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定位系統

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中文名；定位系統 外文名；Global Positioning System 應 用；船舶，汽車，飛機 簡 稱；GPS

定位系統是以確定空間位置為目標而構成的相互關聯的一個集合體或裝置（部件）。這個系統可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到至少4顆衛星，以保證衛星可以採集到該觀測點的經緯度和高度，以便實現導航、定位、授時等功能。這項技術可以用來引導飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿着選定的路線，準時到達目的地。 主流定位系統除美國的GPS外，還有中國的北斗衛星導航系統、歐盟的伽利略衛星導航系統、俄羅斯全球導航衛星系統等。 全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）是一個由覆蓋全球的24顆衛星組成的衛星系統，是美國第二代衛星導航系統在子午儀衛星導航系統的基礎上發展起來的，它採納了子午儀系統的成功經驗。和子午儀系統一樣，GPS定位系統由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分組成。

歷史發展

全球定位系統(GPS)是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研製的新一代空間衛星導航定位系統 。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、 全天候和全球性的導航服務，並用於情報收集、核爆監 衛星定位工作原理 測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰略的重要組成。經過20餘年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。

前身

GPS系統的前身為美軍研製的一種子午儀衛星定位系統(Transit），1958年研製，64年正式投入使用。該系統用5到6顆衛星組成的星網工作，每天最多繞過地球13次，並且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統使得研發部門對衛星定位取得了初步的經驗，並驗證了由衛星系統進行定位的可行性，為GPS系統的研製埋下了鋪墊。由於衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。 為此，美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛星組成10000km高度的全球定位網計劃，並於67年、69年和74年各發射了一顆試驗衛星，在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時系統，這是GPS系統精確定位的基礎。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛星組成3至4個星群的計劃，這些衛星中除1顆採用同步軌道外其餘的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼(PRN)為基礎傳播衛星測距信號，其強大的功能，當信號密度低於環境噪聲的1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統得以取得成功的一個重要基礎。海軍的計劃主要用於為艦船提供低動態的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態服務，然而系統過於複雜。由於同時研製兩個系統會造成巨大的費用而且這裡兩個計劃都是為了提供全球定位而設計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，並由國防部牽頭的衛星導航定位聯合計劃局（JPO)領導，還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防製圖局、北約和澳大利亞的代表。

在2020年前，有30多顆衛星覆蓋全球。北斗二號將為中國及周邊地區的軍民用戶提供陸、海、空導航定位服務，促進衛星定位、導航、授時服務功能的應用，為航天用戶提供定位和軌道測定手段，滿足導航定位信息交換的需要等。

構成

GPS全球衛星定位系統由三部分組成：空間部分———GPS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。 GPS定位技術具有高精度、高效率和低成本的優點，使其在各類大地測量控制網的加強改造和建立以及在公路工程測量和大型構造物的變形測量中得到了較為廣泛的應用。GPS導航儀　簡單地說，GPS導航儀就是能夠幫助用戶準確定位當前位置，並且根據既定的目的地計算行程，通過地圖顯示和語音提示兩種方式引導用戶行至目的地的汽車駕駛輔助設備。

空間

GPS的空間部分是由24 顆工作衛星組成,它位於距地表20 200km的上空,均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有4 顆有源備份衛星在軌運行。衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星,並能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。GPS 衛星產生兩組電碼, 一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) ,P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,並設有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務。C/ A 碼人為採取措施而刻意降低精度後,主要開放給民間使用。

地面控制

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受機。監測站將取得的衛星觀測數據,包括電離層和氣象數據,經過初步處理後,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,然後將結果送到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到衛星。這種注入對每顆GPS 衛星每天一次,並在衛星離開注入站作用範圍之前進行最後的注入。如果某地面站發生故障,那麼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。

用戶設備

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，並跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號後，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 數據的後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。接收機一般採用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在於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。關機後，機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。現今各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便於野外觀測使用。 註： 一部完整的GPS汽車導航儀是由芯片、天線、處理器、內存、顯示屏、揚聲器、按鍵、擴展功能插槽、電子地圖、導航軟件10個主要部分組成。 判斷GPS導航儀的優劣，導航儀所能接收到的GPS衛星數量和路徑規劃能力是關鍵。導航儀所能接收到的有效衛星數量越多，說明它當前的信號越強，導航工作的狀態也就越穩定。如果一台導航儀經常搜索不到衛星或者在導航過程中頻繁地中斷信號影響了正常的導航工作，那它首先質量就不過關更談不上優劣了。

前景

GPS定位系統具有性能好、全天候、精度高、應用廣和自動測量的特點，是迄今最好的導航定位系統。隨着全球定位系統的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓，如今已遍及國民經濟各種部門，並開始逐步深入人們的日常生活。

隨着冷戰結束和全球經濟的蓬勃發展，美國政府在2000年至2006年期間，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，GPS民用信號精度在全球範圍內得到改善，利用C/A碼進行單點定位的精度由100米提高到20米，這將進一步推動GPS技術的應用，提高生產力、作業效率、科學水平以及人們的生活質量，刺激GPS市場的增長。據有關專家預測，在美國，單單是汽車GPS導航系統，2000年後的市場達到30億美元，而在我國，汽車導航的市場也達到50億元人民幣。可見，GPS技術市場的應用前景非常可觀。 全球定位系統的主要用途： (1)陸地應用，主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、 市政規劃控制等； (2)海洋應用，包括遠洋船最佳航程航線測定、船隻實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平台定位、海平面升降監測等； (3)航空航天應用，包括飛機導航、航空遙 感姿態控制、低軌衛星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。 主要是為船舶，汽車，飛機等運動物體進行定位導航。例如： 船舶遠洋導航和進港引水 飛機航路引導和進場降落 汽車自主導航 地面車輛跟蹤和城市智能交通管理 緊急救生 個人旅遊及野外探險 個人通訊終端（與手機，PDA，電子地圖等集成一體） 電力，郵電，通訊等網絡的時間同步 準確時間的授入 準確頻率的授入 各種等級的大地測量，控制測量 道路和各種線路放樣 水下地形測量 地殼形變測量，大壩和大型建築物變形監測 GIS應用 工程機械（輪胎吊，推土機等）控制 精細農業 ◆GPS在道路工程中的應用 GPS在道路工程中的應用，主要是用於建立各種道路工程控制網及測定航測外控點等。隨着高等級公路的迅速發展，對勘測技術提出了更高的要求，由於線路長，已知點少，因此，用常規測量手段不僅布網困難，而且難以滿足高精度的要求。如今，國內已逐步採用GPS技術建立線路首級高精度控制網，然後用常規方法布設導線加密。實踐證明，在幾十公里範圍內的點位誤差只有2厘米左右，達到了常規方法難以實現的精度，同時也大大提前了工期。GPS技術也同樣應用於特大橋樑的控制測量中。由於無需通視，可構成較強的網形，提高點位精度，同時對檢測常規測量的支點也非常有效。GPS技術在隧道測量中也具有廣泛的應用前景，GPS測量無需通視，減少了常規方法的中間環節，因此，速度快、精度高，具有明顯的經濟和社會效益。 ◆GPS在汽車導航和交通管理中的應用 三維導航是GPS的首要功能，飛機、輪船、地面車輛以及步行者都可以利用GPS導航器進行導航。汽車導航系統是在全球定位系統GPS基礎上發展起來的一門新型技術。汽車導航系統由GPS導航、自律導航、微處理機、車速傳感器、陀螺傳感器、CD-ROM驅動器、LCD顯示器組成。GPS導航系統與電子地圖、無線電通信網絡、計算機車輛管理信息系統相結合，可以實現車輛跟蹤和交通管理等許多功能。

參考來源

厲害的手機定位系統