全球定位系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究進(jìn)展

1專題三 全球定位系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究進(jìn)展一、 GPS 理論研究進(jìn)展GPS 的全稱是:Navigation Satellite Timing and Ranging Global positioning System。即，利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)?，F(xiàn)在，GPS 已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，在軍事，農(nóng)業(yè)，航海，勘探等許多領(lǐng)域.發(fā)揮著積極的作用。1、 GPS的發(fā)展歷程 前蘇聯(lián)于1957 年發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星開啟了人類星基導(dǎo)航的大門, 美國人提出的“反向觀測“ 設(shè)想奠定了現(xiàn)代全球衛(wèi)星定位的理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)70 年代, 隨著美蘇軍事競爭的逐步升級, 美國迫切希望擁有能夠在世界范圍內(nèi)實(shí)施精確、快速定位和導(dǎo)航的高端技術(shù), 從而掌握制空權(quán)。于是美國國防部于1973 年開始組織研制能滿足陸?？杖娦枰摹?導(dǎo)航衛(wèi)星定時和測距全球定位系統(tǒng)( NaviGation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) , 簡稱GPS 全球定位系統(tǒng)。GPS計(jì)劃的實(shí)施分為三個階段: 19731977年為方案論證和設(shè)計(jì); 19781988年為全面研制和試驗(yàn); 1989-1994 年為組網(wǎng)階段, 到1994 年3 月建成了GPS 系統(tǒng)。歷時20 多年, 耗資200 多億美元, 是美國繼“ 阿波羅”登月飛船和航天飛機(jī)后的第三大航天技術(shù)工程。該系統(tǒng)是能在海、陸、空進(jìn)行全方位高準(zhǔn)確度實(shí)時定位、測速、授時的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。最早的全球定位系統(tǒng)是“NNSS”(Navy Navigation Satellite 2System)，即海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，它于 1958 年底由美國海軍開始實(shí)施，于 1964 年建成，但開始時只供美國軍方使用，直到 1967 年才開始提供民用，并為各國所采用，我國也于 70 年代中期引人了NNSS 定位技術(shù)。該系統(tǒng)的問題在于其“單星、低軌、低頻測速”體制，不能滿足高動態(tài)用戶時導(dǎo)航定位的要求，也不能滿足高精度的要求。因此，美國與七十年代初又開始了新的導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研制，并于 1973 年發(fā)射了第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星，1989 年又發(fā)射了第一顆 GPS工作衛(wèi)星，逐漸形成了現(xiàn)在的 GPS 定位系統(tǒng)。目前，世界上主要有兩種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即:NAVSTAR 系統(tǒng)和CLONASS 系統(tǒng)，前者屬于美國國防部，而后者則是由前蘇聯(lián)開發(fā)的系統(tǒng)。通常我們所說的 GPS 系統(tǒng)主要是指 NAVSTAR 系統(tǒng)。美軍的 GPS 系統(tǒng)是世界上目前唯一最完善的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) ,GPS 系統(tǒng)經(jīng)過海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭 以及各種沖突的歷練,已成為美軍及其盟軍重要的電子信息系統(tǒng),GPS 系統(tǒng)是美軍戰(zhàn)斗力的倍增器,它在美軍各項(xiàng)軍事行動中發(fā)揮了巨大的作用,也是美軍保持其全球信息優(yōu)勢的重要基礎(chǔ)。2、 GPS 的原理2.1 GPS 系統(tǒng)組成一個完整的GPS主要由空間段、控制段和用戶段三部分構(gòu)成。2.1.1 空間段由分布在6個軌道面上的24顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星軌道高度20200km,傾角55度,周期12小時。衛(wèi)星用L波段的兩個無線電載3波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號,導(dǎo)航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息,使衛(wèi)星成為一個動態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時刻,在高度角15以上,平均可同時觀測到6顆衛(wèi)星,最多可達(dá)到9顆。衛(wèi)星的軌道分布保證在世界各地任何時間可見到至少6顆衛(wèi)星,衛(wèi)星連續(xù)向用戶提供位置和時間信息。2.1.2 控制段由分布在全球的一個主控站、五個監(jiān)測站和三個注入站組成。主控站位于Colorado。監(jiān)測站跟蹤視野內(nèi)所有GPS衛(wèi)星、收集衛(wèi)星測距信息,并把收集的信息送到主站。主控站根據(jù)各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù),計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等,并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文,傳送到注入站,再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中。2.1.3 用戶段由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備(如計(jì)算機(jī))等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號,跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行,并對信號進(jìn)行交換、放大和處理,再通過計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件,經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差,求出GPS接收機(jī)中心(測站點(diǎn))的三維坐標(biāo)。2.2 GPS 定位原理所有在軌運(yùn)行的GPS 衛(wèi)星既是作為一系列的動態(tài)已知點(diǎn)、又是作為無線電信號發(fā)射臺存在于空間, 它們發(fā)播的星歷信號為用戶提供衛(wèi)星的空間坐標(biāo)、軌道參數(shù)、時間、各種改正等一系列信息。接收機(jī)接收這些星歷信號, 測量觀測者距所選衛(wèi)星的距離, 然后根據(jù)所測得距離求出觀測者的坐標(biāo)參數(shù),這就是GPS 定位。GPS 定位是在4GPS 衛(wèi)星的實(shí)時位置已知的前提下采用距離交會原理來實(shí)現(xiàn)位置的準(zhǔn)確確定的?；驹硎? 知道未知點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離, 未知點(diǎn)就必然位于以已知點(diǎn)為球心、兩點(diǎn)間距離為半徑的球面上; 如果已知A、B、C 三個衛(wèi)星的在軌坐標(biāo), 又測出了觀測站距三顆衛(wèi)星的距離, 然后分別以這3 個衛(wèi)星為球心, 以所測得的距離為半徑畫3 個球面, 則觀測站就一定位于這三個球面的相交處( 若有多值解, 可通過接收方向的判斷而剔除) , 從而準(zhǔn)確地解算出觀測站的位置。二、 GPS 應(yīng)用情況1、 目前狀況GPS 技術(shù)已發(fā)展成多領(lǐng)域(陸地、海洋、航空航天)、多模式(GPS,DGPS,LADGPS,WADGPS 等) 、多用途(在途導(dǎo)航、精密定位、精確定時、衛(wèi)星定軌、災(zāi)害監(jiān)測、資源調(diào)查、工程建設(shè)、市政規(guī)劃、海洋開發(fā)、交通管制等)、多機(jī)型(測地型、定時型、手持型、集成型、車載式、船載式、機(jī)載式、星載式、彈載式等)的高新技術(shù)國際性產(chǎn)業(yè)。GPS 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛：（1） GPS 在軍事上的應(yīng)用 飛機(jī)導(dǎo)航 導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)彈攔截及目標(biāo)精準(zhǔn)打擊 作戰(zhàn)指揮 發(fā)射陣地快速定位 外彈道測量5（2） GPS 在地球物理和大地測量領(lǐng)域的應(yīng)用 地球物理觀測 大地測量 水土保持 地形、地籍及房地產(chǎn)測量 （3） 在航空航天及空間技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用（4） 在工程測試中的應(yīng)用（5） GPS 在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用6 車輛調(diào)度指揮管理系統(tǒng) 車輛導(dǎo)航7 車輛運(yùn)行狀態(tài)測試棄北電 擁北斗 樹鐵路無線通信新旗幟作 者：葛遜據(jù)調(diào)查目前國內(nèi)鐵路系統(tǒng)所用無線通信系統(tǒng)為 GSM-R，技術(shù)擁有者為加拿大知名電訊設(shè)備制造商北電集團(tuán)。實(shí)際上國內(nèi)也有自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，但目前在鐵路僅小規(guī)模應(yīng)用，暫未被大規(guī)模推廣。鐵路專用通信是直接為鐵路運(yùn)輸而設(shè)計(jì)使用的系統(tǒng)設(shè)施，分為鐵路有線專用通信系統(tǒng)和鐵路無線專用通信系統(tǒng)。對運(yùn)行中的列車而言，無線通信尤其重要。GSM-R 是 2002 年鐵道部引進(jìn)的技術(shù)，在歐洲廣泛使用。技術(shù)擁有者北電集團(tuán)，當(dāng)時擁有全球 GSM-R 市場 60%以上的份額。中國第一條全線應(yīng)用 GSM-R 的鐵路是青藏線。投資總額達(dá) 262.1 億元的青藏鐵路吸引了北電的目光，2003 年 10 月，北電向鐵道部提出在青藏線進(jìn)行 GSM-R 試驗(yàn)的方案，第二年 3 月，鐵道部批準(zhǔn)，北電出色地完成了試驗(yàn)，獲得鐵道部的好感。2006 年 5 月，鐵道部與北電簽署合作協(xié)議，將全國 7 個主要城市節(jié)點(diǎn)的 GSM-R 核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)權(quán)交給北電集團(tuán)，當(dāng)時全國部署的 GSM-R 節(jié)點(diǎn)共有 19 個。雙方并未透露合同金額。GSM-R 鐵路無線通信系統(tǒng)成為國內(nèi)主流已成趨勢，當(dāng)時鐵路部提出“跨越式發(fā)展”的口號，要求在 2010 年前 GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋全路 70 余條干線。事實(shí)上，就在北電集團(tuán)提出試驗(yàn)申請之前的 2003 年 6 月，國內(nèi)自主研發(fā)的無線通信系統(tǒng)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)就已經(jīng)開始使用。但通信世界網(wǎng)了解到，這一系統(tǒng)至今都未能推廣開。參與甬臺溫線 GSM-R 系統(tǒng)搭建者的主要是佳訊飛鴻和德國安弗施公司。佳訊飛鴻部署了基于 GSM-R 的 FH98-G 數(shù)字專用調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是“多層防雷防強(qiáng)電保護(hù)設(shè)計(jì)”。安弗施公司則主要負(fù)責(zé)沿途的隧道信號覆蓋。8據(jù)了解有研究人員曾指出，鐵路調(diào)度系統(tǒng)由有線和無線信號計(jì)算其速度后復(fù)合定位，精準(zhǔn)度相對較低，在列車速度高達(dá) 200 公里以上時定位效果更差。定位不準(zhǔn)確使得調(diào)度工作難度加大，為事故埋下隱患。北斗星通的最初想法是把北斗作為鐵路的輔助通信系統(tǒng)。當(dāng)時北斗系統(tǒng)剛開始使用，成本較高，因此除鄭州小規(guī)模試用外并未推廣。事實(shí)上，2006 年青藏鐵路開通之前，青藏鐵路公司已經(jīng)對北斗系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗(yàn)證了衛(wèi)星定位信息的適用性和可靠性。而據(jù)知情人士稱，現(xiàn)在一套北斗終端的價格最高不超過 2 萬元，低價和競爭充分反而成為其被棄用的原因之一。早在 2003 年，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的“鐵路北斗衛(wèi)星移動通訊平臺”開始在鄭州鐵路局所屬的 60 臺機(jī)車上投入使用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，與美國的 GPS、俄羅斯的 GLONASS 并列。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具備雙向通訊功能，最高定位精度可達(dá)厘米級。國內(nèi)企業(yè)中，神州天鴻和北斗星通都擁有基于北斗的鐵路調(diào)度系統(tǒng)。2005 年7 月 31 日，長春發(fā)生列車追尾事故，造成 5 人死亡。時任北斗星通副總經(jīng)理的秦加法就表示：“在地面通信系統(tǒng)發(fā)生事故、無法有效運(yùn)行的情況下，可以用衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行通信，有效避免追尾事故的發(fā)生?！北倍废到y(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫家棟曾表示：“到 2015 年，北斗系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)值將達(dá)到 2000 億元，2020 年將突破 4000 億。”可見北斗系統(tǒng)的應(yīng)用范圍及其潛能將十分巨大（6）GPS 在人們生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用 在林業(yè)方面的應(yīng)用 在森林中進(jìn)行常規(guī)測量相當(dāng)困難，而GPS 定位技術(shù)可以在確定林區(qū)位置、計(jì)算可采伐木材面積、確定原始森林區(qū)域、森林火災(zāi)周邊勘測、尋找水源、繪制精確的森林分布圖等方面發(fā)揮獨(dú)特的作用。9美國林業(yè)局用經(jīng)緯儀和GPS 對同一塊林區(qū)進(jìn)行面積測量，結(jié)果兩者僅差0.03%，這一實(shí)驗(yàn)證明了裝備有GPS 接收系統(tǒng)的直升飛機(jī)沿林區(qū)周邊飛行就可以對林區(qū)的面積進(jìn)行符合精度要求的快速測量。GPS 技術(shù)用于森林防火已取得較好成效，美國研制的飛機(jī)+GPS 接收機(jī)+熱紅外觀測系統(tǒng)，沿火災(zāi)周邊飛行并記錄定位信息，可快速確定火災(zāi)的準(zhǔn)確位置和繪制周邊地形圖，為采取滅火措施提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 GPS 技術(shù)與 GIS 資源的合成應(yīng)用 GIS 地理信息系統(tǒng)（ Geography Information System）是研究地理空間信息分布的科學(xué)技術(shù)，比如一個城市，它的地理空間中充滿著龐大的各式各樣的信息：名勝古跡、旅游路線、文化娛樂設(shè)施、交通信息、賓館、醫(yī)院、學(xué)校、研究機(jī)構(gòu)、政府辦事機(jī)構(gòu)等等。利用現(xiàn)代技術(shù)把這些信息建成數(shù)據(jù)庫，就構(gòu)成了數(shù)碼城市的要素，它既為二維數(shù)碼城市中的地圖和三維數(shù)碼城市模型提供大量信息，又可與實(shí)現(xiàn)數(shù)碼城市3D 重視的虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)（ VR）結(jié)合而構(gòu)成了數(shù)碼城市。但是，GIS 的發(fā)展與應(yīng)用受到地理空間點(diǎn)位的定位在機(jī)動性、隨時隨地性、實(shí)用性等因素的制約。而GPS 雖然可快速給出某一目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，但無法提供該點(diǎn)周圍環(huán)境的地理屬性和與其相關(guān)的空間信息。如果把GPS 與GIS 結(jié)合，就可形成具有重要實(shí)用價值的數(shù)碼城市系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外都在研發(fā)并已被實(shí)際應(yīng)用。 旅游及野外考察10到風(fēng)景秀麗的地區(qū)去旅游，到原始大森林、雪山峽谷或者大沙漠地區(qū)去野外考察，GPS 接收機(jī)是最忠實(shí)的向?qū)А？梢噪S時提供出行者所在位置及行走速度和方向，使你不會迷路。目前小巧輕便的攜帶式GPS接收機(jī)已經(jīng)問世，最輕的才60 多克，它不僅便于出行者的攜帶，而且