什么是全球定位系統(tǒng)(GPS)

GPS（Globe Positioning System）即指全球定位系統(tǒng)，是美國20世紀三大空間技術之一（另兩大技術是航天飛機和阿波羅登月計劃），是當今世界航天航空技術、無線電通訊技術和計算機技術的綜合結(jié)晶。

GPS系統(tǒng)由美國發(fā)射的24顆導航衛(wèi)星構(gòu)成的空間部分和分布在世界各地的地面監(jiān)控部分組成。衛(wèi)星的分布使得地球上任何位置都可同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。各星不斷將自身參數(shù)、測距碼發(fā)往地面，用戶使用GPS接收機接收相應信號，并按一定準則解算出接收天線處的位置和速度等，從而實現(xiàn)對物體定位跟蹤。

1.發(fā)展歷史

五十年代未，原蘇聯(lián)發(fā)射了人類的第一顆人造地球衛(wèi)星，美國科學家在對其的跟蹤研究中，發(fā)現(xiàn)了多普勒頻移現(xiàn)象，并利用該原理促成了多普勒衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)TRANsIT的建成，在軍事和民用方面取得了極大的成功，是導航定位史上的一次飛躍，我國也曾引進了多臺多普勒接收機，應用于海島聯(lián)測、地球勘探等領域。但由于多普勒衛(wèi)星軌道高度低、信號載波頻率低，軌道精度難以提高，使得定位精度較低，以滿足大地測量或工程測量的要求，更不可能用于天文地球動力學研究。為了提高衛(wèi)星定位的精度，美國從1973 年開始籌建全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）。在進過了方案論證、系統(tǒng)試驗階段后，于1989年開始發(fā)射正式工作衛(wèi)星，并于1994年全部建成，投入使用，歷時20年，耗資200億美元，是具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。

2.基本組成

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間星座部分——GPS衛(wèi)星；地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分——GPS信號接收機。

(1)空間星座部分

按目前的方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座，高度約2.02萬千米，均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?

衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個波段的載波信號，載波信號頻率分別為1575.442兆 赫茲（L1波段）和1227.6兆赫茲（L2波段），衛(wèi)星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩(wěn)定性，在載波上調(diào)制有表示衛(wèi)星位置 的廣播星歷，用于測距的C/A碼和P碼，以及其它系統(tǒng)信息，能在全球范圍內(nèi)，向任意多用 戶提供高精度的、全天候的、連續(xù)的、實時的三維測速、三維定位和授時。

(2)地面控制部分

GPS系統(tǒng)的控制部分由設在美國本土的四個監(jiān)控站、一個上行注入站和一個主控站組成。監(jiān)控站的主要任務是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。

主控站設在范登堡空軍基地，主要任務是收集各監(jiān)控站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。

上行注入站也設在范登堡空軍基地，它的任務主要是在每顆衛(wèi)星運行至上空時把這類導航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。

(3)用戶設備部分

用戶接收機：GPS 接收機能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號， 并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星 到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出用戶接收機所處的三維位置，位置，甚至三維速度和時間。

GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備，即GPS信號接收機?？梢栽谌魏螘r候用GPS信號進行導航定位測量。根據(jù)使用目的的不同，用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機，產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。

3.定位原理

按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位。

在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應選用雙頻接收機。

由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X,Y,Z）。考慮到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經(jīng)緯度和高程。

事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

由于衛(wèi)星運行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技術，建立基準站（差分臺）進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

（1）偽距法：一般民用導航使用

GPS接收機根據(jù)接收所選衛(wèi)星發(fā)來得導航信息和星鐘校正參數(shù)的時間，能算出接收機到衛(wèi)星的"距離"如果測量到三顆衛(wèi)星的"距離"：，則分別以三顆衛(wèi)星發(fā)射時刻的衛(wèi)星位置（按發(fā)射的星歷參數(shù)確定）為中心，根據(jù)測得的"距離"畫出三個球，其交點便是用戶的三維位置。

但是由于接收機的本機鐘對星載原子鐘存在偏差，上面所測的"距離"并不能代表衛(wèi)星到接收機的真實距離。人們把這種距離稱做"偽距離"（簡稱偽距），偽距法由此得來,對第I顆星來說，偽距RI的表達式為：RI=Ri+c△tai+c(△tui-△tsi) 式中：Ri ---真距， c---光速， △tai---信號傳播延時， △tui---用戶鐘相對于GPS時間的偏差， △tsi---衛(wèi)星鐘相對于GPS時間的偏差。

正因為用戶鐘與GPS時間不能精確同步，故每次測量總會有一個固定的偏差，這種偏差使定位產(chǎn)生不定性。如果我們再測量一個到第四顆衛(wèi)星的偽距，則這時由用戶鐘偏差造成的定位不定性就產(chǎn)生一個由四個相交球面所圍成的誤差體積。我們從每個偽距測量中加上或減去這個固定值就消去了該固定體積，結(jié)果得到四個球面相交與一點，這就是用戶的三維位置。實際上，這只要觀測至四顆衛(wèi)星的偽距并接收衛(wèi)星的導航信息，解算四個方程就可得到。這種方法主要用于實時導航

（2）差分法：GPS定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時間等觀測量來實現(xiàn)的，同時還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地面點的三維坐標，必須對4顆衛(wèi)星進行測量。在這一定位過程中，存在著三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機所公有的，例如，衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應等。利用差分技術，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決于基準接收機和用戶接收機的距離，第三部分誤差則無法消除。差分工作時需要一部位于已知精確位置的差分基準接收機，它對由GPS導出的解（位置或距離數(shù)據(jù)）與基準臺（接收機）已知位置或距離數(shù)據(jù)比較，然后將修正項發(fā)給用戶，以便修正用戶本身的解。DGPS可消去公共性誤差（衛(wèi)星誤差、大氣層效應誤差）。由于SA對測量的影響像一種慢變化的偏差，在近距離內(nèi)相同，故差分校正也可將其消去。工作時，在一個地區(qū)（可達幾百公里范圍）設置一臺差分基準臺即可。利用C/A碼可獲得米級的定時定位精度，而利用載波相位數(shù)據(jù)可達毫米級。

（3）雙頻法：在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應選用雙頻接收機。

（4）其它：其他提高精度技術：

有聯(lián)測定位技術；偽衛(wèi)星技術；無碼GPS技術；GPS測角技術；精密星歷使用技術；反SA技術；GPS/GLONASS組合接收技術；GPS組合導航技術等。

4.應用領域

GPS的應用領域：

（1）民用領域

車輛自導航：車船管理調(diào)度－在出租車行業(yè)、長途運輸業(yè)、租車服務業(yè)等將能夠?qū)囕v進行跟蹤、調(diào)度管理。在擁擠的停車場、火車調(diào)度場能夠準確地確定車輛的位置，有效地調(diào)動車輛。

郵遞服務：對重要的貨物、包裹與信函等進行跟蹤、引導與保護。對貨場物品入庫與出庫的調(diào)度能有效地確定貨物的存放地點，提高出貨效率，增加管理手段、避免積壓。

民航運輸：使飛機著陸時駕駛員通過儀表操作對準跑道。

漁業(yè)生產(chǎn)：GPS能滿足漁獵對定位的要求。同時能為捕魚船隊在法律上避免發(fā)生捕魚邊界的糾紛，提高在經(jīng)濟專屬區(qū)的作業(yè)效率。

公路水路維護：能準確地引導維護人員調(diào)查需維護的交通設施。

火警、警察、救護的應急調(diào)遣：提高緊急事件處理部門對火災現(xiàn)場、犯罪現(xiàn)場、交通事故現(xiàn)場、交通堵塞等緊急事件的響應效率。

E－911：美國通訊委員會（FCC）要求將所有的移動電話安裝無線電定位裝置，以便用戶在通過移動電話向911請求幫助時可找到用戶位置，實現(xiàn)快速援助。GPS將是滿足FCC要求的一種精確、成本低廉的方式。

搜索與求援：將更加有效地對在人跡罕至、條件惡劣的航海、登山探險、滑雪、沙漠作業(yè)中失蹤的人員進行求援搜索。

道路支持：車在路上壞了時，將提高救援車輛找到你的效率。

突發(fā)事件臨戰(zhàn)狀態(tài)準備：如在洪水發(fā)生時，需要快速地為救災工作做好準備，如繪制洪水邊界圖、排洪國界圖、排洪通道、防洪大堤的調(diào)查。

可隨時查找運輸車輛的當前位置，可獲得車輛的定位數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。實施跟蹤一個或多個指定的運輸車輛，使它們落在電子地圖的窗口內(nèi)?？稍O定跟蹤優(yōu)先級和時間間隔對目標進行跟蹤。對車輛跟蹤形成直觀的運行軌跡。

（2）軍用領域

GPS是自動化指揮系統(tǒng)、先進武器系統(tǒng)及新的戰(zhàn)役戰(zhàn)術理論的一項關鍵性基本保障技術，能為地面車輛、人員以及航空、航海、航天等領域的飛機、船只、潛艇、衛(wèi)星、航天飛機進行導航定位；武器發(fā)射、偵察、飛機進場著陸、交通管制、搜索營救，戰(zhàn)場部隊、車輛以及單兵定位；精確制導導彈打擊目標坐標定位及彈道導引。

5.GPS系統(tǒng)主要特點

(1) GPS系統(tǒng)的實時導航定位精度很高。美國在1992年起實行了所謂的SA政策，即降低廣播星歷中衛(wèi)星位置的精度，降低星鐘改正數(shù)的精度，對衛(wèi)星基準頻率加上高頻的抖動（使偽距和相位的量測精度降低），后又實行了A-S政策，即將P碼改變?yōu)閅碼，即對精密偽距測量進一步限制，而美國軍方和特許用戶不受這些政策的影響，但美國為了獲得更大的商業(yè)利益，這些政策終將被取消

(2)全球全天候連續(xù)無源。GPS能為全球任何地點或近地空間的各類用戶提供連續(xù)的全天候全球?qū)Ш侥芰?。用戶不發(fā)射信號，因而用戶數(shù)量無限。

(3)用途廣泛。GPS是軍民兩用的系統(tǒng)，其應用范圍將極其廣泛。

它以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點，成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等多種學科。

6.GPS的干擾問題

GPS信號很弱，易于干擾。一家俄羅斯公司提供的一種4瓦功率的手持GPS干擾機，不到4000美元就買得到。如果從零售電子商店購買部件組裝，花400美元就可以造一個干擾半徑16千米以上的干擾機。

伊拉克戰(zhàn)爭開戰(zhàn)之前，美國就已經(jīng)預料到伊拉克方面會干擾GPS信號。美國其實早已經(jīng)給其GPS炸彈和導彈裝載了抗干擾技術，使這些GPS導引的武器能夠在干擾的情況下繼續(xù)使用GPS信號；即使GPS信號丟失，這些武器還可以使用自身的其它導引系統(tǒng)如慣性導航、激光制導等，使自己到達目標。

不過，美國軍方以及軍事分析家都認為，GPS導引武器的精度還依賴人的因素。操作手用GPS進行精確瞄準的能力，取決于他獲得精確情報的能力。

作為GPS現(xiàn)代化計劃和NAVWAR計劃的組成部分，美國正在研究各種變通辦法。最明顯的一個提高抗干擾性能的方法是提供來自GPS衛(wèi)星的發(fā)射功率。

NAVSTAR GPS聯(lián)合項目辦公室系統(tǒng)項目主管2002年5月宣布，根據(jù)目前的發(fā)射計劃，GPS的衛(wèi)星信號將在2009年內(nèi)得到有效的加強。到2003年或2004年空軍將開始發(fā)射比目前軌道上的衛(wèi)星信號強10分貝的GPS衛(wèi)星。然而GPS用戶必須一次從四個衛(wèi)星上得到信號。

2003財年預算包含了加強GPS信號的資金。如果得到國會通過，首顆具有更強信號的衛(wèi)星將在2003年后半年或2004年前期發(fā)射。目前的星座包括4顆Block II衛(wèi)星、18顆Block IIA和6顆Block IIR。另外26個GPS-IIF和IIR衛(wèi)星正在制造中，其中至少20顆的信號得到加強。首顆Block IIF衛(wèi)星將在2005年晚些時候發(fā)射。

提高GPS衛(wèi)星的發(fā)射功率還不能解決抗干擾的全部問題，還必須提高海陸空用戶端的GPS抗干擾能力。用戶設備抗干擾技術主要分成兩類：

(1) 一類是能夠在保持或放大GPS信號的同時降低干擾機功率；

(2) 另一類是通過接收機內(nèi)的先進信號處理(即處理增益)來提高信噪比。

在降低干擾機功率的先進技術中，最有前景的是原本研制用于雷達的一種技術，即所謂空間-時間自適應處理。本技法的一個相近變種是空間-頻率自適應處理，在頻域提供等效的處理。這些技法有希望是因為它們協(xié)調(diào)運用了空間與時間資源去最優(yōu)地攻擊多個干擾機。