GPS技术发展状况和应用

摘 要:随着科技的进步,测绘科学无论在理论上,还是在生产实践中,都发生了巨大的变化GPS导航定位系统以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等显著特点,已被广泛应用于测量领域的各个方面,本文主要介绍了GPS定位系统的发展现状和应用前景。

关键字:GPS全球定位系统 发展情况 应用前景

GPS全球定位系统是美国国防部在1973年12月批准它的陆海空三军联合研制的新卫星导航系统:NAVSTAR/GPS。它是英文“NavigationSatelliteTimingandRanging/ Global Positioning System”的缩写词。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。

1 GPS系统的组成

GPS全球定位系统包括三大部分:空间部分—GPS卫星星座、地面控制部分—地面监控系统和用户设备部分—GPS信号接收机三部分组成。

1.1 空间部分

由卫星群构成,而且构成卫星群的卫星都是主动式工作的。GPS空间卫星群由24颗高约20 万km的卫星组成,它们均匀地分布在6个椭圆轨道上。轨道各平面之间的交角60度,轨道和地球赤道的倾角为55度,卫星的轨道运行周期为11小时58分,这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上都可以接受4到11颗GPS卫星发送出的信号。

1.2 控制部分

GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。其主要任务是轨道预报(即监测和控制卫星系统);通过对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等,确定系统时间、预报卫星星历、发布最新卫星导航电文。

1.3 用户部分

GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成,其作用是接收GPS卫星发出的信号,利用信号进行导航定位等。不同类型的GPS接收机,由带前置放大器的天线、信号识别和处理的射频仓、微处理器、精密振荡器、电源、显示屏、内存和数据存储器组成。

2 GPS的工作原理

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置架设GPS接收机,在某一时刻同时接收了3颗以上的GPS卫星所发出的导航电文,根据卫星发射天线和接收机天线间信号传播时间,通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离,同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星的三维坐标。从而用距离交会的方法求得点的三维坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统,一类是在空间固定的坐标系统;另一类是与地球体相固联的坐标系统,称地固坐标系统,我们在公路控制测量中常用地固坐标系统。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,求出所使用的坐标系统的坐标。

3 GPS测量的技术特点

1).定位精度高

2).观测时间短

3).测站之间无需通视

4).提供三维坐标

5).操作简便

6).全天候作业

7).多功能,应用广

4 GPS系统在我国的应用和发展情况

新中国成立后,我国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月把第一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的开展创造了有利条件。

4.1GPS系统在我国的应用现状

20世纪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已的卫星导航系统。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2万台的速度增加。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,测定和精化大地水准面。组织各部门参加1992年全国GPS定位大会战。在我国建成了平均边长约100km的GPSA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30～100km的B级网,全国约2500个点,A、B级GPS网点都联测了几何水准。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、南沙群岛屿与大陆的GPS联测,使海岛与全国大地网联结成一整体。

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实时动态技术(简称RTK)测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施式放样。

在航空摄影方面,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。我国已经开始用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、三峡库区开变观测网、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。此外,在军事国防、智能交能、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、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。

在静态技术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,培养和造就了一批技术人才和产业队伍。

5 GPS系统的应用前景

当初,设计GPS系统的主要目地是用于导航、收集情报等军事目的。但是,后来的应用开发表明,GPS系统不仅能够达到上述目地,而且用GPS卫星发来的导航信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位,米级至亚米级精度的动态定位,亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此,GPS系统展现了极其广阔的应用前景。

5.1 GPS系统用途广泛

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,GPS卫星定位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和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。

5.2 多元化资源环境的出现

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最高应用境界。国际民间的这一策略,反过来又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的发展创造了一个前所未有的良好的国际环境。

5.3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计划发展成国际标准。美国已成立GPS产业协会,1994年美国国载GPS系统销量为1.8亿美元,1995年为3.1亿美元,到2000年为30亿美元。日本1994年的车载导航也有12万套,1995年为47万套,1996年为70万套。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工程技术研究中心。

5.4GPS的应用将进入人们的日常生活

GPS信号接收机在们生活中的应用,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么是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就像移动电话、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。

6 结束语

在当前,GPS定位系统已经发展到了一个崭新阶段,GPS具有及时、高效、高精度、不受恶劣环境气候影响等优势。近几年,我国已建成了北京、武汉、上海、拉萨、乌鲁木齐等永久性的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方案的建立,参与全球导航卫星系统和GPS增强系统的筹建。同时,我国已着手建立自已的卫星导航系统(双星定位系统),能够生产导航型和测地型GPS接收机。GPS技术的应用前景非常广阔。

参考文献:

1.陈俊勇.世纪之交的GPS展望.卫星应用简报,1998.

2.周忠谟,易杰军编著.GPS卫星测量原理与应用.北京:测绘出版社,1992.

3.周良,刘经南,张全德.2000年前后GPS进展状况.测绘软科学研究,1998.

推荐访问:发展状况 技术 GPS

---