1、專題三：地理信息系統理論與應用研究2004-2006一、 GPS概述全球定位系統( Global Positioning System, 簡稱GPS) 由美國國防部為滿足軍事部門對陸地、海上和空中的設施進行高精度導航和定位的要求而建立的, 是以人造衛星組網為基礎的無線電導航系統1。GPS從1973年美國國防部正式提出到1993年底建成,歷時20年。GPS的應用價值極高,所以成為美國政府繼阿波羅登月計劃和航天 飛機計劃之后的第三 大空間計劃。它從根本上解決了人類在地球上定位和導航的問題。GPS 實施計劃共分3個階段: 第一階段：方案論證和初步設計階段。從1973 年到 1979 年共發射了4顆試

2、驗衛星, 研制了地面接收機及建立地面跟蹤網; 第二階段：全面研制和試驗階段。從 1979 年到 1984年又陸續發射了 7顆試驗衛星, 研制了各種用途接收機。實驗表明, GPS定位精度遠遠超過設計標準; 第三階段：實用組網階段。1989 年 2 月 4日第一顆 GPS 工作衛星發射成功, 表明 GPS 系統進入工程建設階段。1993 年底使用的 GPS 網即( 21+3) GPS 星座已經建成, 今后將根據計劃更換失效的衛星2。隨著人類文明的不斷進步和科學技術的快速發展, 從原始時期的找方向、領路, 發展到后來的陸基導航, 以致現在的全球衛星導航定位系統, 可以說這是幾千年人類社會進步的一個縮

3、影, 它是伴隨著人們生產、生活的需要而發展起來的。目前, 世界上共有四套衛星導航定位系統, 包括已投入運行的GPS、GLONASS 和正在建設中 Galileo 等三套全球衛星導航定位系統和我國的區域性北斗衛星導航定位系統。這些衛星導航系統在給人們帶來極大的方便、造福于人類的同時, 它已形成為一個新興產業并成為 21 世紀最熱門的投資領域之一, 它是繼通信、互聯網之后的第三個高新技術的經濟增長點, 已在北美、歐洲以及其它地區得到了廣泛的應用并產生了巨大的經濟效益。顯而易見, 建設衛星導航定位系統不僅經濟效益顯著, 而且更是一個國家國防能力和綜合實力的重要體現3。二、 GPS的組成GPS 主要由

4、空間衛星星座、地面監控站及用戶設備3 部分構成。1、 GPS 空間衛星星座由 21顆工作衛星和 3 顆在軌備用衛星組成。24 顆衛星均勻分布在 6個軌道平面內,軌道平面的傾角為 55 , 衛星的平均高度為 20200 km, 運行周期為 11 h 58 min。衛星用 L 波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續不斷地發送導航定位信號, 導航定位信號中含有衛星的位置信息, 使衛星成為一個動態的已知點。在地球的任何地點、任何時刻, 在高度角 15 以上,平均可同時觀測到 6 顆衛星, 最多可達到 9 顆。2、 GPS 地面監控站主要由分布在全球的 1個主控站、3個注入站和 5個監測站組成。主控站根據各

5、監測站對 GPS 衛星的觀測數據, 計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等, 并將這些數據編制成導航電文, 傳送到注入站, 再由注入站將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器中。3、GPS 用戶設備由 GPS 接收機、數據處理軟件及其終端設備(如計算機)等組成。GPS 接收機可捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號, 跟蹤衛星的運行, 并對信號進行交換、放大和處理, 再通過計算機和相應軟件, 經基線解算、網平差, 求出 GPS 接收機中心( 測站點)的三維坐標4。三、 GPS的定位原理1、GPS接收機可分為導航型和大地型，用于測量的GPS接收機為大地型，至少需要兩臺，一臺為基準站設在已

6、知點上，另一臺為移動站設在要測定的點或要放樣的點上，基準站和移動站同時接收衛星信號基準站向移動站發射一個載波相位數據，利用后方交會的原理，測量出移動站GPS移動站的位置。基準站與移動站之間無需通視，基準站與移動站之間的工作距離一般可達2-4km如基準站設在較高的已知點(如高樓的頂上)，工作距離可達10km以上，因此非常適用于遠離現有測量控制網的地區進行測量作業5。但是, 針對不同的領域和用戶的不同要求, 需要采用的具體測量方法是不一樣的。一般來說, GPS 測量模式可分為靜態測量和動態測量兩種模式, 而靜態測量模式又分常規靜態測量模式和快速靜態測量模式, 動態測量模式分為準動態測量模式和實時動

7、態測量模式, 實時動態測量模式分 DGPS 和 RTK 方式。2、GPS 導航定位是在陸基導航、空間技術、大地測量、通訊和計算機等技術的基礎上發展起來的現代星基導航技術。它的最基本的任務是確定客體在空間中的位置定位, 隨之可求得瞬時速度、加速度、時間等參量, 進而實現導航。所以 GPS 定位既是最基本的、也是最重要的6。圖 1 GPS 定位原理圖GPS 定位是根據測量中的距離交會定點原理實現的。如圖 1 所示, 在待測點 A 設置 GPS 接收機, 在某一時刻同時接收到 3 顆( 或 3 顆以上) 衛星 W、P、Q 所發出的信號。通過數據處理和計算, 可求得該時刻接收機天線中心( 測站點) 至

8、衛星的距離 S1、S2、S3。根據衛星星歷可查到該時刻 3 顆衛星的三維坐標( Xj, Yj, Zj) , j= 1,2, 3, 從而由坐標公式解算出 A 點的三維坐標( X, Y, Z)。 GPS 系統常用的坐標系統有 WGS84( Geodical System84 即世界大地坐標系84) 、1954 年北京坐標系、1980 年西安大地坐標系。然后根據坐標系統間的轉換參數進行坐標系統的變換求出所使用的坐標系統的坐標7。四、 GPS獨特的優點如前所述，GPS的接收機可分為導航型和大地型。GPS 的問世標志著星基導航技術發展到了一個輝煌的時代，大地型主要用于測量，與其它測量導航系統相比, GP

9、S 具有一些明顯的特點和優勢:( 1) 測量精度高。GPS 可提供高精度的三維坐標、三維速度和時間信息, 采用差分技術其定位精度為厘米級, 速度誤差，小于0.01m/s, 授時精度達到 20ns。( 2) 測站間無需通視。GPS 測量不需要測站間相互通視, 可根據實際需要確定點位,使得選點工作更加靈活方便。( 3) 觀測時間短。隨著GPS 系統的不斷完善和軟件的不斷更新, 一般靜態定位僅需幾分鐘; 在流動站與基準站相距在15km 以內的差分定位中, 流動站觀測時間只需 1-2min; 完成一次快速的動態定位或測速僅需數秒鐘。( 4) 儀器操作簡便。目前 GPS 接收機自動化程度越來越高, 操作

10、日趨智能化。觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機后設定參數, 接收機即可進行自動觀測和記錄。( 5) 全天候作業。GPS 衛星數目多, 且分布均勻, 可保證在任何時間、任何地點連續進行觀測, 一般不受天氣狀況的影響。( 6) 提供三維坐標。GPS 測量可同時精確測定測站點的三維坐標, 其高程精度已可滿足4等水準測量的要求。( 7)全球性。由于 GPS 衛星的分布合理, 全球覆蓋率達 98%, 在覆蓋范圍內的地球上任何地點均可連續同步地觀測到至少 4 顆衛星;(8)應用廣泛。可用于與定位、導航、授時有關的所有應用, 是繼通信、互聯網之后的第三大高科技應用技術。五、 GPS定位的方式與方法依據

11、上述 GPS 定位原理, 人們在實踐中已研發出了多鐘 GPS 定位的方式與方法, 在實際的測量中可根據不同用途單獨采用某一種, 也可組合應用。2004年，丁柏群在“全球定位系統及其在智能運輸系統中的應用與發展”中提出GP S 定位方式分為單點定位和相對定位( 差分定位) 。1、單點定位是根據一臺接收機的觀測數據來確定接收機在地心坐標中的絕對位置, 只能采用偽距觀測量, 可用于車船等的概略導航定位;2 、相對定位是根據兩臺以上接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置, 通常是將一臺接收機安置在地面已知位置上作為基準點, 并與控制范圍內所有待測點的接收機地行同步觀測, 既可采用偽距觀測量也可采用

12、相位觀測量, 大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位8。2006年，劉美生在論文中提出GPS 定位的方式與方法按不同標準可作如下劃分:1、根據定位時接收機的運動狀態可分為靜態定位和動態定位；（1）靜態定位是在定位的整個過程中保持接收機天線的位置固定不變, 即在數據處理時將接收機天線的位置作為一個不隨時間改變的量。靜態定位一般用于高精度的定位測量。（2）動態定位接收機的天線位置在觀測過程中是隨時間變化的。動態定位是在運動狀態下實時地測定運動客體位置的一種定位方法, 接收機天線位置在觀測過程中是隨時間變化的。與靜態定位相比, 它具有用戶廣泛性、定位實時性、速度范圍寬等顯著特點。2、根據定

13、位所采用的觀測值可分為偽距定位和載波相位定位；（1）偽距定位是采用 C/A 碼偽距或 P 碼偽距為觀測值的定位, 優點是數據處理簡單, 定位條件要求低,不存在整周模糊度的問題; 不足是觀測精度低。（2）載波相位定位是采用載波相位觀測值進行定位, 由于載波信號的波長短, 所以定位精度高, 一般能達到厘米量級; 其缺點是數據處理復雜, 存在整周模糊度的問題。3、根據定位的模式可分為單點定位和多點相對定位；（1）單點定位采用一臺接收機進行定位; 特點是速度快, 無多值問題, 作業簡單, 外業觀測的組織及實施較為方便; 缺點是由于受鐘差、傳播誤差等影響,定位精度低, 所以它適合于一般導航和精度要求不高

14、的應用。（2）相對定位又稱為差分定位, 采用多臺接收機對同一組衛星進行觀測, 可以獲得較高的定位精度。其做法是將一臺 GPS 接收機安置在基準站上進行觀測, 然后根據基準站已知的精確坐標, 計算出基準站到衛星距離的校正數據, 同時由基準站實時將這一數據發送出去。用戶在用另一臺或數臺接收機進行 GPS 觀測的同時, 也能接收到基準站發出的校正數據, 并對其定位結果進行自動校正,從而提高測定的精度。差分 GPS 定位技術可分為單站差分( 僅用于較小范圍的測定) 、局部區域差分( 用于較大范圍的區域測定) 和廣域差分( 一國或幾個國家范圍的廣大區域) 3大類。單站差分GPS 技術比較成熟, 系統結構

15、和算法簡單, 應用較廣。它以基準站發送信息的方式不同又分為位置差分、偽距差分和載波相位差分 3 種。位置差分和偽距差分可達到米級定位精度, 前者僅適用于100 km 以內的較小范圍, 后者則是應用最為廣泛的一種差分 GPS 技術。載波相位差分又稱RTK( Real Time Kinematic) 技術, 可使定位精度達到厘米級, 常用于精度要求極高的應用領域, 如海上精密定位、地形測圖和地籍測繪等9。六、 GPS的兩種服務與SA政策1、兩種服務GPS 按精度的不同提供民用的標準定位( SPS, Standard Positioning Service)和軍規的精密定位( PPS, Precis

16、e Positioning Service)兩類服務。SPS 的主要對象是民用, 采用 C/A 碼粗碼定位, 定位精度為 20m。PPS 主要用于美國和盟軍的軍事部門及特許部門, 采用 P碼精碼定位, 單點定位精度可達到 5m。2、SA 政策(選擇可用性 Selective Availability)在 GPS 系統建成后,實際的 C/A 碼定位精度遠高于設計指標,達到 20m 內。于是美國基于保障軍事上的安全和自身利益, 對非特許用戶采取了 SA 政策, 即對衛星星歷信號進行隨機干擾,人為地給衛星基準信號引入了一個高頻抖動干擾和降低軌道參數的精度, 使其定位精度降為水平 100m、垂直150

17、m。但人們研制了差分技術予以彌補, 又提高到10m 左右, 于是 2000 年 5 月 1 日克林頓政府決定取消 SA 政策, 因此現在民用的定位精度也可達到20m 左右。七、 應用實例隨著全球定位系統的不斷改進,硬、軟件的不斷完善,其應用領域還在不斷地擴大,目前已遍及國民經濟各個部門,并開始逐步深人人們的日常生活。GPS技術已經廣泛地應用于海空導航、車輛導行、導彈制導、工程測量、設計、施工、驗收等幾乎所有的領域。2004-2006年，全球定位系統的應用主要集中在以下方面：1、在工程測量中的應用。在洛陽市高層次人才居住區的道路設計的控制量中采用了全球定位系統測量技術，按照分層布網、兩級控制的原

18、則，對兩級網點分別進行了GPS靜態測量、動態測量，用打的測量法對其中部分網點進行了校驗，對GPS的測量死角網點用打的測量法進行了測量。測量實踐表明：GPS測量具有精度高、成本低、選點靈活、時間短的優點。2、在地球動力學方面的應用。從八十年代中期開始,在地殼運動觀測中引進了 GPS技術。目前, GPS技術已成為一種成熟的地形變測量的觀測技術, 使地球動力學的研究取得了突破性的進展10。3、在退耕還林工程建設中的應用。在林生態建設中的應用發展主要表現在一些地方的森林分類經營、造林普查、森林資源清查、森林防火和生態環境監測等方面都有應用成功。當前，GPS主要應用于退耕還林工程規劃設計和檢查驗收過程中

19、的小班定位和面機測定。4、在智能運輸系統中的應用與發展。智能運輸系統是綜合運用計算機、通信、自動控制、系統工程、交通工程等高新技術,對傳統的交通運輸系統及管理方式進行整合、改造和更新, 從而形成準確、高效、安全、智能化、低污染的現代綜合交通運輸系統。它諸多管理控制措施的實施, 如車輛導航、車輛運營管理等都必須以車輛的定時定位為前提; 而GPS 技術恰恰為車輛定位提供了一種現實可靠的手段, 它不僅能夠實現實時定位、提高定位準確度,而且能夠實現交通個體定位, 形成個體位置信息網絡, 從而為實現針對個體交通分散選擇行為的分布式管理控制提供基本的可能性。GPS主要應用在車輛智能導航、車輛運營管理、特種

20、車輛指揮調度、道路交通量監測、道路結構物監測等方面。 5、在土地資源動態監測中的應用。傳統的土地變更調查方法定位不準、誤差大。GPS 具有速度快、精度高、成本低、操作簡便等特點,在 GPS 外業測量中, 合理選用在數據采集、數據處理和數據質量等方面達到精度要求的 GPS 接收機和數據采集方法可以有效地提高內、外業工作效率和數據精度。全球定位系統完全可以作為一種成熟技術應用于土地資源動態監測中。6、在汽車上的應用。隨著GPS在民用領域的發展及應用,汽車行業也已經開始利用GPS對移動的汽車進行實時測,構成自動車輛定位/導航系統。汽車導航系統由GPS、車載部分和主控中心等組成。7、在城市控制測量中的

21、應用。GPS 定位技術已經取代了經典的測量方法。2004 年 10月,為了滿足市規劃區范圍不斷擴大及發展的要求,該市城鄉規劃局委托我方采用GPS全球定位技術,在市規劃區內建立 D 級GPS控制網,以滿足城市遠景規劃建設需要。控制面積約為 48 平方公里,于2004 年11月底完成 D 級 G PS 控制網的野外數據采集和內業數據處理工作。GPS 靜態定位測量流程如圖 8、在變電站中的應用。電力系統故障分析依靠2個方面: 一是故障錄波, 二是時間基準。微機保護及錄波裝置的應用已經比較全面地記錄了故障信息, 但時間基準的不統一給故障分析特別是故障綜合分析帶來了極大的不便。所以,提供標準時間的時鐘成

22、為變電站乃至整個電力系統的迫切需要。全球定位系( GPS)具有全天候、時間精度高等優點, 已經在國防、航海、航空、探測等各領域得到廣泛應用。全球定位系統可以為各個變電站提供統一的時鐘, 這為變電站及電力系統統一授時提供了基本的條件。農網、城網的逐步完善, 電力系統自動化程度的日益提高, 數字通信的發展等都為電子系統統一授時的實現提供了可能。9、在農業中的應用。農業生產的根本目的是增加產量、提高效益與改善環境。要達到這一目的, 除了適時調整農業結構、引種優質高產新品種、科學施肥與強化田間管理等傳統措施外, 還應從宏觀角度對農業資源進行全面、系統、有效的監管和調配, 以便使有限的資源發揮出最大的效

23、益, 同時又能確保資源實現可持續發展, 這就需要及時獲取準確、適時、動態的農業資源空間信息。由于 GPS 在獲取空間信息方面有著其它技術不可比擬的優勢, 與遙感技術( RS) 、地理信息系統( GIS) 結合使用，在農業中的應用前景將極為廣闊。主要體現在土地利用動態監測、田間管理、土壤質量動態監測中的應用等。10、在鐵路中的應用。隨著我國鐵路事業的高速發展，特別是在提高運輸效率，保證安全暢通的前提下，更能體現GPS這一高新技術的優越性。GPS在鐵路系統中的應用主要表現在鐵路測量、鐵路鋪軌作業、救援列車、高速安全保障、鐵路物流、調度系統中的應用。11、在航海領域中的應用。如今的航海已經十分依賴G

24、PS。不論是大洋航行、船舶轉向,還是記中午船位、推算船位、對時、撥鐘,甚至拋錨都使用。可以看出,在船舶航海中的重要性。GPS的出現,解決了全天候的實時船位,船舶可隨時記 取GPS船位。船舶拋錨時,先選好錨位,量出錨位經緯度,朝著錨位開去,GPS顯示進錨位,拋錨。在進出港時,由于有限的航道和有限的時間,尤其是船只交會的時候,可以選用差分GPS來保證導航的精度，避免擱淺和碰撞。八、我國GPS現狀及挑戰 從發展趨勢來看, 國內GPS 市場呈現出兩個重點:(1)以車載導航為核心的移動目標監控、管理與服務系統在GPS 應用領域中, 車輛應用所占的比例較大。最初GPS車輛應用一般分為車輛跟蹤、車輛導航兩大

25、系統。但當Motolora推出將車輛導航與跟蹤集于一體的車輛信息系統后, 它就成了發展的方向。(2)面向個人消費者的GPS 終端產品芯片的小型化技術、生產成本的降低、體積與耗電量的減小等有利因素, 使GPS 產品走下神壇、深入到人們的日常生活中。目前面向個人消費者的產品主要有車載自主導航系統、移動監控終端以及消費類電子產品。 面臨的挑戰：第一是美國GPS 政策的制約。由于GPS 在軍事上具有重要的價值,美國政府規定只有美國及其盟國的軍方用戶才能不受限制的使用該系統,而未經授權的廣大用戶只能部分地使用該系統。第二是低層次的技術開發,低層次的家戶應用。我國目前GPS 應用主要涉及靜態、低精度、非實

26、時的定位,這是GPS 的低層次技術應用。應對措施：建立自己的差分GPS 技術系統。九、GPS的發展及趨勢隨著 GPS 等衛星導航技術的快速發展和廣泛應用,面對各國( 地區) 都想建立自己獨立的衛星導航定位系統的發展趨勢和日趨激烈的競爭局面,美國采取的戰略是在技術上領先、在新領域新業務的拓展上先發制人,這也可能是美國人在GPS的發展上唯一的最佳選擇。所以,美國在加強與俄羅斯應用合作的同時, 提出了稱為“GPS現代化”的計劃并正在加緊實施。GPS現代化的實質是要滿足21世紀美國國防現代化發展的需要,加強GPS對美軍現代化的支撐,在技術上、經濟上保持 GPS 在該領域中的持續領先。其內涵: 一是保護

27、。 要更好地保護美國軍方和友好方的使用; 大力開發抗干擾技術, 提高抗干擾能力。二是阻止。創造新的干擾技術, 阻擾和阻止敵方使用 GPS; 美國軍方已掌握了 SA 的施加技術, 可在局部區域內實施 SA 政策; 美國已開發出只有可口可樂瓶大小的、足以使敵方無法接收 GPS信號的干擾機。三是保持、改善和加強民用導航定位的應用, 保持 GPS 在全球定位導航領域中的領導地位。GPS 現代化的實施分為三個階段:第一階段是發射 12 顆改進型的 BLOCK 型衛星, 提高發射功率, 增加發射第二民用碼和新的軍碼( M碼) 。第二階段是到 2008 年至少有 18 顆具有第三民用頻率( L5 頻道) 的更新型 BLOCK F 衛星投入運行, 保證 M碼的全球覆蓋; 到 2016 年 GPS 系統將全部采用 BLOCKF 衛星。第三階段是計劃用 20 年的時間完成 GPS 衛星的研發, 全面提升 GPS 系統的技術水平, 即改變GPS 體系結構, 衛星壽命為 15- 20 年, 分辨率比目前衛星高 10 倍, 抗干擾能力提高 100- 500 倍, 采用更先進的加密技術; 與之配套的 GPS 接收機將具有較強的抗干擾能力和反欺騙模式。參考文獻：1 郭曉虹、孫紫英等. 全球定位系統