全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS及其在現(xiàn)代交通運(yùn)輸中的應(yīng)用

　　一、全球定位系統(tǒng)GPS簡(jiǎn)介

　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是美軍70年代初在“子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航定位”技術(shù)上發(fā)展而起的具有全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng)。GPS由三大子系統(tǒng)構(gòu)成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收系統(tǒng)。

　　空間衛(wèi)星系統(tǒng)空間衛(wèi)星系統(tǒng)由均勻分布在6個(gè)軌道平面上的24顆高軌道工作衛(wèi)星構(gòu)成，各軌道平面相對(duì)于赤道平面的傾角為550，軌道平面間距600。在每一軌道平面內(nèi)，各衛(wèi)星升交角距差900，任一軌道上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道上的相應(yīng)衛(wèi)星超前300。事實(shí)上，空間衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量要超過(guò)24顆，以便及時(shí)更換老化或損壞的衛(wèi)星，保障系統(tǒng)正常工作。該衛(wèi)星系統(tǒng)能夠保證在地球的任一地點(diǎn)向使用者提供4顆以上可視衛(wèi)星。

　　空間系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星每12小時(shí)（恒星時(shí)）沿近圓形軌道繞地球一周，由星載高精度原子鐘（基頻F=10.23MHZ）控制無(wú)線電發(fā)射機(jī)在“低噪音窗口”（無(wú)線電窗口中，2至8區(qū)間的頻區(qū)天線噪聲最低的一段是空間遙測(cè)及射電干涉測(cè)量?jī)?yōu)先選用頻段）附近發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球的用戶接收系統(tǒng)連續(xù)地播發(fā)GPS導(dǎo)航信號(hào)。GPS工作衛(wèi)星組網(wǎng)保障全球任一時(shí)刻、任一地點(diǎn)都可對(duì)4顆以上的衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)（最多可達(dá)11顆），實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)地導(dǎo)航和定位。

　　GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導(dǎo)航電文是一種不歸零的二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼D（t），碼率fd=50HZ.為了節(jié)省衛(wèi)星的電能、增強(qiáng)GPS信號(hào)的抗干擾性、保密性，實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星通訊，GPS衛(wèi)星采用偽噪聲碼對(duì)D碼作二級(jí)調(diào)制，即先將D碼調(diào)制成偽噪聲碼（P碼和C/A碼），再將上述兩噪聲碼調(diào)制在L1、L2兩載波上，形成向用戶發(fā)射的GPS射電信號(hào)。因此，GPS信號(hào)包括兩種載波（L1、L2）和兩種偽噪聲碼（P碼、C/A碼）。這四種GPS信號(hào)的頻率皆源于10.23MHZ（星載原子鐘的基頻）的基準(zhǔn)頻率?；鶞?zhǔn)頻率與各信號(hào)頻率之間存在一定的比例。其中，P碼為精確碼，美國(guó)為了自身的利益，只供美國(guó)軍方、政府機(jī)關(guān)以及得到美國(guó)政府批準(zhǔn)的民用用戶使用，C/A碼為粗碼，其定位和時(shí)間精度均低于P碼，目前，全世界的民用客戶均可不受限制地免費(fèi)使用。

　　地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍基地上的5個(gè)監(jiān)測(cè)站、一個(gè)主控站和三個(gè)注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：對(duì)空間衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導(dǎo)航電文。

　　地面監(jiān)控系統(tǒng)各站的主要任務(wù)是：

　　監(jiān)測(cè)站用GPS接收系統(tǒng)測(cè)量每顆衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象數(shù)據(jù)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送給主控點(diǎn)。5個(gè)監(jiān)控站均為無(wú)人守值的數(shù)據(jù)采集中心。

　　主控站主控站接收各監(jiān)測(cè)站的GPS衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、各監(jiān)測(cè)站和注入站自身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述各類數(shù)據(jù)，完成以下幾項(xiàng)工作：

　　及時(shí)編算每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文并傳送給注入站……控制和協(xié)調(diào)監(jiān)測(cè)站間、注入站間的工作，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)給了GPS用戶系統(tǒng)……診斷衛(wèi)星工作狀態(tài)，改變偏離軌道的衛(wèi)星位置及姿態(tài)，調(diào)整備用衛(wèi)星取代失效衛(wèi)星。

　　注入站接受主控站送達(dá)的各衛(wèi)星導(dǎo)航電文并將之注入飛越其上空的每顆衛(wèi)星。

　　用戶接收系統(tǒng)用戶接收系統(tǒng)主要由以無(wú)線電傳感和計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐的GPS衛(wèi)星接收機(jī)和GPS數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。

　　GPS接收機(jī)GPS衛(wèi)星接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元兩部分。天線單元的主要作用是：當(dāng)GPS衛(wèi)星從地平線上升起時(shí)，能捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收放大GPS信號(hào)。接收單元的主要作用是：記錄GPS信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，解求信號(hào)在站星間的傳播時(shí)間和載波相位差，實(shí)時(shí)地獲得導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)或采用測(cè)后處理的方式，獲得定位、測(cè)速、定時(shí)等數(shù)據(jù)。

　　微處理器是GPS接收機(jī)的核心，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的管理、控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。視屏監(jiān)控器是接收機(jī)與操作者進(jìn)行人機(jī)交流的部件。

　　目前，國(guó)際上已推出幾十種測(cè)量用GPS接收機(jī)，各廠商的產(chǎn)品朝著實(shí)用、輕便、易于操作、美觀價(jià)廉的方向發(fā)展。

　　GPS數(shù)據(jù)處理軟件GPS數(shù)據(jù)處理軟件是GPS用戶系統(tǒng)的重要部分，其主要功能是對(duì)GPS接收機(jī)獲取的衛(wèi)星測(cè)量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行“粗加工”、“預(yù)處理”，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及分析綜合處理。解得測(cè)站的三維坐標(biāo)，測(cè)體的坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)速度、方向及精確時(shí)刻。

　　GPS定位技術(shù)是正在發(fā)展中的高新技術(shù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)也處在不斷更新之中，各系列GPS接收機(jī)制造廠家研制的處理軟件也各具特色。

　　GPS定位的基本方法GPS定位采用空間被動(dòng)式測(cè)量原理，即在測(cè)站上安置GPS用戶接收系統(tǒng)，以各種可能的方式接收GPS衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送的各類信號(hào)，由計(jì)算機(jī)求解站星關(guān)系和測(cè)站的三維坐標(biāo)。

　　由對(duì)GPS信號(hào)觀測(cè)量的不同，GPS定位的基本方法有以下幾種形式：

　　偽距測(cè)量。載波相位測(cè)量。多普勒測(cè)量。衛(wèi)星射電干涉測(cè)量

　　為了精密定位，一臺(tái)GPS接收機(jī)往往不是單純采用一種測(cè)量方式，而是以某種方式為主，并輔以其他方法。

　　目前，全球定位系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍事和民用等眾多領(lǐng)域中。GPS技術(shù)按待定點(diǎn)的狀態(tài)分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位兩大類。靜態(tài)定位是指待定點(diǎn)的位置在觀測(cè)過(guò)程中固定不變的，如GPS在大地測(cè)量中的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)定位是指待定點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)載體上，在觀測(cè)過(guò)程中是變化的，如GPS在船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用。靜態(tài)相對(duì)定位的精度一般在幾毫米幾厘米范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的精度一般在幾厘米到幾米范圍內(nèi)。對(duì)GPS信號(hào)的處理從時(shí)間上劃分為實(shí)時(shí)處理及后處理。實(shí)時(shí)處理就是一邊接收衛(wèi)星信號(hào)一邊進(jìn)行計(jì)算，獲得目前所處的位置、速度及時(shí)間等信息；后處理是指把衛(wèi)星信號(hào)記錄在一定的介質(zhì)上，回到室內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一般來(lái)說(shuō)，靜態(tài)定位用戶多采用后處理，動(dòng)態(tài)定位用戶采用實(shí)時(shí)處理或后處理。

　　二、GPS在

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