GPS全球定位系统了解
[转贴 2009-10-06 12:19:45]
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泗洪中学学校于2009年10月进行了研究性学习,我们选择了GPS全球定位系统这一课题.在物理老师的指导下,经过近半年的学习,研究,调查.现对GPS全球定位系统的了解进行结题.下面是有关GPS的简介:
⒈GPS(Global Positioning System)是"全球定位系统"的简称,原本是美国国防部为其星球大战计划投资100多亿美元建立的,其作用是为美军方在全球的舰船,飞机导航并指挥陆军作战.在海湾战争中,涌现了大量高科技装备,GPS全球xxxx系统则是使用最为广泛的一种.
⒉PS全球定位系统是一项工程浩繁,耗资巨大的工程,被称为继阿波罗飞船登月,航天飞机之后的第三大空间工程.海湾战争期间,GPS系统尚未xx建成,但初步使用已显神威.随着1993年GPS太空卫星网的xx建成,其应用领域不断扩大.美国1994年宣布在10年内向全世界免费提供GPS全球定位系统的使用权,使世界各国争相利用这一系统.1996年2月29日,美国政府正式宣布将GPS开放为军民两用系统,但仍实行SA(可用性选择)政策,故意劣化定位精度,使民用用户的应用受到限制.直到2000年5月1日,美国总统宣布将SA置为零,这无疑在很大程度上促进了民用GPS应用的发展和普及.
⒊GPS业界流行这样一句话,"GPS的应用只受到人们想象力的限制".目前GPS的民用领域已经包括了陆地运输,海洋运输,民用航空,通信,测绘,建筑,采矿,农业,电力系统,医疗应用,科研,家电,娱乐等等.如今,GPS的定位精度范围已从10m级达到mm级.
⒋GPS是美国国防部发射的24颗卫星组成的全球定位,导航及授时系统.GPS之所以能够定位导航,是因为每台GPS接收机无论在任何时刻,在地球上任何位置都可以同时接收到最少4颗GPS卫星发送的空间轨道信息.接收机通过对接收到的每颗xxxxx信息的解算,便可确定该接收机的位置,从而提供高精度的三维(经度,纬度,高度)定位导航及授时信息.
⒌从整体上说,GPS主要由三大部分组成:空间部分,控制部分,用户部分.空间部分由卫星星座构成,控制部分由地面卫星控制中心进行管理;用户部分则由xx和民用研发厂商开发,销售,服务.空间部分和控制部分目前均由美国国防部掌握.
⒍无论从军事竞争的需要还是民用的需求分析,GPS皆已引起世界各国决策领导层的关心,他们都意识到,谁能拥有覆盖全球的GPS星际卫星网和GPS控制网络,谁就大大增强了国家基础实力和拥有了巨大的商业市场.前苏联早在1982年就开始建立自己的全球xxxx系统(GLONASS),后来俄罗斯继续执行这一系统工程计划,尽管前几年经济不太景气,也仍发射了9颗属于GLONASS 系统的全球导航卫星.而欧洲也加快步伐筹建自己的全球导航卫星系统----Galileo系统.
下面是有关GPS的发展:
在xxxx系统出现之前,远程导航与定位主要用无线导航系统.
1,无线电导航系统
● 罗兰--C:工作在100KHZ,由三个地面导航台组成,导航工作区域2000KM,一般精度200-300M.
● Omega(奥米茄):工作在十几千赫.由八个地面导航台组成,可覆盖全球.精度几英里.
● 多卜勒系统:利用多卜勒频移原理,通过测量其频移得到运动物参数(地速和偏流角),推算出飞行器位置,属自备式航位推算系统.误差随航程增加而累加.
缺点:覆盖的工作区域小;电波传播受大气影响;定位精度不高
2,xxxx系统
最早的xxxx系统是美国的子午仪系统(Transit),1958年研制,64年正式投入使用.由于该系统卫星数目较小(5-6颗),运行高度较低(平均1000KM),从地面站观测到卫星的时间隔较长(平均1.5h),因而它无法提供连续的实时三维导航,而且精度较低.为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求.1973年美国国防部制定了GPS计划.
GPS的特点与及组成:
GPS系统的特点:高精度,全天候,高效率,多功能,操作简便,应用广泛等.
1,定位精度高
应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6,100-500KM可达10-7,1000KM可达10-9.在300-1500M工程精密定位中,1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较,其边长较差{zd0}为0.5mm,校差中误差为0.3mm.
2,观测时间短
随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20KM以内相对静态定位,仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15KM以内时,流动站观测时间只需1-2分钟,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟.
3,测站间无须通视
GPS测量不要求测站之间互相通视,只需测站上空开阔即可,因此可节省大量的造标费用.由于无需点间通视,点位位置可根据需要,可稀可密,使选点工作甚为灵活,也可省去经典大地网中的传算点,过渡点的测量工作.
4,可提供三维坐标
经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测.GPS可同时xx测定测站点的三维坐标.目前GPS水准可满足四等水准测量的精度.
5,操作简便
随着GPS接收机不断改进,自动化程度越来越高,有的已达"傻瓜化"的程度;接收机的体积越来越小,重量越来越轻,极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度.使野外工作变得轻松愉快.
6,全天候作业
目前GPS观测可在{yt}24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜,起雾刮风,下雨下雪等气候的影响.
7,功能多,应用广
GPS系统包括三大部分:空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机.
GPS卫星星座
⒈由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,记作(21+3)GPS星座.24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角为55度,各个轨道平面之间相距60度,即轨道的升交点赤经各相差60度.每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度,一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度.
在两万公里高空的GPS卫星,当地球对恒星来说自转一周时,它们绕地球运行二周,即绕地球一周的时间为12恒星时.这样,对于地面观测者来说,每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星.位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同,最少可见到4颗,最多可见到11颗.在用GPS信号导航定位时,为了结算测站的三维坐标,必须观测4颗GPSxxxxxxx星座.这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响.对于某地某时,甚至不能测得xx的点位坐标,这种时间段叫做"间隙段".但这种时间间隙段是很短暂的,并不影响全球绝大多数地方的全天候,高精度,连续实时的导航定位测量.GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同.
2,地面监控系统
对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点.星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的.每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的.卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制.地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统.这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差.然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备.GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站,三个注入站和五个监测站.
3,GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是:能够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,位置,甚至三维速度和时间.
GPS卫星发送的导航定位信号,是一种可供无数用户共享的信息资源.对于陆地,海洋和空间的广大用户,只要用户拥有能够接收,跟踪,变换和测量GPS信号的接收设备,即GPS信号接收机.可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量.根据使用目的的不同,用户要求的GPS信号接收机也各有差异.目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机,产品也有几百种.这些产品可以按照原理,用途,功能等来分类.
静态定位中,GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变,接收机高精度地测量GPS信号的传播时间,利用GPS卫星在轨的已知位置,解算出接收机天线所在位置的三维坐标.而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹.GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰,空中的飞机,行走的车辆等).载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动,接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度).
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包,构成完整的GPS用户设备.GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分.对于测地型接收机来说,两个单元一般分成两个独立的部件,观测时将天线单元安置在测站上,接收单元置于测站附近的适当地方,用电缆线将两者连接成一个整机.也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体,观测时将其安置在测站点上.
GPS接收机一般用蓄电池做电源.同时采用机内机外两种直流电源.设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测.在用机外电池的过程中,机内电池自动充电.关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止丢失数据.
近几年,国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机.各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时,其双频接收机精度可达5MM+1PPM.D,单频接收机在一定距离内精度可达10MM+2PPM.D.用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级.
目前,各种类型的GPS接收机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测.GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世.
GPS的用途:
1,GPS的最初用途
GPS最初就是为军方提供xx定位而建立的,至今它仍然由美国军方控制.xxGPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标,给海中的军舰导航,为xx飞机提供位置和导航信息等.
2,GPS系统用途广泛
目前,GPS系统的应用已将十分广泛,我们可以应用GPS信号可以进行海,空和陆地的导航,导弹的制导,大地测量和工程测量的精密定位,时间的传递和速度的测量等.对于测绘领域,GPSxxxx技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网,测定全球性的地球动态参数;用于建立陆地海洋大地测量基准,进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘;用于监测地球板块运动状态和地壳形变;用于工程测量,成为建立城市与工程控制网的主要手段.用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置,实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图,导致地理信息系统,全球环境遥感监测的技术革命.
许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置,这一般需要借助无线通信技术.一些GPS接收器集成了收音机,无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要.
3,多元化空间资源环境的出现
目前,GPS,GLONASS,INMARSAT等系统都具备了导航定位功能,形成了多元化的空间资源环境.这一多元化的空间资源环境,促使国际民间形成了一个共同的策略,即一方面对现有系统充分利用,一方面积极筹建民间GNSS系统,待到2010年前后,GNSS纯民间系统建成,全球将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势,才能从根本上摆脱对单一系统的依赖,形成国际共有,国际共享的安全资源环境.世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的{zg}应用境界.国际民间的这一策略,反过来有影响和迫使美国对其GPS使用政策作出更开放的调整.总之,由于多元化空间资源环境的确立,给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境.
4,发展GPS产业
今后GPS将像目前汽车,无线电通信等一样形成产业化.美国已将广域增强系统WAAS(即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送,使地球同步卫星也具有C/A码功能,形成广域GPS增强系统)计划发展成国际标准.我国目前也有一些单位生产车载GPS系统.为发展我国的GPS产业,武汉已经成立中国GPS工程中心.
5,GPS的应用将进入人们的日常生活
最近几年,越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了.随着技术的进步,这些设备的功能越来越完善,几乎每月都有新的功能出现,但价格在下跌,尺寸也越来越小了.两三年前GPS设备还像艺术品一样令人望而却步,而现在消费者终于可以拥有一款梦想已久的GPS接收器了,还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能.
消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等,它们基本上都有12个并行通道和数据功能.有些甚至能与便携电脑相连,可以上传/下载GPS信息,并且使用xx到街道级的地图软件,可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航.
GPS信号接收机在人们生活中的应用,是一个难以用数字预测的广阔天地,手表式的GPS接收机,将成为旅游者的忠实导游.尽管目前大多数人还不知道什麽是GPS,但有人预言,GPS将改变我们的生活方式.今后,所有运载器,都将依赖于GPS.GPS就象移动电话,传真机,计算机互联网对我们生活的影响一样,人们日常生活将离不开它.
现在对GPS的进一步应用和发展:
新中国成立后,我国的航天科技事业在自力更生,艰苦创业的征途上,逐步建立和发展,跻身于世界先进水平的行列,成为世界空间强国之一.从1970年4月把{dy}颗人造卫星送入轨道以来,我国已成功地发射了三十多颗不同类型的人造卫星,为空间大地测量工作的开展创造了有利条件.
70年代后期,有关单位在从事多年理论研究的同时,引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器.其中有人卫摄影仪,卫星激光测距仪和多普勒接收机.根据多年的观测实践,完成了全国天文大地网的整体平差,建立了1980年国家大地坐标系,进行了南海群岛的联测.
80年代初,我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术.十多年来,我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作.80年代中期,我国引进GPS接收机,并应用于各个领域.同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统.至今十多年来,据有关人士估计,目前我国的GPS接收机拥有量约在4万台左右,其中测量类约500—700台,航空类约几百台,航海类约3万多台,车载类数千台.而且以每年两万台的速度增加.足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性.
在大地测量方面,利用GPS技术开展国际联测,建立全球性大地控制网,提供高精度的地心坐标,测定和精华大地水准面.组织各部门(10多个单位,30多台GPS双频接收机)参加革命992年全国GPS定位大会战.经过数据处理,GPS网点地心坐标精度优于0.2M,点间位置精度优于10-8.在我国建成了平均边长约定100KM的GPS A级网,提供了亚米级精度地心坐标基准.此后,在A级网的基础上,我国又布设了边长为此30—100KM的B级网,全国约法三章2500个点.A,B级GPS网点都联厕了几何水准.这样,就为我国各部门的测绘工作,建立各级测量控制网,提供了高精度的平面和高程三维基准.我国已完成西沙,南沙群岛各岛屿与大陆的GPS联测,使海岛与全国大地网联成一整体.
在工程测量方面,应用GPS静态相对定位技术,布设精密工程控制网,用于城市和矿区油田地面沉降监测,大坝变形监测,高层建筑变形监测,隧道贯通测量等精密工程.加密测图控制点,应用GPS实时动态定位技术(简称RTK)测绘各种比例尺地形图和用于施工放样.
在航空摄影测量方面,我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量,航摄飞行导航,机载GPS航测等航测成图的各个阶段.
在地球动力学方面,GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测.我国已开始用兵GPS技术监测南极洲板块运动,青藏高原地壳运动,四川鲜水河地壳断裂运动,建立了中国地壳形变观测网,三峡库区形变观测网,首都圈GPS形变监测网等.GPS技术已经用于海洋测量,水下地形测绘.我国的《全球定位系统(GPS)测量规范》已于己于人1992年10月1日起实施.
此外,在军事部门,交通部门,邮电部门,地矿,煤矿,石油,建筑以及农业,气象,土地管理,金融,公安等部门和行业,在航空航天,测时授时,物理探矿,姿态测定等领域,也都开展了GPS技术的研究和应用.
在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究,研制开发了GPS静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件.在理论研究与应用开发的同时,培养和造就了一大批技术人才和产业队伍.
近几年,我国已建成了北京,武汉,上海,西安,拉萨,乌鲁木齐等{yj}性的GPS跟踪站,进行对GPS卫星的精密定轨,为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务,致力于我国自主的广域差分GPS(WADGPS)方案的建立,参与全球导航卫星系统(GNSS)和GPS增强系统(WAAS)的筹建.同时,我国已着手建立自己的卫星导航系统(双星定位系统),能够生产导航型GPS接收机.GPS技术的应用正向更深层次发展.
为适应GPS技术的应用与发展,1995年成立了中国GPS协会,协会下设四个专业委员会,希望通过广泛的交流与合作,发展我国的GPS应用技术.
以上就是我们对GPS全球定位系统的了解,通过这次的研究性学习,我们知道了GPS的组成,发展以及应用,从而让我们对GPS更加的了解,明白GPS在生活中的应用和有害和有利的方面.在这次研究行学习中我们可以说是受益匪浅,即从中学习了很多知识和体会到GPS也是一个很有趣的一个高科举的发明,我想,我们这组在这次的研究性学习中,算是成功的!
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