全球定位系统

发布网友发布时间：2022-04-21 21:54

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热心网友时间：2023-07-20 16:06

GPS具有定位的高度灵活性和高精度、快速、提供三维坐标、全天候作业、操作简便以及全球连续覆盖等特点，已经成为获取现势空间数据的重要手段，广泛应用于土地资源调查和空间定位数据的采集。

（一）GPS发展概况

在卫星定位系统出现之前，无线导航系统是远程导航与定位最主要的工具。无线电导航系统的缺点是覆盖的工作区域小，电波传播易受大气影响，定位精度不高。

1958年开始研制、1964年正式投入使用的美国的子午仪系统（Transit）是全球最早的卫星定位系统。由于该系统卫星数目较少，不超过6颗，运行高度较低（平均1000千米），从地面站观测到卫星的时间间隔较长（平均l.5小时），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。

全球定位系统是1973年美国国防部制定的计划，从20世纪70年代开始研制，历时20年，于1994年全面建成，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS网络由24颗卫星组成。这些卫星不中断地向地面站发回精确的时间信息和它们的位置信息。GPS接收器利用GPS卫星发送的信号确定卫星在太空中的位置，并根据无线电波传送的时间来计算它们间的距离，计算出至少3～4颗卫星的相对位置后，GPS接收器就可以用三角学来算出自己的位置。每个GPS卫星都有4个高精度的原子钟，同时还有一个实时更新的数据库，记载着其他卫星的现在位置和运行轨迹。当GPS接收器确定了一个卫星的位置时，它可以下载其他所有卫星的位置信息，这有助于它更快地得到所需的其他卫星的信息。

目前，全球有几套GPS系统处于运行状态，包括美国、俄罗斯的GLONASS、欧洲空间局的Galileo以及我国的北斗系统。

（二）美国GPS系统

美国的GPS主要由三大部分构成——空间部分、地面站和用户。空间部分是由24颗卫星组成的覆盖全球的卫星网络，这些卫星处于离地面约2万千米的圆轨道上。轨道面的倾角为63°，系统*有3条升交点赤径相互相差120°的轨道，每条轨道上均匀分布8颗卫星，相邻两轨道上卫星相隔30°。卫星姿态采用三轴稳定方式，以便保证卫星上导航天线的辐射口总是对准地面。卫星上工作频率为2200～2300兆赫兹的遥测发射机，把卫星的各种遥测数据发送到地面站组。卫星上的接收机接收地面站向卫星发送的频率为1750～1850兆赫兹的导航信息，包括时钟校正参量、大气校正参量、卫星星座及全部24颗卫星的历书等。卫星接收机也接收来自地面站组的控制指令。

卫星上装有稳定度为1×10-13的精密原子钟，各卫星的原子钟相互同步，并与地面站组的原子钟同步。这样建立起GPS系统的精密时系，称为GPS时。向地面发送的星历就是以GPS时为基础和顺序发射的。发射双频是为了校正电离层产生的附加延时。

目前GPS系统提供的定位精度优于10米，而为得到更高的定位精度，通常采用差分GPS技术将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

（三）俄罗斯GLONASS

GLONASS是前苏联从20世纪80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16米，垂直方向为25米。

GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定*，质量1400千克，设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。

GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100千米，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。

与美国的GPS系统不同的是，GLONASS系统采用频分多址（FDMA）方式，根据载波频率来区分不同卫星；GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星。每颗GLONASS卫星发射的两种载波的频率分别为L1=1602+0.5625k（兆赫兹）和L2=1246＋0.4375k（兆赫兹），其中k（l～24）为每颗卫星的频率编号，所有GPS卫星的载波频率相同，均为L1=1575.42兆赫兹和L2=1227.6兆赫兹。

为进一步提高GLONASS系统的定位能力，开拓广大的民用市场，俄罗斯采取了与美国GPS系统不同的*，即对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放*。并计划用4年时间将其更新为GLONASS-M系统，改进一些地面测控站设施，将卫星的在轨寿命延长到8年，实现系统的高定位精度，位置精度提高到10～15米，定时精度提高到20～30纳秒，速度精度达到0.01米/秒。

GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的测量应用、GIS应用和时频应用等。

（四）欧洲空间局Galileo系统

欧盟于2002年3月底正式批准启动“伽利略”全球卫星导航定位系统计划。根据计划，该系统的第一颗卫星于2004年发射升空，至2008年共发射30颗卫星以构建整个导航系统网络。2002～2005年第一阶段的投资达到11亿欧元，其中欧盟承担一半，另外一半由欧洲空间局承担。

Galileo是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，同时将实现完全非军方控制和管理。Galileo能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用一个接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求，Galileo可以分发实时的米级定位精度信息，这是现有的卫星导航系统不具备的。

Galileo由空间部分、地面部分和用户三部分组成。空间部分由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有10颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用，轨道面倾角56°。地面部分包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施和地面管理机构。用户端主要就是用户接收机及其等同产品。Galileo将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此，用户接收机将是多用途、兼容性接收机。

除了导航、定位、授时等基本服务，Galileo还提供搜索与救援（SAR功能）等特殊服务。该系统可在铁路安全运行调度、海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业以及飞机导航和着陆系统中应用。

（五）我国的“北斗”系统

我国的GPS技术研究起步于20世纪80年代，进入90年代，GPS技术研究、开发和应用取得了长足的进展。

1983年，我国科学家提出了利用两颗同步定点卫星进行定位导航的设想，这一系统称为“双星定位系统”。1993年我国进一步进行了“双星定位系统”的试验工作，1994年正式立项，2003年我国成功地将第三颗“北斗”一号导航定位卫星送上太空，它的准确入轨标志着我国已成功建立了自主的卫星导航系统——第一代北斗卫星导航定位系统。

北斗卫星导航系统由空间卫星、地面控制中心站和用户终端三部分构成。空间部分即“北斗”一号，由两颗工作卫星和一颗备份卫星组成，2003年发射的是备份卫星，两颗定位卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射。

用户利用一代“北斗”系统定位，首先向地面中心站发出请求，地面中心站再发出信号，分别经两颗卫星反射传至用户，地面中心站通过计算两种途径所需时间即可完成定位。一代“北斗”系统与GPS系统不同，对所有用户位置的计算不是在卫星上进行，而是在地面中心站完成的。因此，地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监控管理。

“北斗”系统采用的是有源定位，GPS和GLONASS等都是无源定位，这是它们本质上的不同点。所谓有源定位就是用户需要通过地面中心站联系导航定位卫星，而无源定位是用户直接与卫星联络确定自己的位置。GPS和GLONASS的主要功能都是定位和授时，应该说，从用户获得这两项服务的便利程度和精确程度来看，一代“北斗”系统还处于劣势。但“北斗”系统比这两种全球定位系统多了一项通讯功能。2010年前，集无源定位和有源定位于一体的我国导航定位系统——二代“北斗”将建成，届时，国民经济各领域都将从中获得更大的效益。

土壤学研究有大量的野外工作，在GPS进入民用阶段以前，野外的定位采用罗盘、气压计、米尺等设备，这些方法定位速度慢、精度差、可重复性低，不利于长期的定位研究。GPS的出现克服了这些缺点，不仅可以快速、高精度地定位，还可以与GIS及RS结合，直接生成新的数据资源，动态、快速地更新土壤资源数据以及土地利用的准实时现状。