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GPS基本原理



GPS(Globle Positioning System)全球定位系統,可以在全球范圍內實現全天候、實時的確定用戶的精確位置和精確時間。它是由美國提出并實施的一項龐大的宇宙及航天工程,1973年12月,美國國防部批準其陸?杖娐摵涎兄菩碌能娪眯l星導航系統—NAVSTAR GPS系統,既GPS系統;1978年2月22日第一顆GPS實 驗衛星的發射成功,標志著工程研制階段的開始;1989年2月14日,第一顆GPS工作衛星的發射成功,宣告GPS進入生產作業階段。GPS系統于1993年6月26日部署完畢,全球定位系統中的21顆衛星和3顆備用衛星,猶如一個“星座”,高懸在2萬公里的空中,每顆衛星每隔12小時圍繞地球旋轉一周,使得地球任何地方同時可看到7—9顆衛星。1.1 衛星發送什么信息?衛星信息包括三種信號分量:載波、測距碼和數據碼,其中載波采用兩個頻率發送:fL1=1575.42MHz,fL2=1227.6MHz;測距碼分為粗碼C/A碼和精碼P碼,分別提供給民間用戶和軍方用戶,都采用偽隨機碼;數據碼的內容包括遙測碼、轉換碼和三個數據塊,數據塊中含標志碼、衛星時鐘改正系數、衛星星歷以及其他衛星的概略情況等。1.2 GPS接收機如何解算自身位置?偽隨機碼的接收利用相關技術得到,相關接收時本機產生的偽隨機碼信號和衛星的偽隨機碼信號碼位對齊,即完成跟蹤和延時鎖定,此時刻相對于初始時刻的時延量表征了地面點到衛星距離的函數;接收機對衛星信號跟蹤鎖定后,同時可以得到導航電文,根據衛星星歷參數可以得到衛星的坐標,如下式:ρPi=[(XSi-XP)2+(YSi-YP)2+(ZSi-ZP)2]1/2+CτA+C(ΔtPR-ΔtSV)其中:P為當前點,(XP,YP,ZP)為其坐標;Si為衛星,(XSI, YSI, ZSi)為其坐標;C為光速;τA為傳輸中的附加時延;ΔtPR,ΔtSV為鐘差。ρPI為偽距,即含有誤差的P到衛星SI的距離。觀測到四顆衛星就可以得到P的準確位置(需要解算ΔtPR-ΔtSV)。GPS最初的目的是為美國軍方提供服務,但隨著它的發展,人們越來越意識到GPS的作用的重大及應用領域的廣闊,除軍事應用外,它已被應用于航天、航空、航海、測量、勘探等諸多領域,其應用形式亦多種多樣。GPS發展到今天已成為一個產業。GPS的優異性能引起各行各業的興趣,也正如專家所預言的那樣,GPS將改變許多行業的經營方式,它是繼計算機革命之后的又一場革命。GPS的精度和美國的SA政策 美國政府在GPS設計中,計劃提供兩種服務。一種為標準定位服務棗SPS,利用粗碼(C/A碼)定位,精度約為100米,提供給民間用戶使用。另一種為精密定位服務棗PPS,利用精碼(P碼)定位,精度達到10米,提供給軍方和得到特許的民間用戶使用。在GPS試驗衛星應用階段,多次試驗表明,實際定位精度遠高于此值。利用最簡單的C/A碼定位精度可達到14米,利用P碼定位精度可達到3米。這一現實和設計相矛盾,于是美國政府采用了SA(SelectiveAvailability)政策,人為的將誤差引入衛星時鐘和衛星數據中,故意降低GPS的定位精度,以防止未經許可的用戶把GPS用于軍事目的。采用SA政策,規定水平定位精度為100米(2Drms),垂直測量精度為157米(2Drms)。美國國防部常年對SA政策進行檢測,并根據形勢和需要對部分或全部衛星取消SA政策。SA政策稱為有選擇可用性,它的目的是使非特許用戶不能獲得高精度實時定位的方法。它包括對GPS衛星基準頻率采用δ技術,對導航電文采用ε技術,對P碼采用譯密技術。1989年11月,在軌的GPS衛星有兩個星期停止工作,利用這兩個星期的時間進行高頻抖動(δ)技術試驗。1990年3月25日到8月29日,不僅進行了δ技術試驗,還作了C/A碼廣播星歷精度降低的試驗。1991年7月1日開始,全部在軌GPS工作衛星均實施SA技術。SA技術是一種人為干擾。在實施SA技術條件下,工作衛星的定位精度大大降低,GPS信號將發生下列變化:GPS衛星的基準信號(10.23MHz)經過δ技術處理,人為引入一個高頻抖動信號。因為基準信號是所有衛星信號(載波、偽噪聲碼、數據碼)的震蕩源,故所有派生信號都引入一個“快變化”的高頻抖動信號。P碼將經過譯密技術處理變為Y碼。Y碼是P碼與高度機密的W碼模2和形成的。這一過程稱為反電子欺騙AS政策(AntiSpoofing)。實施AS技術的目的在于防止敵方對P碼進行精密導航定位的電子干擾。當實施AS技術時,非特許用戶不僅不能使用P碼作實時定位,而且不能進行P碼和C/A碼碼相位測量的聯合求解,甚至P碼數據平滑。SA和AS技術是各自獨立實施的。目前,已經實施SA政策,但GPS聯合會辦公室人士透露,只有在國家緊急狀態下或者短期實驗時,才啟用W碼,實施AS技術GPS信號的第二載波L2設置有三種不同的調制波,并由衛星電文的提示區別。SA政策實施后,由C/A碼廣播的星歷稱為C/A碼廣播星歷,經過ε技術處理后,人為的降低精度為100米左右。這種誤差不是固定的偏差,而是無規則變化的隨機量。目前商用GPS接收機都是工作在C/A碼的,只能取得C/A碼廣播星歷。這就是說,實施SA政策后,P碼的星歷精度對定位精度的影響已從20米提高到5米,但用戶得不到,C/A碼的星歷精度對定位精度的影響從20米降低到100米,這就使得所有商用接收機的定位精度大幅度降低。這里有必要提醒用戶,有的廠家為了推銷產品,在定位精度欄內標明15米*,并在“*”號注腳內寫明(SA off)。它的含義是,在不實施SA政策下,定位精度達到15米?墒,事實上已經實施SA政策,達到的實際定位精度則為100米左右。 在實際的應用中,由于GPS OEM中廠家都采用了濾波平滑算法,所以GPS的動態定位精度能達到40米,具體表現為連續的軌跡為平滑的曲線而不是鋸齒狀線。但靜態數據表現為車停而定位信息在變,位置的分布長時間測試為100米的圓型區域。另外,使用GPS信號不收費。GPS最初投入應用時,美國承諾10年免費使用,即到2003年期滿,目前由于GPS的廣泛應用,美國從事GPS產業的人員達數十萬,同時俄羅斯有GLONASS,歐洲也在設計EUTELTRACS衛星定位系統,行業的競爭使得美國政府不得不考慮數十萬人的就業問題,并且計劃在4?/FONT>10年的時間里逐步取消SA政策,以贏得更多的用戶,美國已表態在可以預見的將來延長免費服務期
限。為了提高GPS的精度及信號的可靠性,GPS在L1民用頻率之外將加發第二民用頻率,L5,其頻率為1176.45MHz。L5處于航空無線電導航服務頻段內,受國際公約保護,即使在戰時也不會受到干擾,提高了GPS服務的可靠性。美國還承諾在2006年前撤除SA,使民用水平定位精度達到21米以內。隨著GPS精度的提高、可靠性的加強,GPS的應用必將越來越廣泛。
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