GPS定位系统的发展历史及应用前景

GPS定位系统的发展历史及应用前景

首先，我们来了解一下GPS。

全球定位系统（Global Positioning System，通常简称GPS）是美国国防部研制的一种全天候的，空间基准的导航系统，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续地精确地确定三位位置和三位运动及时间的需要。它是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。该系统由三部分组成：空间部分———太空中的24颗GPS卫星；地面控制部分———地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站；用户设备部分———GPS 信号接收机。最少只需其中4颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。GPS信号分为民用的标准定位服务（sps,standard positioning service)和军规的精密定位服务（pss,precise positioning service)两类。民用讯号中加有误差，其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用信号所加的误差。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

发展历史

首先，我们来了解一下GPS系统的前身：子午卫星导航系统（NNSS）。

该系统又称多普勒卫星定位系统，它是58年底由美国海军武器实验室开始研制,于64年建成的“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。

子午卫星导航系统的组成

（1）卫星星座：子午卫星星座，由六颗独立轨道的极轨卫星组成。

（2）地面系统：地面设有4个卫星跟踪站； 1个计算中心；1个控制中心；2个注入站；1个天文台（海军天文台）。

子午卫星导航系统的不足之处

一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要。

一次测量定位的过程中，要求卫星对于测点的起、止观测角度θ必须在90°左右。因此一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为15～18分钟。这么长的间隔时间中，即使是较慢的运动物体也可能运行了一段不小的距离，于是解算时必须根据导航载体的运动速度将观测值归算至同一时刻，显然这会影响导航定位精度。

卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。

由于技术上的原因，同一时刻多普勒接收机只能接收一颗子午卫星的信号。并且在同一天区如果出现两颗以上的子午卫星，就会导致定位信号的相互干扰。为了防止这一点，卫星数量就比较少，中纬度地区平均1.5小时左右可以观测到一颗卫星，低纬度地区最不利时要等待10小时才能观测到卫星，这使得该系统不能成为连续导航系统。

子午卫星导航系统的定位精度偏低，并且无法给出高度信息，系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。

GPS的诞生

由于上述种种原因， 该系统投入运行后不久，美国海陆空三军及民用部门就感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此,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。而美国空军则提出了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，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，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

计划：最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m,精码精度为10m。 由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备份星工作在互成30度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

计划实施：GPS计划的实施共分三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

从1978年到1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560km，倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。

第二阶段为全面研制和试验阶段。

从1979年到1984年，又陆续发射了7颗称为BLOCK I的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14米。

第三阶段为实用组网阶段。

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为BLOCK II 和 BLOCK IIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。

1989年2月到1990年10月第二代(Block II)第一批9颗发射完成

1990年11月开始发射第二代第二批卫星（ Block IIA）

1993年底系统卫星全部发射完成

1997年第二代第二批卫星发射完毕

1997年开始发射第三代卫星（ Block IIR， Block III）

GPS的应用前景

美国发展第二代卫星导航系统其初衷是用于导航、收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅可以达到上述目的，而且经载波信号相位测量的开发利用，GPS系统还可以进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，分米级至亚分米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫秒级精度的时间测量。因此GPS系统展现了极其广阔的应用前景。在军事上，用GPS信号可以进行海、陆、空全天候精确导航，战术战略导弹的精确制导；在大地测量工程测量中可以进行静态、动态的精确定位，对于测绘领域，GPS定位技术已经用于建立高精度的全国性大地测量控制网。建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测和海洋测绘；用于测定全球性的地球动态参数，监测地球板块运动状态和地壳变形；在公安、公交、物流等方面可利用车载GPS系统, 进行长距离的交通管制和调度；在科学研究方面可利用GPS系统进行高精度守时，或气象要素的监测；在航空航天遥感方面可利用机载、星载GPS进行摄影瞬间的照相光心定位，实现地面无控制点的快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的划时代技术革命。