GPS全球定位系統

王富德+姚佩航+史浩明

摘 要：經濟的發展，技術的提升，使高科技的技術已深入千家萬戶。其中，最值得一提的是，美國從20世紀70年代開始研制的耗時200億美元于1994年完成的全球衛星定位系統，且基于這個系統，很多的產品也應運而生。它帶來的產品已經走入了人們的生活了，成為人們生活中不可或缺的一部分。

關鍵詞：GPS全球定位系統；GPS導航；應用前景

1 GPS全球定位系統概述

GPS，又稱為全球定位系統（Global Positioning System GPS），是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年3月完成其整體部署實現其全天候、高精度和全球的覆蓋能力的全球衛星定位系統。現在，GPS與現代通信技術相結合，使得測定地球表面三維坐標的方法從靜態發展到動態，從數據后處理發展到實時的定位與導航，極大地擴展了它的應用廣度和深度。載波相位差分法GPS技術可以極大提高相對定位精度，在小范圍內可以達到厘米級精度。此外，由于GPS測量技術對測點間的通視和幾何圖形等方面的要求比常規測量方法靈活、方便，已完全可以用來施測各種等級地控制網。GPS全站儀的發展在地形和土地測量以及各種工程、變形、地表沉陷監測中已經得到廣泛應用，在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優越性。

2 GPS的組成以及其用途

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

2.1 空間部分——GPS衛星星座

由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。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點赤經各相差60度。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度，一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。此外，還有4顆有源備份衛星在軌運行。衛星分布在地球的任何一個地方，任何時間都可觀測到4顆以上的衛星，并能保持良好定位，解算精度的幾何圖像。

這就為監控地球外部的云層變化提供了方便，天氣預報能更加及時、迅速地抓取到每一個時刻的天氣變化，為人們的出行提供天氣保障。GPS空間部分不僅僅為天氣預報做準備，而且滲透在各個方面，人們對外太空的探索、了解地球等諸多方面都做出了不可限量的一部分。

2.2 地面控制部分——地面監控系統

地面控制部分由一個主控站、5個全球監測站和3個地面控制站組成。監測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續測量到所有可見衛星的接收機。監測站將取得的衛星觀測數據，包括電離層和氣象數據，經過初步處理后，傳送到主控站。主控站從各監測站收集跟蹤數據，計算出衛星的軌道和時鐘參數，然后將結果送到3個地面控制站。地面控制站在每顆衛星運行至上空時，把這些導航數據及主控站指令注入衛星。這種注入對每顆GPS衛星每天一次，并在衛星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。如果某地面站發生故障，那么在衛星中預存的導航信息還可用一段時間，但導航精度會逐漸降低。

如此強大的地面監控系統為GPS定位做出了功不可沒的貢獻，當今世界GPS定位，深入在人們各個領域，騰訊QQ、微信、百度糯米等都應用了GPS技術，都依賴于其強大的技術為用戶提供最便捷的服務。并且，人們也習慣了這樣的推薦，愛上了這樣的日子，好像手機知道自己去哪里，手機就是一個人工地圖，再也不怕丟失在一個陌生的城市。

2.3 用戶設備部分——GPS信號接收機

用戶設備部分，即GPS信號接收機，其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，即可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在于，更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后，機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。目前，各種類型的接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。

GPS信號接收機，使得在荒野的人們能找到自己的位置，對自己所處的地方進行大致的了解，這個為喜歡探險與未知地帶的人們提供了方便，是戶外探險必不可少的設備。同時，在軍事方面，為士兵深入荒野作戰提供了便捷等，它已經深入在全球各個領域。

3 GPS全球定位系統的應用前景

GPS全球定位系統的應用前景是無限的，而且會越來越好。無論是在人們的生活方面、國家的軍事方面、天文方面、醫療方面等，其潛力是無可限量的。生活方面，百度地圖、高德地圖這些APP為人們進行導航，在陌生的地方尋求目標；駕車出游靠手機導航，尋求最近的路線，查看最新的路況，制定最佳的出行路線，近年來，汽車業的飛速發展，特別是私家車的日益普及，催生了GPS車載導航系統這一巨大市場；通過GPS確定對方的位置，讓兩個身處陌生地方的兩個人能夠確定對方的位置。軍事方面，交戰雙方通過GPS對所在的地形進行了解，找到有利于本方的地理位置，找尋對方的根據地，深入敵方內部進行致命打擊。天文學方面，了解未知的宇宙世界，對陌生的星球，通過GPS對星球的表面進行拍攝，通過拍攝到的圖片讓地球上的人對該星球進行探索。

4 結語

隨著GPS技術的不斷發展，未來，人們對GPS導航的需求已從最基本的行車導航、路口轉彎提示等基礎功能，向實時信息和增值服務等基于用戶體驗的功能轉變。GPS衛星導航與無線通信技術相結合，如GPS接收機嵌入到手機移動電話、便攜式PC、PDA和手表等通信、安全和消費類電子產品中，從根本上促進IT技術的整體發展，已成為未來GPS技術發展的一個重要方向。手機等智能設備與GPS的融合是未來的一個重要發展方向。目前，國內外手機生產廠商都表現出對手機與GPS融合趨勢的普遍認同，包括諾基亞、三星、索愛、摩托羅拉都發布了支持GPS導航功能的最新手機產品。同時，手機生產廠商們也把進一步加強手機的GPS導航功能，作為未來展開競爭的一個砝碼。

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