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GPS衛星定位測量概述

   GPS是全球定位系統(Navigation Satellite Timimg and Ranging/Global Positioning System,NAVSTAR/GPS)的英文縮寫.它的含義是利用衛星的測時和測距進行導航,以構成全球定位系統。現在國際上公認,将這一全球定位系統簡稱為GPS.它是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設施進行高精度導航和定位的要求而建立的 ,該系統自1973年開始設計、研制,曆時20年,于1993年全部建成。

  GPS是目前世界上最先進、最完善的衛星導航系統與定位系統,它不僅具有全球性、全天候、實時高精度,三維導航與定位能力,而且具有良好的抗幹擾和保密性。因此引起世界各國軍事部門和廣大民用部門的普遍關注,由于GPS定位技術的高度自動化信其所達到的高精度和具有潛力,也引起測繪界的高度重視,特别是近幾年來,GPS定位技術在應用基礎的研究、新應用領域的開拓、軟件和硬件的開發等方面都取得了迅速的發展,廣泛的科學實驗活動也為這一新技術的應用展現極為廣闊的前景!

目前,GPS精密定位技術已廣泛的滲透到經濟建設和科學技術的許多領域,尤其是在大地測量學及相關學科領域,如地球動力學,海洋大地測量學,地球物理勘探、資源勘察、航空與衛星遙感、工程測量學等方面的廣泛應用,充分的顯示了這一衛星定位技術的高精度和高效益。

  近年來,GPS精密定位技術已在我國得到廣泛的應用,在大地測量中、工程測量與變形監測、資源勘察及地殼動力監測等方面取得了良好的效果和成功經驗,充分地證明了GPS精密定位技術瓣優越性和巨大潛力,在新的世紀裡。GPS導航與定位技術将會獲得進一步的發展,應用将更為廣泛,效益會更為顯著,将為我國經濟建設、國防建設的發展和科學技術的進步發揮更大的作用。

  GPS衛星定位技術與常規測量相比,具有以下優點:

1 GPS點之間不要求相互通視,對GPS網的幾何圖形也沒有嚴格的要求,因而使GPS點位的選擇更為靈活,可以自由布設。

2定位精度高。目前采用載波相位進行相對一位,精度 可達1ppm。

3 觀測速度快。目前,利用靜态定位方法,完成一條基線的相對定位所需要的,根據要觀測的精度不同,一般約為1-3h。如果采用快速靜态相對定位技術,觀測時間可縮短到數分鐘。

4 功能齊全。GPS測量可同時測定測點的平面位置和高程,采用實時動态測量可進行施工放樣。

5 操作簡便。GPS測量的自動化程度很高,作業員在觀測是隻需要安置和開啟、關閉儀器,量取天線高度,監視儀器的工作狀态及采集環境的氣象數據,而其它如捕獲、跟蹤觀測衛星和記錄觀測婁數據待一系列測量工作均由儀器自動完成。

6 全天候、全球性作業。由于GPS衛星有24顆而且分布合理,在地球任何地點、任何時間均可連續同步觀測到4項以上的衛星,因此在任何地點,任何時間均可進行GPS測量。GPS測量一般不受天氣況的影響。


GPS的開發過程

GPS的開發過程主要有三個階段:

  第一階段為方案論證和初步設計階段,從1973年到1979年,共發射了4顆試驗衛星,研制了地面接收機及建立地面跟蹤網,從硬件到軟件進行了試驗,結果令人滿意。

  第二階段為全面研制和試驗階段,從1979年到1984年,又陸續的發射了7顆試驗衛星。這一階段稱之為Block Ⅰ.與此同時,研制了各種用途的接收機,主要是導航型接收機,同時測地型接收機也相繼問世,試驗表明,GPS的定位精度遠遠超過設計标準。利用粗碼的定位精度幾乎提高了一個數量級,達到14m。由此證明GPS計劃是成功的。

  第三階段為實用網組網階段。1989年2月4日,第一顆GPS工作衛星發射成功,宣告了GPS系統進入了工程建設階段,這種工作衛星稱為Block Ⅱ和BlockⅡA型衛星。這兩組衛星差别是:Block Ⅱ隻能存儲14天用的導航電文(每天更新三次);而BlockⅡA衛星能存儲180天用的導航電文,确保在特殊情況下使用GPS衛星。實用的GPS網即(21+3)GPS星座已建立,今後将根據計劃更換失效的衛星。


GPS系統的組成

GPS系統由三部分組成,即空間部分,地面監控部分和用戶設備部分

一、空間部分

  GPS系統的空間部分是每指GPS工作衛星星座。GPS工作衛星星座由24顆衛星組成,其中21顆工作衛星和3顆備用衛星,均勻分布在6個軌道上。衛星軌道平面相對地球赤道的傾角為55°各個軌道平面之間交角為60°軌道平均高度20200km,衛星運行周期為11小時58分鐘,同一軌道上各衛星之間的交角為90°,GPS衛星的上述時空配置,保證了地球上任意地點,在任何時刻均至少可以同時觀測到4顆衛星,因而滿足精密導航和定位的需要。GPS衛星的主體呈圓柱形,直徑約為1.5m重約774kg(其中包括310kg燃料),兩側各安裝兩塊雙葉太陽能電池闆,能自動對日定向,以保證衛星正常工作的用電,每顆GPS衛星上裝有4台高精度的原子鐘,其中2台為铷鐘,2台為铯鐘。原子種為GPS定位提供高精度的時間标準。

GPS衛星的基本功能是:

1 執行地面監控站的控制指令,接收和儲存由地面監控站發來的導航信息;

2 向GPS用戶發送導航電文,年代導航和定位信息;

3 通過高精度原子鐘(铷鐘和铯鐘)向用戶提供精密的時間标準;

GPS衛星上設有微處理機,可進行必要的數據處理工作。并可根據地面監控站指令,調整衛星姿态、啟動備用衛星。

二 地面監控部分

  GPS地面監控部分目前由5 個地面站組成,包括主控站、信息注入站和監測站,主控站設在美國本土科羅拉多(Colorado Springs)的聯合空間執行中心CSOC,主控站除協調、管理所有的地面監控系統的工作外,其主要任務還有:

1 根據各監測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參數等,并把這數據傳送到注入站。

2 提供全球定位系統的時間蕨。務監測站和GPS衛星的原子鐘,均應與主控站的原子鐘同步,或觀出其間的鐘差,并将鐘差信息編入導航電文送到注入站。

3 調整偏離軌道的衛星,使之沿預定的軌道運行。

4 啟用備用衛星以取代失效的工作衛星。

  注入站現有3個,分别設在印度洋的疊哥加西亞(Diego Garcia)南在大西洋的阿松森島(Ascencion)的南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。注入站的主要設備,包括一台直徑為3.6m的天線,一台C波段發射機和一台計算機,其主要任務是在主控站的控制下,将主控站推算出和編制的衛星星曆,鐘差,導航電文和其它控制指令等注入到相應衛星的存儲系統。并監測注入信息的正确性。

監測站的主要任務是為主控站編算導航電文提供觀測數據,監測站現有5個,一控站、注入站兼做監測站,另外一個設在夏維夷。每個監測站均設有GPS接收機,對每顆可見衛星進行連續觀測,并采集氣象要素等數據。

  整個GPS地面監控部分,除主控站外均無人值守。各站間用現代化的通訊系統聯系在起來,在原子鐘和計算機的驅動和精确控制下,各項工作實現了高度的自動化和标準化。

三用戶設備部分

  GPS系統的用戶設備部分由GPS接收機硬件和相應的數據處理軟件以及微處理機及其終端設備組成,GPS接收機硬件包括接收機主機,天線和電源,它的主要功能是接收GPS衛星發射的信号,以獲得必要的導航和定位信息及觀測量,并經簡單數據處理而實現實時導航和定位。GPS軟件是指各種後處理軟件包,它通常由廠家提供,其主要作用是對觀測數據進行精加工,以便獲得精密定位結果。

GPS接收機的類型,一般可分為導航型、測量型和授時型三類,測量單位使用的GPS接收機一般為測量型。


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