GPS及应用新发展

 
王晓海 航天科技集团总公司
　　摘 要 本文简单介绍了全球定位系统GPS的基本概念、结构组成以及工作原理，同时对其主要特点作了较为全面的理论阐述，并且在此基础上重点分析目前GPS在各方面的应用状况，最后详尽描述未来技术发展趋势和创新思路以及展望新世纪GPS的广阔应用前景。

　　关键词 GPS 卫星星座 导航技术 定位

1 系统综述

1.1 GPS基本概念

　　全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今，GPS已经成为当令世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。

1.2 GPS结构组成

　　GPS系统主要包括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。

1.2.1 空间星座部分

　　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，轨道平面相对于赤道平面的倾角为55°，各个轨道平面之间交角60°。每个轨道平面内的各卫星之间的交角90°，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。

　　在20000km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，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数量随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，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。对于某地某时，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、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

1.2.2 地面监控部分

　　GPS工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的一个主控站、三个信息注入站和五个监测站组成。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，求出时钟差。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的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为美国所控制。

1.2.3 用户设备部分

　　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，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。

　　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三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体讨口航行中的船舰，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而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

　　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用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于观测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在观测站上，接收单元置于观测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将大线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

　　GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内／机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电他的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。

　　近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级甚至厘米级。

　　目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。

1.3 GPS定位原理

　　GPS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。

　　按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量。

　　在定位观测时，GPS定位分为动态定位和静态定位。若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位。若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位。若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。

2 GPS主要特点

　　GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其他导航系统相比，主要特点有如下六个方面。

（1）定位精度高

　　应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100～500km可达10-7，1000km可达10-9。此外，GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。

（2）观测时间短

　　随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静态定位，仅需15～20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1～2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟，实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在1s甚至更小的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。

（3）执行操作简便

　　随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。

（4）全球、全天候作业

　　由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球。全天候连续实时导航与定位的需要。目前GPS观测可在一天24h内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

（5）功能多、应用广

　　GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。

（4）抗干扰性能好、保密性强

　　由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。

3 GPS目前匝用状况

　　GPS系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。

　　用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

　　总之，GPS技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS等）、多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）的高新技术国际性产业。GPS的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的“今后GPS的应用，将只受人类想象力的制约”。

4 GPS发展趋势与创新思路

　　1991年的海湾战争中，装在大衣口袋中的GPS接收机为无地图沙漠作战发挥了巨大作用。在“盟军行动”中，把惯导／GPS集成系统装入导弹和制导导弹，使命中精度达到9m，而且使机载炸蛋具备了在夜间和恶劣天气条件下的精确打击能力。由此可见，GPS早已成为高技术武器平台不可缺少的关键组成部分。

　　在新世纪以及未来军事战争中GPS将发挥更加巨大的作用。这样的形势下迫使GPS技术必须要有新的突破。经过不懈的努力钻研，如今已经取得些成绩。就导航定位卫星技术主要发展趋势如下。

4.1 采用创新轨道设计

　　欧洲多年来从未中断对导航定位卫星的研究、论证。在第一代中，有“全球导航卫星系统”（GNSS）以及“欧洲静止轨道导航重叠业务系统”（EGNOS）等，它们都是结合利用GPS和静止轨道通信卫星的方案。在第二代中，目前采用创新轨道设计的“伽利略”方案被认为是能够实现最少投入而达到理想应用目的的最佳方案。它既是独立系统，又有开放性特点，可与GPS兼容。这种系统还将在民航选择最佳航线、飞机安全进场着陆等领域有新的应用突破。

4.2 美国大力开发抗干扰和干扰技术

　　GPS集成到高技术武器平台，使GPS应用概念发生全新变化。

　　为防止地方干扰，美国在将从2005年发射的第7颗GPS-2F卫星上开始使用新型信号结构。这样，除更加保密外，还可实现6dB的信号／干扰比的改善。为此，正在研制不受干扰和欺骗的GPS接收机应用模块（GRAM）和选择利用抗欺骗模块（SAASM），同时装有这两种模块的接收机被称为“国防部高级GPS接收机”（DARG）。

　　美国还在开发抗干扰的军事伪系统（Millitary Pseudolites），它可为地域发射GPS差分信号，以改进信号铺获并提高质量。为保护军用飞机使用GPS，美国还在开发微带自适应天线阵列。

　　为使敌方不能使用GPS，美国已开发出GPS干扰机，只有可口可乐瓶大小的干扰机可使敌方无法接收GPS信号。

4.3 提高GPS导航信号性能的技术措施

　　目前使用的模拟艳钟，其性能预测困难，而且输出频率会随着卫星运行过程温度和磁场变化而变化，因此正在开发计算机控制的数字化铯钟，通过调整内部参数和补偿环境影响使铯钟性能达到最佳化。

5 GPS新世纪应用前景广阔

　　进入21世纪，GPS在各方面的应用都将加强和发展。本文对GPS走向21世纪时的最新发展情况有选择的作一介绍。

5.1 GPS在综合服务系统中的应用

　　在全球地基GPS连续运行站（约200个）的基础上所组成的IGS （International GPS），是GPS连续运行站网和综合服务系统的范例。它无偿向全球用户提供GPS各种信息，如GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接收的GPS信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。这些信息在大地测量和地球动力学方面支持了无数的科学项目，包括电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨的推算地球自转速率及其变化、地壳运动等。

5.2 GPS在电离层监测中的应用

　　GPS在监测电离层方面的应用，也是GPS空间气象学的开端。太空中充满了等离子体、宇宙射线粒子、各种波段的电磁辐射，由于太阳常在1秒钟内抛出百万吨量级的带电物，电离层由此而受到强烈的干扰，这是空间气象学研究的一个对象。通过测定电离层对GPS信号的延迟来确定在单位体积内总自由电子含量（TEC），以建立全球的电离层数字模型。

5.3 GPS在对流层监测中的应用

　　GPS在监测对流层方面的应用，早期主要是由于轨道误差影响定位精度，而且早期的GPS基线相对来说比较短，高差不大，因此对对流层的研究没有给予很大的重视。直到近期由于GPS轨道精度大大提高后，当对流层折射已经成为限制GPS定位精度提高的一个重要障碍时，才开始认真的对对流层的监测研究。我们可以假设在一个高程基本为零的地区，并且如果接收机所接收的GPS信号是从天顶方向传来的话，那么其延迟就可以达到2.2～2.6m这一量级，而2h内这一延迟变化可达10cm不是少见的，所以IGS分析中心所提供的对流层参数是采用2h间隔一次。也正是由于这个实际情况，对流层折射要顾及其随机过程的变化来加以模型化。

5.4 GPS在卫星测高仪中的应用

　　多路径效应是GPS定位中的一种噪声，至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的“干扰”。过去几年利用大气对GPS信号延迟的噪声发展了GPS大气学，目前也正在利用GPS定位中的多路径效应发展GPS测高技术，即利用空载GPS作为测高仪进行测高。它是通过利用海面或冰面所反射的GPS信号，求定海面或冰面地形，测定波浪形态，洋流速度和方向。通常卫星测高或空载测高所测的是一个点，连续测量结果在反向面上是一个截面，而GPS测高则是测量有一定宽度的带，因此可以测定反射表面的起伏（地形）。据报告，试验时空载平面安装2台GPS接收机，1台天线向上用于对载体的定位，1台天线向下，用于接收GPS在反射面上的信号。美国在海上作了测定洋流和波浪的试验。丹麦在格凌兰作了测定冰面地形及其变化的试验。

5.5 GPS在卫星追踪技术中的应用

　　卫星对卫星的追踪（SST）技术的实质是高分辨率的测定两颗卫星间的距离变化，一般它分为两类，即高低卫星追踪和低低卫星追踪。前一类是高轨卫星（如对 地静止卫星，GPS卫星等）追踪低轨（LEO）卫星或空间飞行器，后一类是处于大体为同一低轨道上的两颗卫星之间的追踪，两颗卫星间可以相距数两千米，这两类SST技术都将LEO卫星作为地球重力场的传感器，以卫星间单向或双向的微波测距系统测定卫星间的相对速度及其变率。这一速度的不规则变化所反映的信息中，就包含了地球重力场信息。卫星轨道愈低，这一速度变化受重力场的影响愈明显，所反映重力场的分辨率也愈高。