GPS全球定位系統

GPS系統的前身為美軍研製的一種“子午儀”導航衞星系統(Transit），1958年研製，64年正式投入使用。該系統用5到6顆衞星組成的星網工作，每天最多繞過地球13次，並且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統使得研發部門對衞星定位取得了初步的經驗，並驗證了由衞星系統進行定位的可行性，為GPS系統的研製埋下了鋪墊。由於衞星定位顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衞星導航系統。為此,美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衞星組成10000km高度的全球定位網計劃，並於67年、69年和74年各發射了一顆試驗衞星，在這些衞星上初步試驗了原子鐘計時系統，這是GPS系統精確定位的基礎。而美國空軍則提出了621-B的以每星羣4到5顆衞星組成3至4個星羣的計劃，這些衞星中除1顆採用同步軌道外其餘的都使用週期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼(PRN)為基礎傳播衞星測距信號，其強大的功能，當信號密度低於環境噪聲的1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統得以取得成功的一個重要基礎。海軍的計劃主要用於為艦船提供低動態的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態服務，然而系統過於複雜。由於同時研製兩個系統會造成巨大的費用而且這裏兩個計劃都是為了提供全球定位而設計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，並由國防部牽頭的衞星導航定位聯合計劃局（JPO)領導，還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。

GPS全球衞星定位系統由三部分組成：

空間部分———GPS星座；

地面控制部分———地面監控系統；

用户設備部分———GPS 信號接收機。

GPS的空間部分是由24 顆工作衞星組成,它位於距地表20 200km的上空,均勻分佈在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有4 顆有源備份衞星在軌運行。衞星的分佈使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衞星,並能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。GPS 衞星產生兩組電碼, 一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) ,P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,並設有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務。C/ A 碼人為採取措施而刻意降低精度後,主要開放給民間使用。

地面控制部分由一個主控站，5 個全球監測站和3 個地面控制站組成。監測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續測量到所有可見衞星的接受機。監測站將取得的衞星觀測數據,包括電離層和氣象數據,經過初步處理後,傳送到主控站。主控站從各監測站收集跟蹤數據，計算出衞星的軌道和時鐘參數,然後將結果送到3 個地面控制站。地面控制站在每顆衞星運行至上空時，把這些導航數據及主控站指令注入到衞星。這種注入對每顆GPS 衞星每天一次,並在衞星離開注入站作用範圍之前進行最後的注入。如果某地面站發生故障,那麼在衞星中預存的導航信息還可用一段時間,但導航精度會逐漸降低。

用户設備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衞星截止角所選擇的待測衞星,並跟蹤這些衞星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衞星信號後,即可測量出接收天線至衞星的偽距離和距離的變化率,解調出衞星軌道參數等數據。根據這些數據,接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用户所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。

接收機硬件和機內軟件以及GPS 數據的後處理軟件包構成完整的GPS 用户設備。GPS 接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般採用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在於更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機後,機內電池為RAM存儲器供電,以防止數據丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小,重量越來越輕,便於野外觀測使用。

(1)全天候；(2) 全球覆蓋；(3)三維定速定時高精度；(4)快速省時高效率：(5)應用廣泛多功能：（6）抗干擾性能好、保密性強

主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、 市政規劃控制等；

包括遠洋船最佳航程航線測定、船隻實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平台定位、海平面升降監測等；

包括飛機導航、航空遙 感姿態控制、低軌衞星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。

GPS衞星接收機種類很多，根據型號分為測地型、全站型、定時型、手持型、集成型；根據用途分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式。

經過20餘年的實踐證明，GPS系統是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統。 GPS技術已經發展成為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產業。

GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衞星到用户接收機之間的距離，然後綜合多顆衞星的數據就可知道接收機的具體位置。

要達到這一目的，衞星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衞星星曆中查出。而用户到衞星的距離則通過紀錄衞星信號傳播到用户所經歷的時間，再將其乘以光速得到(由於大氣層電離層的干擾，這一距離並不是用户與衞星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當GPS衞星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發射導航電文。

GPS系統使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重複週期一毫秒，碼間距1微秒，相當於300m；P碼頻率10.23MHz，重複週期266.4天，碼間距0.1微秒，相當於30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衞星星曆、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衞星信號中解調製出來，以50b/s調製在載頻上發射的。導航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重複一次，每小時更新一次。後兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊，其中最重要的則為星曆數據。當用户接受到導航電文時，提取出衞星時間並將其與自己的時鐘做對比便可得知衞星與用户的距離，再利用導航電文中的衞星星曆數據推算出衞星發射電文時所處位置，用户在WGS-84大地座標系中的位置速度等信息便可得知。

可見GPS導航系統衞星部分的作用就是不斷地發射導航電文。然而，由於用户接受機使用的時鐘與衞星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用户的三維座標x、y、z外，還要引進一個Δt即衞星與接收機之間的時間差作為未知數，然後用4個方程將這4個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衞星的信號。

主要是為船舶，汽車，飛機等運動物體進行定位導航。例如：

1.船舶遠洋導航和進港引水

2.飛機航路引導和進場降落

3.汽車自主導航

4.地面車輛跟蹤和城市智能交通管理

5.緊急救生

6.個人旅遊及野外探險

7.個人通訊終端（與手機，PDA，電子地圖等集成一體）

1.電力，郵電，通訊等網絡的時間同步

2.準確時間的授入

3.準確頻率的授入

1.各種等級的大地測量，控制測量

2.道路和各種線路放樣

3.水下地形測量

4.地殼形變測量，大壩和大型建築物變形監測

5.GIS應用

6.工程機械（輪胎吊，推土機等）控制

7.精細農業

GPS在道路工程中的應用，目前主要是用於建立各種道路工程控制網及測定航測外控點等。隨着高等級公路的迅速發展，對勘測技術提出了更高的要求，由於線路長，以知點少，因此，用常規測量手段不僅佈網困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，國內已逐步採用GPS技術建立線路首級高精度控制網，然後用常規方法佈設導線加密。實踐證明，在幾十公里範圍內的點位誤差只有2釐米左右，達到了常規方法難以實現的精度，同時也大大提前了工期。GPS技術也同樣應用於特大橋樑的控制測量中。由於無需通視，可構成較強的網形，提高點位精度，同時對檢測常規測量的支點也非常有效。GPS技術在隧道測量中也具有廣泛的應用前景，GPS測量無需通視，減少了常規方法的中間環節，因此，速度快、精度高，具有明顯的經濟和社會效益。

三維導航是GPS的首要功能，飛機、輪船、地面車輛以及步行者都可以利用GPS導航器進行導航。汽車導航系統是在全球定位系統GPS基礎上發展起來的一門新型技術。汽車導航系統由GPS導航、自律導航、微處理機、車速傳感器、陀螺傳感器、CD-ROM驅動器、LCD顯示器組成。GPS導航系統與電子地圖、無線電通信網絡、計算機車輛管理信息系統相結合，可以實現車輛跟蹤和交通管理等許多功能。

利用GPS和電子地圖可以實時顯示出車輛的實際位置，並可任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標移動，使目標始終保持在屏幕上；還可實現多窗口、多車輛、多屏幕同時跟蹤。利用該功能可對重要車輛和貨物進行跟蹤運輸。

提供出行路線規劃是汽車導航系統的一項重要的輔助功能，它包括自動線路規劃和人工線路設計。自動線路規劃是由駕駛者確定起點和目的地，由計算機軟件按要求自動設計最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡單的路線、通過高速公路路段次數最少的路線的計算。人工線路設計是由駕駛員根據自己的目的地設計起點、終點和途經點等，自動建立路線庫。線路規劃完畢後，顯示器能夠在電子地圖上顯示設計路線，並同時顯示汽車運行路徑和運行方法。

為用户提供主要物標、如旅遊景點、賓館、醫院等數據庫，用户能夠在電子地圖上顯示其位置。同時，監測中心可以利用監測控制枱對區域內的任意目標所在位置進行查詢，車輛信息將以數字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來。

指揮中心可以監測區域內車輛運行狀況，對被監控車輛進行合理調度。指揮中心也可隨時與被跟蹤目標通話，實行管理。

通過GPS定位和監控管理系統可以對遇有險情或發生事故的車輛進行緊急援助。監控台的電子地圖顯示求助信息和報警目標，規劃最優援助方案，並以報警聲光提醒值班人員進行應急處理。

GPS除了用於導航、定位、測量外，由於GPS系統的空間衞星上載有的精確時鐘可以發佈時間和頻率信息，因此，以空間衞星上的精確時鐘為基礎，在地面監測站的監控下，傳送精確時間和頻率是GPS的另一重要應用，應用該功能可進行精確時間或頻率的控制，可為許多工程實驗服務。此外，還可利用GPS獲得氣象數據，為某些實驗和工程應用。

全球衞星定位系統GPS是開發的最具有開創意義的高新技術之一，其全球性、全能性、全天侯性的導航定位、定時、測速優勢必然會在諸多領域中得到越來越廣泛的應用。在發達國家，GPS技術已經開始應用於交通運輸和交通工程。目前，GPS技術在中國道路工程和交通管理中的應用還剛剛起步，隨着中國經濟的發展，高等級公路的快速修建和GPS技術的應用研究的逐步深入，其在道路工程中的應用也會更加廣泛和深入，併發揮更大的作用。

由於GPS技術所具有的全天候、高精度和自動測量的特點，作為先進的測量手段和新的生產力，已經融入了國民經濟建設、國防建設和社會發展的各個應用領域。

隨着冷戰結束和全球經濟的蓬勃發展，美國政府宣佈2000年至2006年期間，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，GPS民用信號精度在全球範圍內得到改善，利用C/A碼進行單點定位的精度由100米提高到20米，這將進一步推動GPS技術的應用，提高生產力、作業效率、科學水平以及人們的生活質量，刺激GPS市場的增長。據有關專家預測，在美國，單單是汽車GPS導航系統，2000年後的市場將達到30億美元，而在我國，汽車導航的市場也將達到50億元人民幣。可見，GPS技術市場的應用前景非常可觀。

當通過硬件和軟件做成GPS定位終端用於車輛定位的時候，稱為車載GPS,但光有定位還不行，還要把這個定位信息傳到報警中心或者車載GPS持有人那裏，我們稱為第三方。所以GPS定位系統中還包含了GSM網絡通訊（手機通訊），通過GSM網絡用短信的方式把衞星定位信息發送到第三方。通過微機解讀短信電文，在電子地圖上顯示車輛位置。這樣就實現了車載GPS定位。

與此同時，在車上安裝相應的探測傳感器，利用車載GPS定位的GSM網絡通訊功能，同樣能把防盜報警信息發送到第三方，或者把這個報警電話、短信直接發送到車主手機上，完成車載GPS防盜報警。這裏可以看出，車載GPS定位的GSM網絡部分實際上是一個智能手機，可以和第三方互相通訊，還可以把車輛被搶，司機被劫、被綁架等信息發送到第三方。

所以説車載GPS定位是定位、防盜、防劫的。

類似車載GPS終端的還有定位手機、個人定位器等。GPS衞星定位由於要通過第三方定位服務，所以要交納不等的月/年服務費。

目前所有的GPS定位終端，都沒有導航功能。因為再需要增加硬件和軟件，成本提高。

我們在電視裏看到的車載GPS廣告，和上述的車載GPS完全是兩回事。它是一種GPS導航產品，當需要導航時，首先定位，也就是導航的起點，這與真正的GPS定位是不同的，它不能把定位信息傳送到第三方和持有人那裏，因為導航儀中缺少手機功能。比如你把導航儀放在車裏，你朋友把車借開走了，導航儀不能發信息給你，那你就無法查找車輛位置。所以導航儀是不能定位的。

你説我買的是導航手機該行了吧，你想想，你把導航手機放在車上，現在車被盜了，那個手機會自己給你或第三方打電話發短信嗎？它是需要人來操作的。所以説目前的導航終端都沒有定位功能。

導航終端可以導航路線，讓你在陌生的地方不迷路，劃出路線讓你到達目的地，告訴你自己當前位置，和周邊的設施等等。

1. 出租車、長途客車、貨運車輛的監控調度指揮系統

2. 物流車輛的監控、調度指揮系統

3. 交通管理等政府部門車輛的調度指揮系統

4. 保險公司值勤車輛的監控、調度指揮系統

5. 公安、交警值勤車輛的監控、調度指揮系統

6. 銀行運鈔車輛的監控調度指揮系統

7. 郵政、120急救車輛調度監控系統

8. 機關、企業四人車輛的定位控制等等

9. 小孩、老人定位

10. v-ern-ment職能部門處置緊急突發事件，對具體負責人行動小組進行遠程監控調度管理。

11. 軍警演習操控調度指揮監控管理。

12. 檢調追蹤，公務車輛管理監控等。

13. 高科技安全防護緊急救援禮品。

14. 私人偵探工具等。

15. 老年痴呆症患者及盲人隨身攜帶，避免走失。

16. 精神病患者隨身攜帶避免走失。

17. 公安對犯毒進行跟蹤。1

18. 婚姻家庭出現問題（第三者）。

19. 盲人行走不便進行跟蹤。

20. 自行車、電動車、摩托車防偷跟蹤

21. 老鷹放飛路線跟蹤。

22、 運動員訓練路線跟蹤。

GPS全球定位系統未來前景發展

GPS全球定位系統可實時連續地為用户提供三維空間的位置信息、測定用户的運動速度，並可提供精確的授時勤務，其定位誤差不大於10米，授時誤差不大於0。1秒，授時精度優於0。000001秒，且其電波信號還具有一定的抗干擾的能力。如果將我各作戰單位的GPS位置信息通過無線電通信不斷地傳輸到作戰指揮中心，再加上通過我偵察手段所獲取的敵方目標的位置信息，然後統一集中在大屏幕顯示器上加以顯示，就可以使我區指揮員能夠隨時掌握整個戰場上敵我雙方的動態態勢，從而為其作戰指揮提供了一項準確而重要的依據。這樣一來，兵家幾千年以來的“運籌於帷幄之中，決勝於千里之外”的夢想，不就是最終得以真正實現了嗎？