水利工程論文-認(rèn)識GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)摘要：本文主要介紹了GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成、基本工作原理、特點(diǎn)以及在各領(lǐng)域中的應(yīng)用等，力求讓測繪同行和有興趣的朋友對GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)有一個全面基本的了解和認(rèn)識。關(guān)鍵詞：GPSGPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPS接收機(jī)GPS衛(wèi)星信號導(dǎo)航與定位RTK一、概述：自從五七年第一顆人造衛(wèi)星上天，六十年代的人造衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，七十年代美國軍方開始發(fā)展GPS（GlobalPositioningSystem）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，直至1995年4月27日美國國防部宣部“GPS系統(tǒng)已具備全部運(yùn)作能力”。GPS計劃的實(shí)現(xiàn)歷時23年，耗資200多億美元，前后共發(fā)射35顆衛(wèi)星，目前仍在軌道上正常工作的有二25顆衛(wèi)星，其中1顆為實(shí)驗衛(wèi)星，24顆為工作衛(wèi)星。它具有海、陸、空全方位實(shí)時三維導(dǎo)航與定位能力，是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其特點(diǎn)是全天候、高精度、應(yīng)用廣，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它廣泛的應(yīng)用價值，引起了各國科學(xué)家的關(guān)注和研究，前蘇聯(lián)和西歐各國的科學(xué)家在積極開發(fā)利用GPS信號資源的同時，還致力于研究開發(fā)各自的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，如前蘇聯(lián)建成的GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國也在致力于發(fā)展自已的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。同時，它的出現(xiàn)也導(dǎo)致了測繪行業(yè)一場深刻的技術(shù)變革。二、GPS系統(tǒng)的組成：由三大部分組成，即空間部分、地面監(jiān)控部分、用戶設(shè)備部分。1、空間部分：GPS系統(tǒng)的空間部分是指GPS工作衛(wèi)星星座，其由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星，均勻分布在6個軌道上。衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面傾角為55，各個軌道平面的升交點(diǎn)赤經(jīng)相差60，軌道平均高度為20200km.衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時58分（恒星時），同一軌道上的各衛(wèi)星的升交角距為90，GPS衛(wèi)星的上述時空配置，基本保證了地球上任何地點(diǎn)，在任何時刻均至少可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，以滿足地面用戶實(shí)時全天候精密導(dǎo)航和定位。GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg，兩側(cè)各安裝兩塊雙葉太陽能電池板，能自動對日定向，以保證衛(wèi)星正常工作用電。每顆衛(wèi)星帶有四臺高精度原子鐘，其中2臺為銣鐘，2臺為銫鐘。GPS衛(wèi)星上設(shè)有微處理機(jī)，可以進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理工作，它主要的3個基本功能：根據(jù)地面監(jiān)控指令接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)、啟動備用衛(wèi)星；向GPS用戶播送導(dǎo)航電文，提供導(dǎo)航和定位信息；通過高精度衛(wèi)星鐘向用戶提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)。2、地面監(jiān)控部分：由5個地面站組成。1個主控站，其位于美國本土科羅拉多斯平土（ColoradoSpings）的聯(lián)合空間執(zhí)行中心CSOC，3個注入站，其分別設(shè)在印度洋的迭哥加西、南大西洋的阿松森島和南太平洋的卡瓦加蘭。5個監(jiān)控站，其中4個與主控站、注入站重疊，另外一個設(shè)在夏威夷。主控站的主要任務(wù)為：根據(jù)各監(jiān)控站提供的觀測資料推算編制各顆衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差、和大氣層修正參數(shù)并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站；提供GPS系統(tǒng)的時間標(biāo)準(zhǔn)；調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行；啟用備用衛(wèi)星以取代失效的工作衛(wèi)星。注入站的主要任務(wù)為：在主控站的控制下，把主控站傳來的各種數(shù)據(jù)和指令等正確并適時地注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)。監(jiān)測站的主要任務(wù)為：給主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測數(shù)據(jù)，每個監(jiān)控站均用GPS信號接收機(jī)，對每顆可見衛(wèi)星每6秒鐘進(jìn)行一次偽距測量和積分多普勒觀測，并采集氣象要素等數(shù)據(jù)。3、用戶設(shè)備部分：由GPS接收機(jī)硬件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成。其主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，并經(jīng)簡單數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時導(dǎo)航和定位，用后處理軟件包對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精加工，以獲取精密定位結(jié)果。三、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的特點(diǎn)：GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)之所以在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了與GPS系統(tǒng)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，這都得益于其本身所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，概括起來主要有以下幾個方面。1、定位精度高：通過很多應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10-6，100km500km可達(dá)10-7，1000km以上可達(dá)10-9，在300-1500m工程精密定位中，1小時以上觀測的解算，其平面位置誤差小于1mm。基線邊長越長越能突顯是定位精度高的優(yōu)勢。2、觀測時間短：由于GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件不斷更新，目前20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需1520分鐘，快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流動站與基準(zhǔn)站相距在15km以內(nèi)時，流動站只需觀測12分鐘，動態(tài)相對定位測量時，流動站出發(fā)時觀測12分鐘，然后可隨時定位，每站觀測僅需幾秒鐘。3、測站間無須通視：GPS測量不要求站點(diǎn)間相互通視，只需測站上空開闊即可。4、可提供三維坐標(biāo)：經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法施測，而GPS可同時精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，目前GPS水準(zhǔn)可達(dá)到四等水準(zhǔn)測量的精度。5、操作簡便：隨著GPS機(jī)不斷改進(jìn)，自動化程度越來越高，體積也越來越小，重量越來越輕，有的已達(dá)“傻瓜化”的程度。6、全天候作業(yè)：使用GPS測量，不受時間限制，24小時都可以工作，也不受起霧、刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。7、功能多、應(yīng)用廣：GPS系統(tǒng)不僅可用于測量，還可用于測速、測時。測速精度可達(dá)0.1m/s，測時精度可達(dá)幾十毫秒。隨著人們對GPS系統(tǒng)的不斷開發(fā)，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地擴(kuò)大。四、GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)的基本工作原理和種類?GPS接收機(jī)主要由天線單元、接收單元和電源三部分組成。其工作原理如圖：接收機(jī)天線對GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行接收，并將衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，電流信號再經(jīng)前置放大器放大，放大后的信號由變頻器和中頻放大器將L頻段的射頻信號變成低頻信號；由接收單元的信號通道對廣播電文數(shù)據(jù)信號進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)，得到導(dǎo)航電文，并由存貯器保存。CPU將得到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行粗處理，使用戶得到需要的各種導(dǎo)航定位信息。GPS接收機(jī)按照其工作原理、用途、接收衛(wèi)星信號頻率、信號通道數(shù)目可分成許多不同的類型：生產(chǎn)GPS接收機(jī)的廠商很多，主要有美國Ashtech公司和Trimble公司、歐洲Leica公司、法國的Sercel公司生產(chǎn)的各類型的接收機(jī)?，F(xiàn)在廠商生產(chǎn)的GPS接收機(jī)朝越來越高度集成化、智能化、抗干擾性能強(qiáng)、小巧輕便、易于操作的方向發(fā)展。五、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作的基本原理及定位方法：GPS的工作原理實(shí)際上就是利用測距后方交會原理確定點(diǎn)位與導(dǎo)航，將無線電信號發(fā)射臺從地面點(diǎn)搬到衛(wèi)星上，組成一個衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，應(yīng)用無線電測距交會的原理，由三個以上地面已知點(diǎn)（控制點(diǎn)）交會出衛(wèi)星的位置，反之利用三個以上衛(wèi)星的已知空間位置又可以交會出地面未知點(diǎn)（接收機(jī)）的位置。如圖二，GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文，用戶用GPS接收機(jī)在某一時刻i同時接收到三顆GPS衛(wèi)星信號，測量出測站P到三顆GPS衛(wèi)星的距離S1、S2、S3，并計算出該時刻GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)為（Xj、Yj、Zj），j=1,2,3。用距離交會法解算出測站P的位置（Xp、Yp、Zp），其觀測方程式為：S12=(Xp-X1)2+(Yp-Y1)2(Zp-Z1)2S22=(Xp-X2)2+(Yp-Y2)2(Zp-Z2)2S32=(Xp-X3)2+(Yp-Y3)2(Zp-Z3)2因此，利用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位時，必須同時跟蹤至少三顆以上的衛(wèi)星。根據(jù)GPS導(dǎo)航定位的方式不同，可分為GPS絕對定位和相對定位，根據(jù)接收機(jī)天線是否處于運(yùn)動狀態(tài)，又可以分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)質(zhì)上就是廣義的GPS動態(tài)定位。GPS絕對定位也叫單點(diǎn)定位，即利用GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)之間的距離觀測值直接確定用戶接收機(jī)天線在WGS84坐標(biāo)系中相對于坐標(biāo)原點(diǎn)（地球質(zhì)心）的絕對位置。GPS相對定位也叫差分GPS定位，即至少用兩臺GPS接收機(jī)，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，確定兩臺接收機(jī)天線之間的相對位置，它是目前GPS定位中精度最高的一種方法。廣泛用于大地測量、精密工程測量、地球動力學(xué)的研究和精密導(dǎo)航。現(xiàn)在又出現(xiàn)了一種叫載波相位動態(tài)實(shí)時差分RTK（Real-timekinematic）技術(shù)，實(shí)質(zhì)也就是相對定位，只不過它能快速完成整周模糊度的搜索求解。其基本過程是基準(zhǔn)站（已知點(diǎn)）通過數(shù)據(jù)鏈將其采集的觀測數(shù)據(jù)和測站信息一起傳送給流動站，流動站利用同步采集到的GPS觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果。六、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用：美國政府最初開發(fā)GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要為用于軍隊導(dǎo)航、收集情報等軍事目的，后來對民用領(lǐng)域開放，將GPS系統(tǒng)分為軍用碼和民用碼，但兩者的接收精度相差很大。由于GPS具有全天候、高精度、自動化、高效益的特點(diǎn)，特別是隨著GPS系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，軟、硬件的不斷完善以及美國終止降低民用GPS接收機(jī)精度的作法，應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟(jì)各個部門，并開始進(jìn)入人們的日常生活。人們可以開著裝有先進(jìn)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的汽車，隨時為你指示行進(jìn)方向，你可以戴著手表式的接收機(jī)為你在原始森林里旅游探險指明方向。1、在大地測量、工程測量中的應(yīng)用：由于GPS系統(tǒng)具有精度高、速度快、費(fèi)用省、操作簡便，現(xiàn)今建立大地及工程控制網(wǎng)基本上是采取GPS定位技術(shù)，取代了常規(guī)手段。國家A級和B級GPS大地控制網(wǎng)分別于1996年和1997年建成并交付使用，A級網(wǎng)，30個點(diǎn)組成，其水平方向的重復(fù)精度達(dá)2108，垂直方向不低于7108。B級網(wǎng)由800個點(diǎn)組成，其精度也分別好于4107和8107。國家A、B級網(wǎng)以其特有的高精度把我國傳統(tǒng)大地網(wǎng)進(jìn)行了全面改善和加強(qiáng)，從而克服了傳統(tǒng)大地網(wǎng)的精度不均勻，系統(tǒng)誤差較大等傳