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全球卫星定位系统简介(一)——GPS系统(美国)

2019-04-09 09:12:20 目录:默认 卫星定位系统

美国GPS系统示意图(图片来自网络)

       全球卫星定位系统共有四大系统,包括我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧洲的伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system)。作为全球四大卫星导航系统之一,美国的GPS(Global Positioning System)应用广泛,在全球占有重要地位,下面将从定义、定位原理、组成、特点等方面对其简要介绍:

1. GPS定义

       GPS系统是由美国国防部的陆海空三军在70年代联合研制的新型卫星导航系统,它的英文名称是 “Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Positioning System”,其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”,简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统,具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能,能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。

2. GPS定位原理

       GPS的定位原理实质上就是测量学的空间测距定位,利用在平均20200km高空均匀分布在6个轨道上的24颗卫星,发射测距信号码和载波,用户通过接收机接收这些信号测量卫星至接收机之距,通过一系列方程演算,便可知地面点位坐标。

3. GPS组成

       GPS由三部分组成:GPS空间部分、地基监控组和GPS用户接收机部分。

       GPS空间部分原本设计由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成。卫星分布可保证全球任何地区、任何时刻都不少于4颗卫星供观测。24颗卫星中3颗作为备份。每个轨道平面上有4颗卫星,它们按与地球成55°的相同方向运行,空间间隔约为90°。通过测量这些卫星到达的时间,用户可以用4颗卫星确定4个导航参数:纬度、经度、高度和时间。2011年6月,美国空军成功扩展GPS卫星,整调6颗卫星的位置,并加入多3颗卫星。这使工作卫星的数目增加至27颗,扩大了GPS系统的覆盖范围,并提高了准确度。截至2018年10月18日,在轨的工作卫星共有31颗,不包括备用卫星。

       地基监控站由一个主控站和四个监察远控站组成。主控站设置在美国大陆,四个监控站分别设在大西洋、太平洋和印度洋诉岛屿上。

       用户接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置,以实现定位和导航。GPS接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。

4. GPS特点

       美国的GPS全球覆盖率高达98%。GPS系统是全天候,不易受任何天气的影响,三维定点定速定时高精度,测站间无需进行通讯,具有快速、省时、高效率的特点,应用广泛、多功、可移动定位。

5. GPS缺陷以及现代化计划

       随着科学技术的不断发展,相比于目前多个世界大国正在积极建设的其它卫星导航系统,GPS系统正日益显现出其在很多方面的固有缺陷。卫星导航信号的强度微弱,容易受到多径、噪声、干扰等因素的影响,难以穿透城市建筑遮挡,无法满足日益旺盛的室内定位导航需求;信号公开,容易受到干扰,由于P码信号不对民用用户开放,限制了GPS单点定位精度的提高;地面监控系统担负着编算和注入导航电文的重要任务, 一旦地面监控系统受到破坏或受到信息安全攻击,则很难保证系统导航服务的可靠性。为避免其在卫星导航领域内的垄断地位受到挑战,美国启动了GPS现代化计划,优化星座布局,积极开展相关导航卫星的退役和增补,全力研制生产下一代也就是第三代GPS卫星—GPS III,以及加快新一代GPS地面系统即GPS OCX的开发和部署工作。

       顺便提一下,3月末美国民用全球卫星导航定位系统(GPS)服务接口委员会(CGSIC)正式发出预警称,GPS周计数将在4月6日迎来第二次周溢出而导致周计数翻转。为避免不良影响,按自然资源部加强测绘地理信息公共服务的要求,自然资源部所属中国测绘科学研究院国家测绘地理信息计量站(国家光电测距仪检测中心)即日起至今年6月30日,作为国家级法定计量检定技术机构将为国内GPS接收机用户提供免费技术服务,帮助检测用户设备是否会发生故障,以便采取应对措施。(责任编辑邵鹤楠,荣誉主编李志民)

 

参考资料: 1.http://www.xinhuanet.com/tech/2019-03/27/c_1124291816.htm 2.https://www.secrss.com/articles/8195 3.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E7%90%83%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B3%BB%E7%BB%9F

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    工作单位:中国科技论文在线名誉主编

    所属领域:地球资源与环境 工程与技术

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