GPS的原理应用及发展
GPS的原理应用及发展
摘要：GPS全球定位系统是一套具有全天候、全球性、连续性以及实时性的全球范围内的无线电定位系统，在今天已经被应用军事、生产甚至是生活中的各个领域，笔者在本文中，从GPS的原理、应用以及发展状况进行了分析和探讨。
关键词：GPS定位；GPS原理；实际应用；发展
GPS全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System）是美国国防部U.5.Department of Defenee（DOD）为满足军事部门对海上、陆地和空中进行高精度导航和定位要求而建立的，起初就是作为美国海军的TIMA工郎计划和美国空军的621B项目的综合结果而研制的。这两个计划在六十年代中期就已确定要用测距的方式来发展一种被动导航系统（well等，1986）。它是新一代卫星导航与定位系统。它具有全球性、全天候、连续的三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性和保密性。它己成为美国导航技术现代化的重要标志。
1.GPS的概述及原理
1.1系统构成
完整的GPS系统由以下3个方面构成，即空间系统（主要为导航卫星）、地面控制部分（地面监控系统）、用户终端（GPS信号接收机等）。
首先，空间系统主要由24颗卫星（其中21颗为工作卫星、3颗为备用卫星）构成，这些卫星卫星高度为20200km，均匀分布在6个55°倾角的平面轨道上面，各个轨道之间的夹角均为60°，卫星围绕地球旋转一周的时间均在12h，这样的卫星星座结构可以确保地球上面的任何一点、在任何时间内，在大于15°的高度角范围之内都可以观测到6颗卫星，并且最多的时候可以观测到11颗，借此来保证导航效果。
其次，地面监控系统部分，它主要由分布于全球的1个主控站、3个注入站以及5个监测站等构成，其中主控站位于美国的科罗拉多，它的主要功能就是收集汇总由世界各地的监测站传输来的跟踪数据，并借此计算钟差参数和卫星轨道参数，将各种数值输送到注入站并最终发送给各个导航卫星；除此之外，主控站还负责诊断卫星的实时工作状态并并能够给予处理、修正以及必要的卫星调度。注入站的主要功能就是将主控站发来的各种数据接收后将其注入到卫星的存储器当中。监测站的主要功能就是将跟踪监测全部24颗卫星，采集它们的测距信息、气象信息等各种参数，最后将所有收集到的参数都传输到主控站。
最后，用户终端部分，通常各种型号的GPS信号接收机，它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信号进行交换，放大和处理，再通过计算机和相应的数据处理软件，经过基线解算，网平差等，求出测站点的三维坐标。
1.2定位测量原理
（1）信号波段：GPS卫星使用L波段的两种载波，即
L1载波：f1=154×10.23=1575.42MHz，波长为λ1=19.032cm
L2载波：f2=120×10.23=1227.6MHz，波长为λ2=24.42cm
（2）原理与方程：
其基本原理为：GPS信号接收机到卫星（至少3颗）信号后计算出信号接收点至（至少）3颗GPS卫星的距离与该时刻的GPS卫星三维坐标，最后依据距离交会原理测算出自己的三维坐标。但是GPS信号接收机和卫星之间存在着时钟误差，为了避免这种误差的产生，因此至少需要4颗GPS导航卫星来进行定位测量。笔者给出了距离观测方程，供参考。
在上述公式中，i=1，2，3，4；
C为GPS信号的传播速度；
（Xi，Yi，Zi）i为卫星的轨道坐标；
ti为各个卫星的时钟差；
pi为各个卫星到测站点接收机天线的距离；
待测点坐标（X，Y，Z）和接收机时钟差t为未知数。
2.GPS的应用
2.1在工业方面的应用
除了最先在军事领域得到广泛的应用之外，GPS在工业领域中也获得了相当广泛地应用，下面工程测量为例来进行探讨。首先我们能够构建基于GPS的工程控制网，有效、精准的工程控制网可以高效地完成工程的建设、管理以及维护工作，其具体精度要求和控制网结构也是具有相当的弹性，能够根据工程标准、项目性质以及规模密度进行决定，但是通常情况下，工程控制网精度要求高、覆盖面积小、单位密度大，GPS的先天属性能够很好地适应这种要求。基于GPS的工程控制网具有控制精度高、点位选择余地大、操作费用低、实施时间短等优点。为了保证可以达到mm级的精度，一般会运用载波相位静态差分技术来建立工程控制网。RTK（Real - time kinematic）实时动态差分法是新的常用的GPS测量技术，由于应用了载波相位静态差分技术，让GPS的测量精度获得质的飞跃。RTK技术被广泛应用于地形图测绘、平面位置施工放样、房地产界址点测绘等当中。
2.2在农业和林业方面的应用
在农业方面的应用最为典型的就是“精细农业”模式的诞生，所谓精细农业，是指基于变异的一种田间管理手段，具体说就是根据田间变异来确定最合适的管理决策。它是高新技术（主要是3S技术，即RS遥感技术、GIS地理信息系统、GPS全球定位系统）被广泛应用于现代农业中的结果。GPS技术在精细农业中的具体应用就是：首选，获取土壤采集点的空间坐标，其次当农业机械在田间作业时为之提供导航服务，再次，具体的田间管理。
GPS技术在林业方面的应用主要体现为森林资源的调查与勘测，初次之外，它也广泛地应用于林区不同境界线的测定，其导航功能不仅能够确定标桩，也可以非常精准地实现境界线的就地“落界”；利用DGPS技术（即差分GPS技术）进行线定位，实现对野生动物行踪的跟踪调查。
3.发展前景
GPS定位技术的高度自动化和所达到的定位精度，以及与之相关的应用基础的不断深入研究，应用领域的进一步开拓、硬件和软件开发等方面的蓬勃发展，为GPS精密定位技术展现了广阔的应用前景。利用GPS定位系统可以进行海洋、空间和陆地的导航、大地测量和工程测量的精密定位及测时、测速等，还被用来测定航空摄影测量过程中确定相机的位置，可以达到快速成图的目的，促进了地理信息系统、遥感等技术的巨大发展。
我国的城市化进程处于不断地发展之中，在城市规模不断扩大的时候，提供优质快捷的交通服务是必然的，基于GPS导航技术的智能交通信息综合服务系统可以很好地解决这个问题；同时，我国汽车保有量的急速上升，车载导航系统也受到了人们的热捧，在方便人们出行的时候也促进了GPS技术的发展。另外，越来越多的手机都集成了GPS导航芯片，手机定位服务已经开始流行起来。可以想象，在今后的生活中，尤其是出行过程中，人们越来越依赖GPS导航技术，GPS将会像手机、互联网那样，对我们的生活产生极大的影响。
参考文献：
[1]程鹏飞，杨元喜，李建成，孙汉荣，秘金钟. 我国大地测量及卫星导航定位技术的新进展[J]. 测绘通报， 2007，（02）
[2]D.B.Zilkoski et.al――GPS Satellite Surveys and Vertical control[J].Journal of Surveying Engineering Vol.ll5，No.4，2009
[3]周忠谟，易杰军编著.G P S卫星测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，2002
[4]张凤举，王宝山编著.GPS定位技术[M].北京：煤炭工业出版社，1997
[5]徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民.GPS测量原理及应用（第二版）[M].武汉:武汉大学出版社，2008
[6]邹小强.GPS定位技术在智能交通系统中的应用研究[D].西安：西安交通大学出版社，2005
作者简介：云 刚，职称：测绘工程师，研究方向：地质工程测量