航能力。 2.地面监控与控制站地面监控部分主要由二个部分组成:1个主控站、4个注入站和6个监测站。地面监控系统。对十导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历(用来描述卫星运动及其轨道的参数)算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监抓系统另一重要作用是保持各颗卫星处十同一时间标准一一GPS时间系统。这就需要地面站监测每颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、二个注
6、入站和五个监测站。坐落十美国科罗拉多州 Falcon空军基地的主控站为地面监控部分，几乎是整个GPS的核心，它监控和协调地面监控站的工作，通过接收、处理监控站传来的数据，地面监控站大多位十美国科罗拉多州Falcon空军基地，被称为GPS的核心，它的主要工作是监控和协调地面的工作，主要完成以下功能:观察计算卫星的各种参数;巡视所检测到的所有卫星的运行轨道情况;统计卫星时钟差，目_比较主控站的原子钟与各个卫星的原子钟同步，来纠正GPS的基准时钟;及时更新所监控卫星的导航电文，并将电文传送给注入站;为确保在预定的轨道，卫星正常运行，则发送控制命令用来调整卫星的轨道;时刻准备着备用卫星，在卫星失效、出
7、现故障的情况下开启。 注入站是主控站和各个对应卫星之间的桥梁，受主控站监控，其主要作用是确保主控站发发送来的控制命令和卫星导航电文等信息在转发给各个对应卫星时的准确性。 监控站是一个数据自动采集中心，受主控站支配，其装置主要包括GPS双频接收机、计算机各一台、高精度原子钟和若干数据环境传感器。采集数据包括GPS数据和环境传感器测量到的当时的气象数据。并将所得测量数据经整理后上传到主控站。 3.用户设备部分用户设备我们称之为GPS接收机，用户用来定位的工具，主要由接收机硬件设备、处理数据软件以及微处理机等设备组成上3一川。终端GPS接收机的硬件部分，主要包括主机、电源和天线，作为用户设备的核心部
8、分，主要功能是通过天线接收所有可见GPS卫星信号后，接收机将获得的定位信息经过简单的处理实现导航定位上5。GPS软件处理部分是指内置各种软件处理包，主要作用是对所获得信息进行分析精密加工，使得定位结果更加准确。 GPS的基本定位原理是:轨道卫星的坐标是已知的，fn用户和GPS卫星之间的距离观测值也是已知的，以这个已知的观测值为基准，应用所知道的卫星坐标来计算出用户和接收机所对应的位置坐标。 GPS卫星连续不断的发射导航电文和测距信号，导航电文包含卫星所在的位置信息，用户在同一时刻同时接收3颗以上GPS卫星信号，测量接收机接收至3颗以上GPS卫星的距离并求出该时刻GPS卫星的坐标，据此来解算出地
9、面接收机的位置上创。目前，测量距离主要使用两种方法:方法一是伪距测量法，通过测量GPS卫星发射的测距码发射到用户接收机的过程中的传播时间来计算当前的位置;方法二是载波相位测量法，通过测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与地面GPS接收机产生的参考载波信号之间的相位差来计算。二者各有优缺点，前者定位速度较快，后者定位精度较高。都是通过对多余3颗的卫星进行同时伪距或者相位的测量，就可以计算车当前接收机的具体位置。GPS定位原理如图3-1所示。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并
10、用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。 随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、
11、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。1.1 选题的背景1.2 国内外研究现状及发展趋势上世纪五十年代后期，美国出于自身的政治、军事和经济利益的考虑，开始研制卫星导航系统，经过三十多年的努力，耗资300多亿美元，终于建成了上世纪航天史上最成功、最有意义的工程之一全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后第三项庞大工程，GPS能
12、连续、实时、高精度地为用户提供三维位置、三维速度和时间信息，并能覆盖全球和全天候工作。 1994年4月3日，24颗Block-II型工作卫星发射完毕，系统投入全面运行。GPS最初主要用于军事和涉及国家重要利益的民用领域，可实现飞机舰船的导航、部队调动、军事目标定位、武器的精确制导等，特别是在沙漠风暴和对科索沃的轰炸这两场典型高技术战争中，GPS大量用于巡航导弹的制导，打击目标的选择，甚至地面士兵都随身携带便携式定位装置，可以说，GPS是现代高技术武器的眼睛。 鉴于GPS的军事上非凡的表现和巨大的实用价值，美国总统克林顿颁布法令，将GPS向民用领域免费开放，同时在2000年5月1日起停止S/A政
13、策，对民用码不加干扰，使民用定位精度大大提高。 另外，前苏联也发展了自己的全球定位系统：Glonass，同样也免费向民用市场开放使用；国际通信协会也有类似GPS的系统。相信不远的将来，我们也能享受到我国自己的卫星定位系统给我们带来的方便。 现在GPS已发展成为一个高速成长的产业，广泛应用于车辆定位、航海航空、测量等民用行业，特别是移动目标的定位监控、防盗报警和指挥调度。据美国GPS行业协会统计，98年GPS市场为50亿美元，由于移动通信的发展和对民用卫星码不加扰，2000年将是增长3倍。 GPS技术在国内刚刚起步，具有广阔的应用前景，其应用热点已从前几年的渔业领域转入车辆应用，尤其是车辆定位监
14、控和指挥调度应用，通信、INTERNET突飞猛进的发展，针对位置的信息服务也将走上快车道。GPS 基本特点和作用GPS 系统的构成，以主要有3个部分组成：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分，这3个部分对于GPS系统的正常工作所起的作用各不相同，缺一不可。 GPS卫星星座。GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3 ) GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为_5 _5度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫
15、星超前30度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球 GPS信号接收机。GPS信号接收机的任务是:能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的二维位置、方向、甚至二维速度和时间。 静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的二维坐标。Ifn动态定位则是用GPS
16、接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位十的运动物体叫做载体(如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等)。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球fn运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数 (瞬间二维位置和二维速度)。 接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS。 GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信(GSM)、互联网之后的全球第二个IT经济新增长点。随着技术的发展，GPS已经向民用方向开放。 在定位导航方面
17、，GPS的使用对象主要是汽车、船舶、飞机等运动物体。例如现在国外开始流行的，为交通管理服务的汽车黑匣子，记录车辆行驶数据，用来供交警监督超速驾驶、疲劳驾驶等违规行为。现在还出现了非军用的无人驾驶飞行器，它的导航技术也是采用GPS定位，诸如可以进入无人的区域进行勘测等。再例如船舶远洋导航和进港引水，飞机航路引导和进场降落，机器人的定位，汽车自主导航定位，地面车辆跟踪和城市智能交通管理等等。此外，对十警察、消防及医疗等部门的紧急救援、追踪目标和个人旅游及野外探险的导引等，GPS都具有得天独厚的优势。现在还出现了手持GPS定位接收机，具有体积小重量轻的特点，可以应用十个人用户，当遇险的时候可以报警，
18、报警中心可以快速定位报警人的位置，在平时它可以作为个人选择交通路线的工具。 目前，国内基十“北一斗一号”系统的“北一斗运营服务平台”己经开通，标志着我国北一斗大规模应用进入了实质性阶段，是我们国家自主建设的第一个区域性卫星定位系统，它将在我国的公路交通、铁路运输、航空航天、海上作业等领域发挥积极作用，并进一步推动国内GPS产业化的发展，对我国的国防和经济建设具有重大意义。由十现在可用十组建系统的技术选择比较多，每个公司都在根据自己最熟悉的技术，或依据自己对市场和现有以及未来技术发展方向的理解，除了GPS定位系统外，俄罗斯的GLONASS系统格洛纳斯GLONASS”是俄语中“全球卫星导航系统GL
19、OBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯 1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。按计划，该系统将于2007年年底之前开始运营，届时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年年底前，其服务范围将拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。欧洲的GALILIEO系统伽利略定位系统（Galileo Positioning System），是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称，也是继美国现有的“全球定
20、位系统”（GPS）及俄罗斯的GLONASS系统外，第三个可供民用的定位系统。伽利略系统的基本服务有导航、定位、授时；特殊服务有搜索与救援；扩展应用服务系统有在飞机导航和着陆系统中的应用、铁路安全运行调度、海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业。2010年1月7日，欧盟委员会称，欧盟的伽利略定位系统将从2014年起投入运营。我国的北斗卫星系统北斗卫星导航系统简介（一）概述 北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的
21、北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。 （二）发展历程 卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功
22、应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。 （三）建设原则 北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则： 1、开放性。北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术
23、与产业的发展。 2、自主性。中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。 3、兼容性。在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。 4、渐进性。中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。 （四）发展计划 目前，我国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射两颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建
24、成覆盖全球的北斗卫星导航系统。 （五）服务 北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。 为使北斗卫星导航系统更好地为全球服务，加强北斗卫星导航系统与其它卫星导航系统之间的兼容与互操作，促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用，中国愿意与其它国家合作，共同发展卫星导航事业。GPS相对于其他导航定位系统的特点;1功能多，用途广2定位精度高3定时定位
