无线网络技术：GPS（美国全球定位系统）的发展史

GPS是英文Global Positioning System&＃xff08;全球定位系统&＃xff09;的简称

GPS起始于1958年美国军方的一个项目&＃xff0c;1964年投入使用。20世纪70年代&＃xff0c;美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS

使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验&＃xff0c;并验证了由卫星系统进行定位的可行性&＃xff0c;为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷

美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此&＃xff0c;美国海军研究实验室&＃xff08;NRL&＃xff09;提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划&＃xff0c;并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星&＃xff0c;在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统&＃xff0c;这是GPS系统精确定位的基础

而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划&＃xff0c;这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道&＃xff0c;该计划以伪随机码&＃xff08;PRN&＃xff09;为基础传播卫星测距信号&＃xff0c;其强大的功能&＃xff0c;当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础

海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位&＃xff0c;空军的计划能供提供高动态服务&＃xff0c;然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的&＃xff0c;所以1973年美国国防部将2者合二为一&＃xff0c;并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局&＃xff08;JPO&＃xff09;领导&＃xff0c;还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处

该机构成员众多&＃xff0c;包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表

GPS的上一代产品是美国海军1964年研制的“子午仪”导航卫星&＃xff0c;属于低轨道卫星。主要用途是为核潜艇和水面舰艇的导航之用&＃xff0c;兼做大地测量功能。它最重要的功能是为北极星核导弹提供精确的定位&＃xff0c;以便迅速发动核打击。从1960年4月到80年代初共发射30多颗 。第一颗是子午仪1B号&＃xff0c;用来对导航卫星方案及其关键技术进行试验鉴定&＃xff0c;并验证双频多普勒测速定位导航原理&＃xff0c;结果证明卫星导航可行

1963 年12月发射第一颗实用导航卫星子午仪 5B-2号&＃xff1b;1964 年 6 月发 射第一颗定型导航卫星子午仪 5C - 1号&＃xff0c;并交付海军使用&＃xff1b;1967 年7月子午仪号导航卫星组网实用并允许民用。1972年开始执行子午仪改进计划&＃xff08;TIP &＃xff09;&＃xff0c;共发射3颗卫星&＃xff0c;主要试验扰动补偿系统 &＃xff0c;对大气阻力和太阳辐射压力等引起的轨道摄动作实时补偿&＃xff0c;大大提高了轨道预报精度&＃xff0c;故称无阻力卫星。1981 年5月发射经过改进的实用型子午仪号卫星&＃xff0c;改名为新星号&＃xff08;NOVA&＃xff09;

为了解决“子午仪”存在的众多问题&＃xff0c;美国国防部70年代投资100亿美元开发新的卫星导航系统&＃xff0c;即我们熟悉的GPS&＃xff0c;从当时到1993年GPS建成投入使用&＃xff0c;共耗资300亿美元以上。GPS在当时隶属于“星球大战”的组成部分受到了相当高的重视&＃xff0c;80年代美国放弃星球大战计划后&＃xff0c;GPS仍然得以存活发展

• GPS的发展大约经历了几个阶段

  • 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年&＃xff0c;共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网
  • 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年&＃xff0c;又陆续发射了7颗试验卫星&＃xff0c;研制了各种用途接收机。实验表明&＃xff0c;GPS定位精度远远超过设计标准
  • 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功&＃xff0c;表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即&＃xff08;21&＃43;3&＃xff09;GPS星座已经建成&＃xff0c;今后将根据计划更换失效的卫星

• 导航卫星系统由三部分组成

  • 空间段部分
    由多颗导航卫星构成空间导航网&＃xff0c;不同国家的导航系统&＃xff0c;卫星的数目是不相同的&＃xff0c;且卫星的数目也是变化的&＃xff0c;更多的卫星会导致更好的覆盖。
    GPS的空间部分&＃xff0c;由24颗卫星组成&＃xff08;21颗工作卫星&＃xff1b;3颗备用卫星&＃xff09;&＃xff0c;它位于距地表20200km的上空&＃xff0c;运行周期为12h。
    卫星均匀分布在6个轨道面上&＃xff08;每个轨道面4颗&＃xff09;&＃xff0c;轨道倾角为55°。
    卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星&＃xff0c;并能在卫星中预存导航信息&＃xff0c;GPS的卫星因为大气摩擦等问题&＃xff0c;随着时间的推移&＃xff0c;导航精度会逐渐降低。
    为保证系统的连续运行&＃xff0c;一般在每个轨道上还部署一颗备份卫星&＃xff0c;一旦有卫星发生故障&＃xff0c;则可以立即替代。
    卫星之间并不直接通信&＃xff0c;他们都直接与地面监控部分通信。
    

  • 地面监控部分
    地面控制系统由主控制站&＃xff08;Master Monitor Station&＃xff09;、监测站(Monitor Station&＃xff09;、注入站&＃xff08;Ground Antenna&＃xff09;所组成&＃xff0c;
    GPS控制部分由1个主控站&＃xff0c;5个检测站和3个注入站组成。
    组成&＃xff1a;GPS控制部分&＃61;主控站&＃xff08;1个&＃xff09;&＃43;监测站&＃xff08;5个&＃xff09;&＃43;注入站&＃xff08;3个&＃xff09;
    作用&＃xff1a;监测和控制卫星运行&＃xff0c;编算卫星星历&＃xff08;导航电文&＃xff09;&＃xff0c;保持系统时间。
    主控站&＃xff1a;从各个监控站收集卫星数据&＃xff0c;计算出卫星的星历和时钟修正参数等&＃xff0c;并通过注入站注入卫星&＃xff1b;向卫星发布指令&＃xff0c;控制卫星&＃xff0c;当卫星出现故障时&＃xff0c;调度备用卫星。
    监控站&＃xff1a;接收卫星信号&＃xff0c;检测卫星运行状态&＃xff0c;收集天气数据&＃xff0c;并将这些信息传送给主控站。
    注入站&＃xff1a;将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入到卫星。 即向卫星发送发送控制命令。
    分布情况&＃xff1a;
    主控站&＃xff1a;位于美国科罗拉多州&＃xff08;Calorado&＃xff09;的法尔孔&＃xff08;Falcon&＃xff09;空军基地。
    注入站&＃xff1a;大西洋的阿松森群岛&＃xff08;Ascendion&＃xff09;&＃xff1b;印度洋的迭戈加西亚&＃xff08;Diego Garcia&＃xff09;&＃xff1b;东太平洋的卡瓦加兰&＃xff08;Kwajalein&＃xff09;。
    监控站&＃xff1a;1个与主控站在一起&＃xff1b;3个与注入站在一起&＃xff1b;另外一个在夏威夷&＃xff08;Hawaii&＃xff09;,西太平洋。
    

  • 用户段部分
    用户设备部分通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。
    其主要功能是能够捕获到卫星信号,并跟踪这些卫星的运行。
    当接收机捕获到跟踪的卫星信号后&＃xff0c;即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,&＃xff0c;解调出卫星轨道参数等数据。
    根据这些数据&＃xff0c;接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算&＃xff0c;计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
    它接收卫星发来的微弱信号&＃xff0c;从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等,同时测出导航参数&＃xff08;距离、距离差和距离变化率等&＃xff09;&＃xff0c;再由计算机算出用户的位置坐标&＃xff08;二维坐标或三维坐标&＃xff09;和速度矢量分量。
    卫星信号接收机有各种类型&＃xff1a;
    有用于航天、航空、航海的机载导航型接收机&＃xff0c;
    也有用于测定定位的测量型接收机&＃xff0c;
    也有普通大众使用的车载、手持型接收机。
    接收设备也可嵌入到其他设备中构成组合型导航定位设备&＃xff0c;如导航手机、导航相机等。

卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等系统&＃xff0c;其中测角法和组合法因精度较低等原因没有实际应用。
①多普勒测速定位:“子午仪”卫星导航系统采取这种方法。用户定位设备根据从导航卫星上接收到的信号频率与卫星上发送的信号频率之间的多普勒频移测得多普勒频移曲线&＃xff0c;根据这个曲线和卫星轨道参数即可算出用户的位置
②时间测距导航定位&＃xff1a;“导航星”全球定位系统采用这种体制。用户接收设备精确测量由系统中 不在同一平面的4颗卫星(为保证结果独一&＃xff0c;4颗卫星不能在同一平面)发来信号的传播时间&＃xff0c;然后完成一组包括 4个方程式的模型数学运算&＃xff0c;就可算出用户位置的三维坐标以及用户钟与系统时间的误差。
用户利用导航卫星所测得的自身地理位置坐标与其真实的地理位置坐标之差称定位误差&＃xff0c;它是卫星导航系统最重要的性能指标。定位精度主要决定于轨道预报精度、导航参数测量精度及其几何放大系数和用户动态特性测量精度。轨道预报精度主要受地球引力场模型影响和其他轨道摄动力影响&＃xff1b;导航参数测量精度主要受卫星和用户设备性能、信号在电离层、对流层折射和多路径等误差因素影响&＃xff0c;它的几何放大系数由定位期间卫星与用户位置之间的几何关系图形决定&＃xff1b;用户的动态特性测量精度是指用户在定位期间的航向、航速和天线高度测量精度

• 单点定位&＃xff08;绝对定位&＃xff09;示例
  
• 相对定位示例&＃xff08;相对精度较高&＃xff09;
  

授时&＃xff1a;作为时间同步装置&＃xff0c;在通信网络中广泛的应用。
通信&＃xff1a;蜂窝移动通信系统需要依赖GPS提供精确的定时。
航空&＃xff1a;飞行导航与着陆导航。
航海&＃xff1a;卫星导航接收机广泛地用于海上行驶的各类船只航线&＃xff0c;也可以用于沿岸与进港&＃xff0c;以及内河行驶的船只&＃xff0c;精度可达到2-3m。在卫星导航接收机与无线通信手段集成后&＃xff0c;该系统便成为一个位置报告系统和紧急救援系统。许多渔船将GPS与雷达和鱼探器结合在一起&＃xff0c;产生明显的经济效益。
人员跟踪&＃xff1a;个人跟踪的应用需求与E911这类导航手机或称定位手机思路相似&＃xff0c;但其产品类型和主要功能定位则与它们大相径庭。首先要求其体积和功耗要小&＃xff0c;便于隐藏或佩带&＃xff0c;如手表之类。其应用功能可以由中心加以激活或启动&＃xff0c;以利于获取佩带者所在位置。
消费娱乐&＃xff1a;徒步旅行者、猎人、越野滑雪者&＃xff0c;野外工作人员和户外活动者年常应用袋式GPS定位器&＃xff0c;配上电子地图&＃xff0c;可以在草原、大漠、乡间、山野或无人区内找到自己的目的地。
测绘&＃xff1a;GPS测绘还可用于绘图、地藉测量、地球板块测量、火山活动监测、GIS领域、大桥监测、水坝监测、滑坡监测、大型建筑物监测等。这种测量技术的实时动态化&＃xff08;RTK&＃xff09;可以用于海洋河道公路测量&＃xff0c;以及矿山、大型工程建设工地等作为自动化管理和机械控制。