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目前日期文章:200709 (2)

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GPS 可以搭配...雷射儀, 標杆,各種機具一起來完成測量放樣的工作


 

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GPS系統發展歷程
  (資料來源: 維基百科 )
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E9%A6%96%E9%A1%B5&variant=zh-hant
 前身
GPS(又稱全球衛星導航系統或全球衛星定位系統)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1964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、北約澳大利亞的代表。

計劃


最初的GPS計劃在聯合計劃局的領導下誕生了,該方案將24顆衛星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛星,地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛星。這樣,粗碼精度可達100m,精碼精度為10m。 由於預算壓縮,GPS計劃不得不減少衛星發射數量,改為將18顆衛星分佈在互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛星可靠性得不到保障。1988年又進行了最後一次修改:21顆工作星和3顆備份星工作在互成30度的6條軌道上。這也是現在GPS衛星所使用的工作方式。


 計劃實施


GPS計劃的實施共分三個階段:




  • 第一階段為方案論證和初步設計階段。


1978年到1979年,由位於加利福尼亞范登堡空軍基地採用雙子座火箭發射4顆試驗衛星,衛星運行軌道長半軸為26560km,傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研製了地面接收機及建立地面跟蹤網,結果令人滿意。




  • 第二階段為全面研製和試驗階段。


1979年1984年,又陸續發射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛星,研製了各種用途的接收機。實驗表明,GPS定位精度遠遠超過設計標準,利用粗碼定位,其精度就可達14米。




  • 第三階段為實用組網階段。


1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功,這一階段的衛星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統進入工程建設狀態。1993年底使用的GPS網即(21+3)GPS星座已經建成,今後將根據計劃更換失效的衛星。


 
GPS衛星


GPS衛星是由洛克菲爾國際公司空間部研製的,衛星重774kg,使用壽命為7年。衛星採用蜂窩結構,主體呈柱形直徑為1.5m。衛星兩側裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板(BLOCK I),全長5.33m接受日光面積為7.2m2。對日定向系統控制兩翼電池帆板旋轉,使板面始終對準太陽,為衛星不斷提供電力,並給三組15Ah鎘鎳電池充電,以保證衛星在地球陰影部分能正常工作。在星體底部裝有12個單元的多波束定向天線,能發射張角大約為30度的兩個L波段(19cm和24cm波)的信號。在星體的兩端面上裝有全向遙測遙控天線,用於與地面監控網的通信。此外衛星還裝有姿態控制系統和軌道控制系統,以便使衛星保持在適當的高度角度,準確對準衛星的可見地面。


由GPS系統的工作原理可知,星載時鐘的精確度越高,其定位精度也越高。早期試驗型衛星採用由霍普金斯大學研製的石英振蕩器,相對頻率穩定度為10 − 11/秒。誤差為14米。1974年以後,gps衛星採用銣原子鐘,相對頻率穩定度達到10 − 12/秒,誤差8m。1977年,BOKCK II型採用了馬斯頻率和時間系統公司研製的銫原子鐘後相對穩定頻率達到10 − 13/秒,誤差則降為2.9m。1981年,休斯公司研製的相對穩定頻率為10 − 14/秒的氫原子鐘使BLOCK IIR型衛星誤差僅為1m。


 


 GPS系統原理


蘇聯發射了第一顆人造衛星後,美國約翰·霍布斯金大學應用物理實驗室的研究人員提出既然可以已知觀測站的位置知道衛星位置,那麼如果已知衛星位置,應該也能測量出接收者的所在位置。這是導航衛星的基本設想。GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離,然後綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的,衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星曆中查出。而用戶到衛星的距離則通過紀錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間,再將其乘以速得到(由於大氣層電離層的干擾,這一距離並不是用戶與衛星之間的真實距離,而是偽距PR):當GPS衛星正常工作時,會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發射導航電文。GPS系統使用的偽碼一共有兩種,分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重複周期一毫秒,碼間距1微秒,相當於300m;P碼頻率10.23MHz,重複周期266.4天,碼間距0.1微秒,相當於30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的,保密性能更佳。導航電文包括衛星星曆、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛星信號中解調製出來,以50b/s調製在載頻上發射的。導航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼;每30秒重複一次,每小時更新一次。後兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊,其中最重要的則為星曆數據。當用戶接受到導航電文時,提取出衛星時間並將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離,再利用導航電文中的衛星星曆數據推算出衛星發射電文時所處位置,用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。可見GPS導航系統衛星部分的作用就是不斷地發射導航電文。然而,由於用戶接受機使用的時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步,所以除了用戶的三維坐標x、y、z外,還要引進一個Δt即衛星與接收機之間的時間差作為未知數,然後用4個方程將這4個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置,至少要能接收到4個衛星的信號。


 


 差分技術


為了使民用的精確度提昇,科學界發展另一種技術,稱為差分全球定位系統(Differential GPS), 簡稱DGPS。亦即利用附近的已知參考座標點(由其它測量方法所得), 來修正 GPS 的誤差。再把這個即時(real time)誤差值加入本身座標運算的考慮, 便可獲得更精確的值。


GPS有2D導航和3D導航分,在衛星信號不夠時無法提供3D導航服務,而且海拔高度精度明顯不夠,有時達到10倍誤差。但是在經緯度方面經改進誤差很小。衛星定位儀在高樓林立的地區撲捉衛星信號要花較長時間。


 


 GPS的功能




  1. 精確定時:廣泛應用在天文台、通信系統基站、電視台中


  2. 工程施工:道路、橋樑、隧道的施工中大量採用GPS設備進行工程測量


  3. 勘探測繪:野外勘探及城區規劃中都有用到


  4. 導航:



    1. 武器導航:精確制導導彈、巡航導彈


    2. 車輛導航:車輛調度、監控系統


    3. 船舶導航:遠洋導航、港口/內河引水


    4. 飛機導航:航線導航、進場着陸控制


    5. 星際導航:衛星軌道定位


    6. 個人導航:個人旅遊及野外探險



  5. 定位:



    1. 車輛防盜系統


    2. 手機,PDA,PPC等通信移動設備防盜,電子地圖,定位系統


    3. 兒童及特殊人群的防走失系統


    4. 精準農業:農機具導航、自動駕駛,土地高精度平整



 


GPS的六大特點




  • 第一,全天候,不受任何天氣的影響;


  • 第二,全球覆蓋(高達98%);


  • 第三,三維定點定速定時高精度;


  • 第四,快速、省時、高效率


  • 第五,應用廣泛、多功能;


  • 第六,可移動定位。


目前正在運行的全球衛星定位系統有美國的GPS系統和俄羅斯GLONASS系統。


歐盟1999年初正式推出「伽利略」計劃,部署新一代定位衛星。該方案由27顆運行衛星和3顆預備衛星組成,可以覆蓋全球,位置精度達幾米,亦可與美國的GPS系統兼容,總投資為35億歐元。該計劃預計于2010年投入運行。


中國還獨立研製了一個區域性的衛星定位系統——北斗導航系統。該系統的覆蓋範圍限於中國及周邊地區,不能在全球範圍提供服務,主要用於軍事用途。


應用




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