全球定位系统简介

日期:2015-08-10 / 人气:

GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称。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,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

图1 GPS系统卫星示意图

GPS历史

GPS系统的前身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit),1958年研制,1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作,每天最多绕 过地球13次,并且无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。然而,子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星系统进行定位的可行性,为GPS系统的研制埋下了铺垫。

由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全 球定位网计划,并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星,在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统,这是GPS系统精确定位的基础。美国空军提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划,这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道,该计划以伪随机码 (PRN)为基础传播卫星测距信号,其强大的功能是当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。

海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位,空军的计划能供提供高动态服务,然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且 这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的,所以1973年美国国防部将2者合二为一,并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导,将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。

GPS组成

GPS计划始于1973年,已于1994年进入完全运行状态。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成:

1、空间部分

GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成,这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座,其中21颗为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些 信号来进行工作的。

2、控制部分

GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其作用的不同,这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,位于美国克罗拉多的法尔孔空军基地,它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能。监控站有五个,除了主控站外,其它四个分别位于夏威夷、 阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰,监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态;注入站有三个,它们分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰,注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

3、用户部分

GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。

以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

GPS的信号

GPS 卫星发射两种频率的载波信号,即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60MHz的L2载波,它们的频率分别是基本频率 10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:

C/A码
C/A 码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此,我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

P码
P码又被称为精码,它被调制在L1和L2载波上,是10MHz的伪随机噪声码,其周期为七天。在实施AS时,P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。

GPS广播星历

导航信息被调制在L1载波上,其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置,导航信息也被称为广播星历。

SPS和PPS是GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务,另一种是精密定位服务。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供,标准定位服务由标准定位子系统提供,精密定位服务则由精密定位子系统提供。SPS主要面向全世界的民用用户,PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。

在GPS定位中,经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理,以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量:

  • L1载波相位观测值
  • L2载波相位观测值(半波或全波)
  • 调制在L1上的C/A码伪距
  • 调制在L1上的P码伪距
  • 调制在L2上的P码伪距
  • L1上的多普勒频移
  • L2上的多普勒频移

实际上,在进行GPS定位时,除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外,还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值,如宽巷观测值、窄巷观测值、消除电离层延迟的观测值来进行数据处理。

定位精度

GPS的28颗卫星(其中4颗备用)分布在6条交点互隔60度的轨道面上,距离地面约20000千米,已经实现单机导航精度约为10米,综合定位的话,精度可达到厘米级和毫米级。民用领域开放的精度约为10米。
 

编辑:河南北斗