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全球定位系统(GPS)介绍

[ 来源:Internet | 时间:2007年07月30日 | 收藏本文 ] 【

全球定位系统(Global Positioning System,简称GPS)是美国布设的第二代卫星无线电导航系统。它是在地球上空布设24颗 GPS专用卫星,卫星轨道即每时刻的精确位置由地面监控站测定,并通过卫星用无线电波向地面发播;地面上用GPS接收机同时接收4颗以上卫星信号,根据卫星的精确位署以求得地面点位置。它能为用户提供全球性、全天候、连续、实时、高精度的三维坐标、三向速度和时间信息。
  GPS具有精度高、速度快、全天候、距离远等特点,促使大地测量的作用大大向外扩展延伸。其作用可归纳如下一些:
  (1)为飞机、船舶、运载体提供定位和导航信息;
  (2)布设城市、矿山、海洋等各类控制网,不需造标观测,可灵活方便又廉价的满足经济建设和国防建设的需要;
  (3)布设地面监测网,可监测地壳形变、板块运动、固体潮、海平面升降等地球动力学现象;
  (4)可用于标定国界、海疆和联测沿海岛屿;
  (5)用于建立以地球质心为坐标系原点的地心坐标系,为建立大地测量参考框架提供资料;
  (6)利用GPS和水准测量资料精化大地水准面;
  (7)应用在已知点上的GPS观测资料,可反求大气对流层的气象元素等。

1、GPS发展的背景
1957年世界上第一颗人造卫星发射成功后,利用卫星导航定位的研究提到了议事日程。1973年12月,美国陆、海、空三军继“海军导航卫星系统”(简称“NNSS”,1958年开始研制,1964年正式运行)后,开始联合研制新一代空间卫星导航定位系统,历时20多年,耗资300亿美元。其目的主要是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成部分。

2、GPS的工作原理
GPS是目前世界公认最先进的被动式卫星导航定位系统。即卫星全天时地发射包含自身三维速度、三维坐标和准确时间等信息的导航电文,设在代定点上的接收机通过接受导航电文进行测时、测距,利用空间后方距离交会技术反算出代定点的三维速度和三维坐标,实现导航定位的目的。

3、GPS的组成部分
①空间部分:由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成(21颗工作卫星和三颗备用卫星),卫星上安置了精确的原子钟、发射和接受系统等装置;
②地面控制部分:由主控站(负责管理、协调整个地面系统的工作)、注入站(即地面天线,在主控站的控制下向卫星注入导航电文和其他命令)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成;
③用户装置部分:由天线、接收机、微处理机和输入输出设备组成。

4、SA和AS技术及对策
美国为了维护其军事利益和国家安全,分别对GPS实施了AS和SA技术。AS(Anti-Spoofing)技术也叫反电子欺骗技术,他是一种GPS保护技术,是为了防止敌方和黑客对GPS信息的破坏和干扰以及防止非授权用户(民用用户)使用精密导航信息(军用码)。SA(Selective Availability)技术即选择可用技术,是通过在非精密导航信息(民用码)里人为地加入高频干扰信号和降低卫星星历精度,从而降低了普通用户的定位精度,使民用单点定位误差达到100米。SA政策是影响民用定位精度的主要原因。
为了应对美国SA政策,提高定位精度,世界各国纷纷采用差分技术。即利用多台接收机同时接受同一颗卫星信号,采用一次或多次求差的方法,抵消同一颗卫星的各种人为干扰误差和大气误差,从而提高定位精度。在此基础上又发展了的广域差分、实时差分等定位技术,有效的减弱了SA和AS政策的影响。

5、GPS技术的发展方向
为了促进GPS的发展,1998年美国政府提出了GPS现代化计划,总体上可归纳为以下三个方面:
①保护。采用各种措施保护GPS不受敌方和黑客的干扰,增加军用讯好的强度,增强抗干扰能力。
②阻止。阻止敌方利用GPS军用讯号,设计新的信号结构,将军用频道和民用频道彻底分开。
③改善。改善GPS定位和导航精度,增加2个民用频道,提前结束SA政策。
为了促进GPS产业发展,2000年5月1日,克林顿总统宣布取消SA干扰,使GPS单点定位精度提高了10倍。为了不给美国国家安全带来威胁,美军升级了军用GPS系统并声称在其认为国家安全受到威胁时,还将增加地区性的认为干扰。

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