什么是全球定位系統(GPS)

GPS（Globe Positioning System）即指全球定位系統，是美國20世紀三大空間技術之一（另兩大技術是航天飛機和阿波羅登月計劃），是當今世界航天航空技術、無線電通訊技術和計算機技術的綜合結晶。

GPS系統由美國發射的24顆導航衛星構成的空間部分和分布在世界各地的地面監控部分組成。衛星的分布使得地球上任何位置都可同時觀測到4顆以上的衛星。各星不斷將自身參數、測距碼發往地面，用戶使用GPS接收機接收相應信號，并按一定準則解算出接收天線處的位置和速度等，從而實現對物體定位跟蹤。

1.發展歷史

五十年代未，原蘇聯發射了人類的第一顆人造地球衛星，美國科學家在對其的跟蹤研究中，發現了多普勒頻移現象，并利用該原理促成了多普勒衛星導航定位系統TRANsIT的建成，在軍事和民用方面取得了極大的成功，是導航定位史上的一次飛躍，我國也曾引進了多臺多普勒接收機，應用于海島聯測、地球勘探等領域。但由于多普勒衛星軌道高度低、信號載波頻率低，軌道精度難以提高，使得定位精度較低，以滿足大地測量或工程測量的要求，更不可能用于天文地球動力學研究。為了提高衛星定位的精度，美國從1973 年開始籌建全球定位系統GPS（Global Positioning System）。在進過了方案論證、系統試驗階段后，于1989年開始發射正式工作衛星，并于1994年全部建成，投入使用，歷時20年，耗資200億美元，是具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。

2.基本組成

GPS系統包括三大部分：空間星座部分——GPS衛星；地面控制部分——地面監控系統；用戶設備部分——GPS信號接收機。

(1)空間星座部分

按目前的方案，全球定位系統的空間部分使用21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座，記作（21+3）GPS星座，高度約2.02萬千米，均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。

衛星向地面發射兩個波段的載波信號，載波信號頻率分別為1575.442兆 赫茲（L1波段）和1227.6兆赫茲（L2波段），衛星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩定性，在載波上調制有表示衛星位置 的廣播星歷，用于測距的C/A碼和P碼，以及其它系統信息，能在全球范圍內，向任意多用 戶提供高精度的、全天候的、連續的、實時的三維測速、三維定位和授時。

(2)地面控制部分

GPS系統的控制部分由設在美國本土的四個監控站、一個上行注入站和一個主控站組成。監控站的主要任務是取得衛星觀測數據并將這些數據傳送至主控站。

主控站設在范登堡空軍基地，主要任務是收集各監控站對GPS衛星的全部觀測數據，利用這些數據計算每顆GPS衛星的軌道和衛星鐘改正值。

上行注入站也設在范登堡空軍基地，它的任務主要是在每顆衛星運行至上空時把這類導航數據及主控站的指令注入到衛星。

(3)用戶設備部分

用戶接收機：GPS 接收機能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號， 并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星 到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出用戶接收機所處的三維位置，位置，甚至三維速度和時間。

GPS衛星發送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備，即GPS信號接收機?？梢栽谌魏螘r候用GPS信號進行導航定位測量。根據使用目的的不同，用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產GPS接收機，產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。

3.定位原理

按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據一臺接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）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的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位。

在GPS觀測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時還要受到衛星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應選用雙頻接收機。

由于衛星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X,Y,Z）?？紤]到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。

事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星，這時，接收機可按衛星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技術，建立基準站（差分臺）進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，并對外發布。接收機收到該修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

（1）偽距法：一般民用導航使用

GPS接收機根據接收所選衛星發來得導航信息和星鐘校正參數的時間，能算出接收機到衛星的"距離"如果測量到三顆衛星的"距離"：，則分別以三顆衛星發射時刻的衛星位置（按發射的星歷參數確定）為中心，根據測得的"距離"畫出三個球，其交點便是用戶的三維位置。

但是由于接收機的本機鐘對星載原子鐘存在偏差，上面所測的"距離"并不能代表衛星到接收機的真實距離。人們把這種距離稱做"偽距離"（簡稱偽距），偽距法由此得來,對第I顆星來說，偽距RI的表達式為：RI=Ri+c△tai+c(△tui-△tsi) 式中：Ri ---真距， c---光速， △tai---信號傳播延時， △tui---用戶鐘相對于GPS時間的偏差， △tsi---衛星鐘相對于GPS時間的偏差。

正因為用戶鐘與GPS時間不能精確同步，故每次測量總會有一個固定的偏差，這種偏差使定位產生不定性。如果我們再測量一個到第四顆衛星的偽距，則這時由用戶鐘偏差造成的定位不定性就產生一個由四個相交球面所圍成的誤差體積。我們從每個偽距測量中加上或減去這個固定值就消去了該固定體積，結果得到四個球面相交與一點，這就是用戶的三維位置。實際上，這只要觀測至四顆衛星的偽距并接收衛星的導航信息，解算四個方程就可得到。這種方法主要用于實時導航

（2）差分法：GPS定位是利用一組衛星的偽距、星歷、衛星發射時間等觀測量來實現的，同時還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地面點的三維坐標，必須對4顆衛星進行測量。在這一定位過程中，存在著三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機所公有的，例如，衛星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內部噪聲、通道延遲、多徑效應等。利用差分技術，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決于基準接收機和用戶接收機的距離，第三部分誤差則無法消除。差分工作時需要一部位于已知精確位置的差分基準接收機，它對由GPS導出的解（位置或距離數據）與基準臺（接收機）已知位置或距離數據比較，然后將修正項發給用戶，以便修正用戶本身的解。DGPS可消去公共性誤差（衛星誤差、大氣層效應誤差）。由于SA對測量的影響像一種慢變化的偏差，在近距離內相同，故差分校正也可將其消去。工作時，在一個地區（可達幾百公里范圍）設置一臺差分基準臺即可。利用C/A碼可獲得米級的定時定位精度，而利用載波相位數據可達毫米級。

（3）雙頻法：在GPS觀測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時還要受到衛星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應選用雙頻接收機。

（4）其它：其他提高精度技術：

有聯測定位技術；偽衛星技術；無碼GPS技術；GPS測角技術；精密星歷使用技術；反SA技術；GPS/GLONASS組合接收技術；GPS組合導航技術等。

4.應用領域

GPS的應用領域：

（1）民用領域

車輛自導航：車船管理調度－在出租車行業、長途運輸業、租車服務業等將能夠對車輛進行跟蹤、調度管理。在擁擠的停車場、火車調度場能夠準確地確定車輛的位置，有效地調動車輛。

郵遞服務：對重要的貨物、包裹與信函等進行跟蹤、引導與保護。對貨場物品入庫與出庫的調度能有效地確定貨物的存放地點，提高出貨效率，增加管理手段、避免積壓。

民航運輸：使飛機著陸時駕駛員通過儀表操作對準跑道。

漁業生產：GPS能滿足漁獵對定位的要求。同時能為捕魚船隊在法律上避免發生捕魚邊界的糾紛，提高在經濟專屬區的作業效率。

公路水路維護：能準確地引導維護人員調查需維護的交通設施。

火警、警察、救護的應急調遣：提高緊急事件處理部門對火災現場、犯罪現場、交通事故現場、交通堵塞等緊急事件的響應效率。

E－911：美國通訊委員會（FCC）要求將所有的移動電話安裝無線電定位裝置，以便用戶在通過移動電話向911請求幫助時可找到用戶位置，實現快速援助。GPS將是滿足FCC要求的一種精確、成本低廉的方式。

搜索與求援：將更加有效地對在人跡罕至、條件惡劣的航海、登山探險、滑雪、沙漠作業中失蹤的人員進行求援搜索。

道路支持：車在路上壞了時，將提高救援車輛找到你的效率。

突發事件臨戰狀態準備：如在洪水發生時，需要快速地為救災工作做好準備，如繪制洪水邊界圖、排洪國界圖、排洪通道、防洪大堤的調查。

可隨時查找運輸車輛的當前位置，可獲得車輛的定位數據和狀態信息。實施跟蹤一個或多個指定的運輸車輛，使它們落在電子地圖的窗口內?？稍O定跟蹤優先級和時間間隔對目標進行跟蹤。對車輛跟蹤形成直觀的運行軌跡。

（2）軍用領域

GPS是自動化指揮系統、先進武器系統及新的戰役戰術理論的一項關鍵性基本保障技術，能為地面車輛、人員以及航空、航海、航天等領域的飛機、船只、潛艇、衛星、航天飛機進行導航定位；武器發射、偵察、飛機進場著陸、交通管制、搜索營救，戰場部隊、車輛以及單兵定位；精確制導導彈打擊目標坐標定位及彈道導引。

5.GPS系統主要特點

(1) GPS系統的實時導航定位精度很高。美國在1992年起實行了所謂的SA政策，即降低廣播星歷中衛星位置的精度，降低星鐘改正數的精度，對衛星基準頻率加上高頻的抖動（使偽距和相位的量測精度降低），后又實行了A-S政策，即將P碼改變為Y碼，即對精密偽距測量進一步限制，而美國軍方和特許用戶不受這些政策的影響，但美國為了獲得更大的商業利益，這些政策終將被取消

(2)全球全天候連續無源。GPS能為全球任何地點或近地空間的各類用戶提供連續的全天候全球導航能力。用戶不發射信號，因而用戶數量無限。

(3)用途廣泛。GPS是軍民兩用的系統，其應用范圍將極其廣泛。

它以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點，成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科。

6.GPS的干擾問題

GPS信號很弱，易于干擾。一家俄羅斯公司提供的一種4瓦功率的手持GPS干擾機，不到4000美元就買得到。如果從零售電子商店購買部件組裝，花400美元就可以造一個干擾半徑16千米以上的干擾機。

伊拉克戰爭開戰之前，美國就已經預料到伊拉克方面會干擾GPS信號。美國其實早已經給其GPS炸彈和導彈裝載了抗干擾技術，使這些GPS導引的武器能夠在干擾的情況下繼續使用GPS信號；即使GPS信號丟失，這些武器還可以使用自身的其它導引系統如慣性導航、激光制導等，使自己到達目標。

不過，美國軍方以及軍事分析家都認為，GPS導引武器的精度還依賴人的因素。操作手用GPS進行精確瞄準的能力，取決于他獲得精確情報的能力。

作為GPS現代化計劃和NAVWAR計劃的組成部分，美國正在研究各種變通辦法。最明顯的一個提高抗干擾性能的方法是提供來自GPS衛星的發射功率。

NAVSTAR GPS聯合項目辦公室系統項目主管2002年5月宣布，根據目前的發射計劃，GPS的衛星信號將在2009年內得到有效的加強。到2003年或2004年空軍將開始發射比目前軌道上的衛星信號強10分貝的GPS衛星。然而GPS用戶必須一次從四個衛星上得到信號。

2003財年預算包含了加強GPS信號的資金。如果得到國會通過，首顆具有更強信號的衛星將在2003年后半年或2004年前期發射。目前的星座包括4顆Block II衛星、18顆Block IIA和6顆Block IIR。另外26個GPS-IIF和IIR衛星正在制造中，其中至少20顆的信號得到加強。首顆Block IIF衛星將在2005年晚些時候發射。

提高GPS衛星的發射功率還不能解決抗干擾的全部問題，還必須提高海陸空用戶端的GPS抗干擾能力。用戶設備抗干擾技術主要分成兩類：

(1) 一類是能夠在保持或放大GPS信號的同時降低干擾機功率；

(2) 另一類是通過接收機內的先進信號處理(即處理增益)來提高信噪比。

在降低干擾機功率的先進技術中，最有前景的是原本研制用于雷達的一種技術，即所謂空間-時間自適應處理。本技法的一個相近變種是空間-頻率自適應處理，在頻域提供等效的處理。這些技法有希望是因為它們協調運用了空間與時間資源去最優地攻擊多個干擾機。