卫星定位

摘要

目录

1组成部分

2GPS卫星

3原理介绍

4差分技术

5功能介绍

6六大特点

编辑本段组成部分

　　GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分—GPS星座(GPS星座是由24颗卫星组成的星座，其中21颗是工作卫星，3颗是备份卫星);地面控制部分—地面监控系统; 用户设备部分—GPS 信号接收机。

　　

1.空间部分

　　GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

　　

2.地面控制部分

　　地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

　　对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的 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。地面监控系统 另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测 各颗卫星的时间，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、三个注入站和五个监测站。

　　

3.用户设备部分

　　用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。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 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。

编辑本段GPS卫星

　　在测试架上的GPS卫星GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，卫星重774kg，使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板(BLOCK I)，全长5.33m接受日光面积为7.2m2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15Ah镉镍电池充电，以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30度的两个L波段（19cm和24cm波）的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度，准确对准卫星的可见地面。

　　由GPS系统的工作原理可知，星载时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器，相对频率稳定度为10 ? 11/天。误差为14米。1974年以后，gps卫星采用铷原子钟，相对频率稳定度达到10 ? 12/天，误差8m。1977年，BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到10 ? 13/天,误差则降为2.9m。1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为10 ? 14/天的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。

编辑本段原理介绍

　　当苏联发射了第一颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出既然可以已知观测站的位置知道卫星位置，那么如果已知卫星位置，应该也能测量出接收者的所在位置。这是导航卫星的基本设想。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中-{A|zh-cn:解调制;zh-tw:解调变}-出来，以50b/s-{A|zh-cn:调制;zh-tw:调变}-在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84-{A|zh-cn:大地坐标系;zh-tw:大地坐标系}-中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维-{A|zh-cn:坐标;zh-tw:坐标}-x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

编辑本段差分技术

　　为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统(Differential GPS), 简称DGPS。亦即利用附近的已知参考坐标点(由其它测量方法所得), 来修正 GPS 的误差。再把这个即时(real time)误差值加入本身坐标运算的考虑, 便可获得更精确的值。

　　GPS有2D导航和3D导航分，在卫星信号不够时无法提供3D导航服务，而且海拔高度精度明显不够，有时达到10倍误差。但是在经纬度方面经改进误差很小。卫星定位仪在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间。

编辑本段功能介绍

　　·精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中

　　·工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量

　　·勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到

　　·导航： 武器导航：精确制导导弹、巡航导弹

　　车辆导航：车辆调度、监控系统

　　船舶导航：远洋导航、港口/内河引水

　　飞机导航：航线导航、进场着陆控制

　　星际导航：卫星轨道定位

　　个人导航：个人旅游及野外探险

　　·定位： 车辆防盗系统

　　手机，PDA，PPC等通信移动设备防盗，电子地图，定位系统

　　儿童及特殊人群的防走失系统

　　农业勘测

编辑本段六大特点

　　第一，全天候，不受任何天气的影响；

　　第二，全球覆盖（高达98%）；

　　第三，七维定点定速定时高精度；

　　第四，快速、省时、高效率；

　　第五，应用广泛、多功能；

　　第六，可移动定位。

　　经济型方案时我们把服务中心直接转移到客户的手机上，客户直接用手机查看到定位短信息（GPS度、分、秒数据格式），如果使用城际通电子地图软件，它直接支持输入GPS度、分、秒数据定位的功能，如果用北京灵图的天新者5，可以借助我们的GPS定位大师专用软件中的手动输入经纬度功能进行定位，这个方案比较适合低频率查车，例如：家庭汽车、单位的自备车。

　　增强型方案时客户可以购买我们的专用卫星定位管理主机，它不但可以自动接收多辆汽车定位短消息，而且自动分类保存在电脑内，每台车辆都建立一个数据库，轻点鼠标就能调出某辆车的全部定位记录，只要点击目标数据就能自动切换到电子地图上显示车辆的位置，点击前进或者后退按钮还能在电子地图上演示汽车的形式轨迹，每台车辆都可以取不同的名称，便于管理多辆汽车，非常方便，便于多车频繁查询，例如：物流公司、汽车租赁公司、车队

　　 伽利略全球卫星定位导航系统与GPS

　　正在建设的伽利略全球卫星定位导航系统与美国的GPS相比，有哪些优越性？打一个非常形象的比喻：如果说美国的GPS只能找到街道，那么“伽利略”可找到车库门。

　　在卫星与地面站之间信号的传送方式上，美国GPS的卫星信号上传和控制部分均处于同一个波段，而伽利略全球卫星定位导航系统则有3个波段分别传送，因此可使地面系统在任何时候都可以同任何一个卫星进行信号传递。此外，美国GPS只有28颗卫星，而伽利略全球卫星定位导航系统由30颗卫星组成，因此全球覆盖面更广，并且卫星定位的精度也比GPS提高了10倍以上，可以达到1至3米左右。

　　现在大家所熟悉的美国GPS由于在建立之初是应用于军事，因此对民用领域有许多限制。例如目前GPS的精度虽然可以达到10米以内，但美国考虑到本国的利益，对国际上开放的民用精度只有30米，而且可在任何时间以任何借口中断服务。

　　伽利略计划的实施，将结束美国GPS在世界上的垄断局面。据了解，从现在到2005年，伽利略计划将完成卫星和地面组成设备的研发和仿真测试工作；在2006年至2008年，将发射卫星，并进行地面台站的安装调试。2008年，伽利略全球卫星定位导航系统将正式投入商业运行。

　　伽利略卫星导航系统特许经营说明会,日前在京举行。本次会议的主要目的是向中国各界全面推介伽利略系统特许运营的概念,为伽利略系统在中国的运营准备条件。包括欧洲伽利略联合执行体、国家遥感中心、中国伽利略卫星导航有限公司,以及由Alca-tel和EADS在内的欧洲7家集团组成的全球伽利略系统特许运营商(GOC)参加了会议。中国政府相关部委、中外工业界、科技界、金融界等相关企事业单位,也派代表出席了说明会。

　　伽利略计划是由欧盟委员会(EC)和欧洲空间局(ESA)共同发起并组织实施的欧洲民用卫星导航计划,旨在建立欧洲自主、独立的民用全球卫星导航定位系统,总投资约35亿欧元,预计在2008年部署完成。中国作为第一个非欧盟成员国参加了伽利略卫星导航计划,并承诺向该计划投入2亿欧元,其中7000万欧元由政府出资,用于支持中国参与该计划开发验证阶段的工作;中方企业还将参与未来伽利略计划特许经营(GOC),并将投入其余的1.3亿欧元,用于开展部署阶段的工作。目前,除中国外,以色列、印度等国家都已经参与伽利略计划。

　　伽利略卫星导航系统特许经营是伽利略计划的一个重要阶段。这一阶段的主要任务是开展全球伽利略系统的运营和服务,获取商业利润,是实现建设目标的关键阶段。今年7月,以阿尔卡特公司为首的Eurely集团和以EADS公司为首的iNavSat集团,组成新的联合公司(MC),联合出价32亿欧元(约合38.7亿美元),一举获得伽利略系统的全球特许经营权,为计划于2008年实现运营的伽利略卫星导航系统建设铺平了道路。中欧伽利略卫星导航系统特许经营说明会的举行,标志着中国企业争取伽利略特许运营的开始,中欧伽利略计划合作进入了一个新的阶段。

　　欧洲1999年初正式推出伽利略导航卫星系统计划。如果一切按欧洲航天局设想顺利进行，“伽利略”卫星定位系统所有30颗正式卫星将于2006年至2010年间分批发射升空，均匀分布在3个轨道中。其中卫星定位服务将最早于2008年开始展开。

　　从设计目标来看，“伽利略”的定位精度优于GPS。如果说GPS只能找到街道，“伽利略”则可找到车库门。“伽利略”为地面用户提供3种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍，即使是免费使用的信号精度也达到6米。

　　伽利略系统的另一个优势在于，它能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。伽利略的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求。

编辑本段其他卫星定位系统

　　目前正在运行的全球卫星定位系统有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。

　　欧盟1999年初正式推出“伽利略”计划，部署新一代定位卫星。该方案由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成，可以覆盖全球，位置精度达几米，亦可与美国的GPS系统兼容，总投资为35亿欧元。该计划预计于2010年投入运行。

　　另外，中国还独立研制了一个区域性的卫星定位系统——北斗导航系统。该系统的覆盖范围限于中国及周边地区，不能在全球范围提供服务，主要用于军事用途。

编辑本段全球四大卫星定位系统

　　美国ＧＰＳ：由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制，于1993年全部建成。1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供ＧＰＳ使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的“后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息服务。

　　欧盟“伽利略”：1999年，欧洲提出计划，准备发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。今年该计划正式启动。

　　俄罗斯“格洛纳斯”：尚未部署完毕。始于上世纪70年代，需要至少18颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务，则需要24颗卫星。

　　中国“北斗”：2003年我国北斗一号建成并开通运行，不同于GPS，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。去年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。北斗二号系列卫星今年起将进入组网高峰期，预计在2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。

　　美国媒体声称：

　　“GPS是不能倒闭的银行”

　　美国知名IT杂志《PCWorld》以美国拯救金融危机中濒临破产的银行为例，发表评论称：“GPS显然是另一家不能倒闭的银行。……对于欧洲‘伽利略’系统的支持者来说，用户对美国GPS丧失信心显然是他们最愿意看到的事情。”