GPS全球定位系統(tǒng)

王富德+姚佩航+史浩明

摘 要：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的提升，使高科技的技術(shù)已深入千家萬(wàn)戶(hù)。其中，最值得一提的是，美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制的耗時(shí)200億美元于1994年完成的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，且基于這個(gè)系統(tǒng)，很多的產(chǎn)品也應(yīng)運(yùn)而生。它帶來(lái)的產(chǎn)品已經(jīng)走入了人們的生活了，成為人們生活中不可或缺的一部分。

關(guān)鍵詞：GPS全球定位系統(tǒng)；GPS導(dǎo)航；應(yīng)用前景

1 GPS全球定位系統(tǒng)概述

GPS，又稱(chēng)為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System GPS），是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年3月完成其整體部署實(shí)現(xiàn)其全天候、高精度和全球的覆蓋能力的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)?，F(xiàn)在，GPS與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，使得測(cè)定地球表面三維坐標(biāo)的方法從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)，從數(shù)據(jù)后處理發(fā)展到實(shí)時(shí)的定位與導(dǎo)航，極大地?cái)U(kuò)展了它的應(yīng)用廣度和深度。載波相位差分法GPS技術(shù)可以極大提高相對(duì)定位精度，在小范圍內(nèi)可以達(dá)到厘米級(jí)精度。此外，由于GPS測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)間的通視和幾何圖形等方面的要求比常規(guī)測(cè)量方法靈活、方便，已完全可以用來(lái)施測(cè)各種等級(jí)地控制網(wǎng)。GPS全站儀的發(fā)展在地形和土地測(cè)量以及各種工程、變形、地表沉陷監(jiān)測(cè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優(yōu)越性。

2 GPS的組成以及其用途

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶(hù)設(shè)備部分——GPS信號(hào)接收機(jī)。

2.1 空間部分——GPS衛(wèi)星星座

由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。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個(gè)軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。此外，還有4顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星分布在地球的任何一個(gè)地方，任何時(shí)間都可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位，解算精度的幾何圖像。

這就為監(jiān)控地球外部的云層變化提供了方便，天氣預(yù)報(bào)能更加及時(shí)、迅速地抓取到每一個(gè)時(shí)刻的天氣變化，為人們的出行提供天氣保障。GPS空間部分不僅僅為天氣預(yù)報(bào)做準(zhǔn)備，而且滲透在各個(gè)方面，人們對(duì)外太空的探索、了解地球等諸多方面都做出了不可限量的一部分。

2.2 地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面控制部分由一個(gè)主控站、5個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面控制站組成。監(jiān)測(cè)站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測(cè)量到所有可見(jiàn)衛(wèi)星的接收機(jī)。監(jiān)測(cè)站將取得的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括電離層和氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)初步處理后，傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測(cè)站收集跟蹤數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù)，然后將結(jié)果送到3個(gè)地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)，把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天一次，并在衛(wèi)星離開(kāi)注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障，那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時(shí)間，但導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。

如此強(qiáng)大的地面監(jiān)控系統(tǒng)為GPS定位做出了功不可沒(méi)的貢獻(xiàn)，當(dāng)今世界GPS定位，深入在人們各個(gè)領(lǐng)域，騰訊QQ、微信、百度糯米等都應(yīng)用了GPS技術(shù)，都依賴(lài)于其強(qiáng)大的技術(shù)為用戶(hù)提供最便捷的服務(wù)。并且，人們也習(xí)慣了這樣的推薦，愛(ài)上了這樣的日子，好像手機(jī)知道自己去哪里，手機(jī)就是一個(gè)人工地圖，再也不怕丟失在一個(gè)陌生的城市。

2.3 用戶(hù)設(shè)備部分——GPS信號(hào)接收機(jī)

用戶(hù)設(shè)備部分，即GPS信號(hào)接收機(jī)，其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，即可測(cè)量出接收天線(xiàn)至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶(hù)所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶(hù)設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線(xiàn)單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于，更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前，各種類(lèi)型的接收機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)使用。

GPS信號(hào)接收機(jī)，使得在荒野的人們能找到自己的位置，對(duì)自己所處的地方進(jìn)行大致的了解，這個(gè)為喜歡探險(xiǎn)與未知地帶的人們提供了方便，是戶(hù)外探險(xiǎn)必不可少的設(shè)備。同時(shí)，在軍事方面，為士兵深入荒野作戰(zhàn)提供了便捷等，它已經(jīng)深入在全球各個(gè)領(lǐng)域。

3 GPS全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用前景

GPS全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用前景是無(wú)限的，而且會(huì)越來(lái)越好。無(wú)論是在人們的生活方面、國(guó)家的軍事方面、天文方面、醫(yī)療方面等，其潛力是無(wú)可限量的。生活方面，百度地圖、高德地圖這些APP為人們進(jìn)行導(dǎo)航，在陌生的地方尋求目標(biāo)；駕車(chē)出游靠手機(jī)導(dǎo)航，尋求最近的路線(xiàn)，查看最新的路況，制定最佳的出行路線(xiàn)，近年來(lái)，汽車(chē)業(yè)的飛速發(fā)展，特別是私家車(chē)的日益普及，催生了GPS車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)這一巨大市場(chǎng)；通過(guò)GPS確定對(duì)方的位置，讓兩個(gè)身處陌生地方的兩個(gè)人能夠確定對(duì)方的位置。軍事方面，交戰(zhàn)雙方通過(guò)GPS對(duì)所在的地形進(jìn)行了解，找到有利于本方的地理位置，找尋對(duì)方的根據(jù)地，深入敵方內(nèi)部進(jìn)行致命打擊。天文學(xué)方面，了解未知的宇宙世界，對(duì)陌生的星球，通過(guò)GPS對(duì)星球的表面進(jìn)行拍攝，通過(guò)拍攝到的圖片讓地球上的人對(duì)該星球進(jìn)行探索。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)，人們對(duì)GPS導(dǎo)航的需求已從最基本的行車(chē)導(dǎo)航、路口轉(zhuǎn)彎提示等基礎(chǔ)功能，向?qū)崟r(shí)信息和增值服務(wù)等基于用戶(hù)體驗(yàn)的功能轉(zhuǎn)變。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結(jié)合，如GPS接收機(jī)嵌入到手機(jī)移動(dòng)電話(huà)、便攜式PC、PDA和手表等通信、安全和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中，從根本上促進(jìn)IT技術(shù)的整體發(fā)展，已成為未來(lái)GPS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。手機(jī)等智能設(shè)備與GPS的融合是未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前，國(guó)內(nèi)外手機(jī)生產(chǎn)廠商都表現(xiàn)出對(duì)手機(jī)與GPS融合趨勢(shì)的普遍認(rèn)同，包括諾基亞、三星、索愛(ài)、摩托羅拉都發(fā)布了支持GPS導(dǎo)航功能的最新手機(jī)產(chǎn)品。同時(shí)，手機(jī)生產(chǎn)廠商們也把進(jìn)一步加強(qiáng)手機(jī)的GPS導(dǎo)航功能，作為未來(lái)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)砝碼。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉基余. GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2] 劉基余，李征航.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[M].北京：測(cè)繪出版社，1993.

[3] 王惠南. GPS導(dǎo)航原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4] 賈金玲.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001.

[5] 潘永雄.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[6] 劉建軍.無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)在鐵路通信中的應(yīng)用與發(fā)展[J].華章，2011（20）：247.