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摘要:本文主要介紹了GPS導航定位系統的組成、基本工作原理、特點以及在各領域中的應用等,力求讓測繪同行和有興趣的朋友對GPS全球導航定位系統有一個全面基本的瞭解和認識。

  關鍵詞:GPS GPS衛星導航定位系統 GPS接收機 GPS衛星訊號 導航與定位 RTK

  一、概述

  自從五七年第一顆人造衛星上天,六十年代的人造衛星導航定位技術,七十年代美國軍方開始發展GPS(Global Positioning System)衛星導航定位系統,直至1995年4月27日美國國防部宣部“GPS系統已具備全部運作能力”。GPS計劃的實現歷時23年,耗資200多億美元,前後共發射35顆衛星,目前仍在軌道上正常工作的有二25顆衛星,其中1顆為實驗衛星,24顆為工作衛星。它具有海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力,是美國第二代衛星導航系統,其特點是全天候、高精度、應用廣,是迄今最好的導航定位系統。它廣泛的應用價值,引起了各國科學家的關注和研究,前蘇聯和西歐各國的科學家在積極開發利用GPS訊號資源的同時,還致力於研究開發各自的衛星導航定位系統,如前蘇聯建成的GLONASS衛星導航系統,我國也在致力於發展自已的衛星導航定位系統。同時,它的出現也導致了測繪行業一場深刻的技術變革。

  二、GPS系統的組成

  由三大部分組成,即空間部分、地面監控部分、使用者裝置部分。

  1、空間部分:GPS系統的空間部分是指GPS工作衛星星座,其由24顆衛星組成,其中21顆工作衛星,3顆備用衛星,均勻分佈在6個軌道上。衛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赤經相差60°,軌道平均高度為20200km.衛星執行週期為11小時58分(恆星時),同一軌道上的各衛星的升交角距為90°,GPS衛星的上述時空配置,基本保證了地球上任何地點,在任何時刻均至少可以同時觀測到4顆衛星,以滿足地面使用者實時全天候精密導航和定位。GPS衛星的主體呈圓柱形,直徑約為1.5m,重約774kg,兩側各安裝兩塊雙葉太陽能電池板,能自動對日定向,以保證衛星正常工作用電。每顆衛星帶有四臺高精度原子鐘,其中2臺為銣鍾,2臺為銫鐘。GPS衛星上設有微處理機,可以進行必要的資料處理工作,它主要的3個基本功能:根據地面監控指令接收和儲存由地面監控站發來的導航資訊,調整衛星姿態、啟動備用衛星;向GPS使用者播送導航電文,提供導航和定位資訊;通過高精度衛星鐘向使用者提供精密的時間標準。

  2、地面監控部分:由5個地面站組成。1個主控站,其位於美國本土科羅拉多斯平土(Colorado Spings)的聯合空間執行中心CSOC,3個注入站,其分別設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個監控站,其中4個與主控站、注入站重疊,另外一個設在夏威夷。主控站的主要任務為:根據各監控站提供的觀測資料推算編制各顆衛星的星曆、衛星鐘差、和大氣層修正引數並把這些資料傳送到注入站;提供GPS系統的時間標準;調整偏離軌道的衛星,使之沿預定的軌道執行;啟用備用衛星以取代失效的工作衛星。注入站的主要任務為:在主控站的控制下,把主控站傳來的各種資料和指令等正確並適時地注入到相應衛星的儲存系統。監測站的主要任務為:給主控站編算導航電文提供觀測資料,每個監控站均用GPS訊號接收機,對每顆可見衛星每6秒鐘進行一次偽距測量和積分多普勒觀測,並採集氣象要素等資料。

  3、使用者裝置部分:由GPS接收機硬體和相應的資料處理軟體以及微處理機及其終端裝置組成。其主要功能是接收GPS衛星發射的訊號,獲得必要的導航和定位資訊及觀測量,並經簡單資料處理實現實時導航和定位,用後處理軟體包對觀測資料進行精加工,以獲取精密定位結果。

  三、GPS導航定位系統的特點

   GPS導航定位系統之所以在許多領域得到廣泛應用,出現了與GPS系統相關的產業,這都得益於其本身所具有的諸多優點,概括起來主要有以下幾個方面。

  1、定位精度高:通過很多應用實踐已經證明,GPS相對定位精度在50km以內可達10-6,100km~500km可達10-7,1000km以上可達10-9,在300-1500m工程精密定位中,1小時以上觀測的解算,其平面位置誤差小於1mm.基線邊長越長越能突顯是定位精度高的優勢。

  2、觀測時間短:由於GPS系統的不斷完善,軟體不斷更新,目前20km以內相對靜態定位,僅需15~20分鐘,快速靜態相對定位測量時,當每個流動站與基準站相距在15km以內時,流動站只需觀測1~2分鐘,動態相對定位測量時,流動站出發時觀測1~2分鐘,然後可隨時定位,每站觀測僅需幾秒鐘。

  3、測站間無須通視:GPS測量不要求站點間相互通視,只需測站上空開闊即可。

  4、可提供三維座標:經典大地測量將平面與高程採用不同方法施測,而GPS可同時精確測定測站點的三維座標,目前GPS水準可達到四等水準測量的精度。

  5、操作簡便:隨著GPS機不斷改進,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“傻瓜化”的程度。

  6、全天候作業:使用GPS測量,不受時間限制,24小時都可以工作,也不受起霧、颳風、下雨下雪等氣候的影響。

  7、功能多、應用廣:GPS系統不僅可用於測量,還可用於測速、測時。測速精度可達0.1m/s,測時精度可達幾十毫秒。隨著人們對GPS系統的不斷開發,其應用領域正在不斷地擴大。

  四、GPS衛星訊號接收機的基本工作原理和種類

  GPS接收機主要由天線單元、接收單元和電源三部分組成。其工作原理如圖:接收機天線對GPS衛星訊號進行接收,並將衛星訊號轉化為相應的電流,電流訊號再經前置放大器放大,放大後的訊號由變頻器和中頻放大器將L頻段的射頻訊號變成低頻訊號;由接收單元的訊號通道對廣播電文資料訊號進行解擴、解調,得到導航電文,並由存貯器儲存。CPU將得到的各種資料進行粗處理,使使用者得到需要的各種導航定位資訊。GPS接收機按照其工作原理、用途、接收衛星訊號頻率、訊號通道數目可分成許多不同的型別:生產GPS接收機的廠商很多,主要有美國Ashtech公司和Trimble公司、歐洲Leica公司、法國的Sercel公司生產的各型別的接收機。現在廠商生產的GPS接收機朝越來越高度整合化、智慧化、抗干擾效能強、小巧輕便、易於操作的方向發展。

  五、GPS導航定位系統工作的基本原理及定位方法

   GPS的工作原理實際上就是利用測距後方交會原理確定點位與導航,將無線電訊號發射臺從地面點搬到衛星上,組成一個衛星導航定位系統,應用無線電測距交會的原理,由三個以上地面已知點(控制點)交會出衛星的位置,反之利用三個以上衛星的已知空間位置又可以交會出地面未知點(接收機)的位置。

  GPS絕對定位也叫單點定位,即利用GPS衛星和使用者接收機之間的距離觀測值直接確定使用者接收機天線在WGS-84座標系中相對於座標原點(地球質心)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,同步觀測相同的GPS衛星,確定兩臺接收機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。廣泛用於大地測量、精密工程測量、地球動力學的研究和精密導航。現在又出現了一種叫載波相位動態實時差分-RTK(Real-time kinematic)技術,實質也就是相對定位,只不過它能快速完成整週模糊度的搜尋求解。其基本過程是基準站(已知點)通過資料鏈將其採集的觀測資料和測站資訊一起傳送給流動站,流動站利用同步採集到的GPS觀測資料,在系統內組成差分觀測值進行實時處理,同時給出釐米級定位結果。

  六、GPS導航定位系統的廣泛應用

  美國政府最初開發GPS導航定位系統主要為用於軍隊導航、收集情報等軍事目的,後來對民用領域開放,將GPS系統分為軍用碼和民用碼,但兩者的接收精度相差很大。由於GPS具有全天候、高精度、自動化、高效益的特點,特別是隨著GPS系統的不斷改進,軟、硬體的不斷完善以及美國終止降低民用GPS接收機精度的作法,應用領域得到不斷地開拓,目前已遍及國民經濟各個部門,並開始進入人們的日常生活。人們可以開著裝有先進GPS導航系統的汽車,隨時為你指示行進方向,你可以戴著手錶式的接收機為你在原始森林裡旅遊探險指明方向。

  1、在大地測量、工程測量中的應用:由於GPS系統具有精度高、速度快、費用省、操作簡便,現今建立大地及工程控制網基本上是採取GPS定位技術,取代了常規手段。國家A級和B級GPS大地控制網分別於1996年和1997年建成並交付使用,A級網,30個點組成,其水平方向的重複精度達2×10-8,垂直方向不低於7×10-8.B級網由800個點組成,其精度也分別好於4×10-7和8×10-7.

  國家A、B級網以其特有的高精度把我國傳統大地網進行了全面改善和加強,從而克服了傳統大地網的精度不均勻,系統誤差較大等傳統測量手段不可避免缺點,這一高精度三維空間大地座標系的建成將為我國21世紀前10年的經濟和社會持續發展提供基礎測繪保障。據報道在三峽二期工程施工中採用GPS定位技術建立施工控制網,取得很好的效果,可以滿足其相應的精度要求;在青藏鐵路的建設中,從勘測到施工均採用了GPS定位技術,都取得了很好的效果。為了在測繪領域充分利用這一新技術,國家測繪局專門頒佈了《全球定位系統(GPS)測量規範》。

  2、在地籍和房產測繪中的應用:地籍及房地產測量是精確測定土地權屬界址點位置,同時測繪大比例尺地籍平面圖和房產圖並量算土地和房屋面積,供土地和房產管理部門使用。常規方法通常是先佈設或加密控制點,然後依據這些點,測定地物點和地形點在圖上的位置並按照一定的規律和符號繪製成平面圖。而利用GPS定位技術,特別是採用RTK技術替代常規方法測繪地籍及房產成為可能。由於它不需要逐級佈網加密,在測區只需少量的控制點即可。

  因此,它具有速度快,精度高且分佈均勻等特點。

  3、在工程變形監測中的應用:我國正處在全面基礎建設中,尤其是西部大開發,大型、特大型工程不斷湧現,為了這些工程的正常、安全地執行,必須對它進行變形監測和安全預報,工程變形監測通常要達到毫米或亞毫米級的精度,武漢測繪科技大學做了這方面的試驗,試驗結果證明GPS定位技術用於各種工程變形監測是可行的。隔河巖水電站大壩外觀變形GPS自動化監測系統,整個系統全自動,應用廣播星曆1~2小時GPS觀測資料解算的監測點位,水平精度優於1.5mm,垂直精度優於1.5mm,6小時的GPS觀測資料解算,水平精度、垂直精度均優於1mm.

  4、在資源勘察方面的應用:礦產資源勘查、礦區範圍的劃定、礦體規模的測定等都需要進行定點測量。以往的地質測量工作主利用傳統手段如經緯儀、全站儀等測量儀器進行人工測量,然後在室內整理計算得到最終結果。

  這樣做不但工作量大,浪費大量的人力、物力,且測量結果精度還較低。時間週期也長,不能及時反映礦產資源的實際現狀。黑龍江省國土資源廳在哈爾濱市、大慶市、佳木斯市進行了試驗性工作,建立和使用GPS2000系統,開展各市的礦產資源勘察動態管理工作,減少礦區範圍界限定位誤差,提高對地礦資源的有效管理,取得了較好的成果。另外,在航空攝影測量、海洋測量、山體滑波監測、運載工具導航和管制、地殼運動監測、地球動力學研究等領域均得到了成功的應用。

  七、結束語

  在我們從事的多個水利水電工程測量中,均涉及到了GPS定位技術,也感受到其無窮的優點。同時也得到有關領導對這項新技術的重視。經過領導派我們去培訓後,對這項新技術有了更進一步的認識,結合學習後所掌握的知識,以及在工作中所涉及到的有關資料,同時參考了以下主要文獻寫成這篇文章,其目的是讓感興趣的朋友對GPS導航定位技術有一定的認識和了解。有不足和不恰當之處,肯請指正!