空間定位技術及應用-全69集

空間定位技術

空間定位GPS作為一種全新的現代定位方法，已逐漸在越來越多的領域取代了常規光學和電子儀器。80年代以來，尤其是90年代以來，GPS衛星定位和導航技術與現代通信技術相結合，在空間定位技術方面引起了革命性的變化。

用GPS同時測定3維坐標的方法將測繪定位技術從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間，從靜態擴展到動態，從單點定位擴展到局部與廣域差分，從事後處理擴展到實時(准實時)定位與導航，絕對和相對精度擴展到米級、厘米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬它的應用範圍和在各行各業中的作用。不久的將來，人人可以戴上GPS手錶，加上移動電話，你的活動就可以自動進入數字地球中去。

GPS全球衛星定位導航系統(Global Positioning System-GPS)是美國從本世紀70年代開始研製，歷時20年，耗資200億美元，於1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。經近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，並成功地應用於大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。

隨著全球定位系統的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經濟各種部門，並開始逐步深入人們的日常生活。

特點

全球，全天候工作

能為用戶提供連續，實時的三維位置，三維速度和精密時間。不受天氣的影響。

定位精度高

單機定位精度優於10米，採用差分定位，精度可達厘米級和毫米級。

功能多，應用廣

隨著人們對GPS認識的加深，GPS不僅在測量，導航，測速，測時等方面得到更廣泛的應用，而且其應用領域不斷擴大。

GPS發展

在衛星定位系統出現之前，遠程導航與定位主要用無線導航系統。

無線電導航系統

·羅蘭--C：工作在100KHZ，由三個地面導航台組成，導航工作區域2000KM，一般精度200-300M。

·Omega（奧米茄）：工作在十幾千赫。由八個地面導航台組成，可覆蓋全球。精度幾英里。

·多卜勒系統：利用多卜勒頻移原理，通過測量其頻移得到運動物參數（地速和偏流角），推算出飛行器位置，屬自備式航位推算系統。誤差隨航程增加而累加。

缺點：覆蓋的工作區域小；電波傳播受大氣影響；定位精度不高。

衛星定位系統

最早的衛星定位系統是美國的子午儀系統（transit），1958年研製，64年正式投入使用。由於該系統衛星數目較小（5-6顆），運行高度較低（平均 1000KM），從地面站觀測到衛星的時間隔較長（平均1.5h），因而它無法提供連續的實時三維導航，而且精度較低。

為滿足軍事部門和民用部門對連續實時和三維導航的迫切要求。1973年美國國防部制定了GPS計劃。

GPS發展歷程

GPS實施計劃共分三個階段：

·第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發射了4顆試驗衛星。研製了地面接收機及建立地面跟蹤網。

·第二階段為全面研製和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續發射了7顆試驗衛星，研製了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。

·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，表明GPS系統進入工程建設階段。1993年底實用的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原理

GPS系統的組成

GPS由三個獨立的部分組成：

空間部分：21顆工作衛星，3顆備用衛星。

地面支撐系統：1個主控站，3個注入站，5個監測站。

用戶設備部分：接收GPS衛星發射信號，以獲得必要的導航和定位信息，經數據處理，完成導航和定位工作。

GPS接收機硬件一般由主機、天線和電源組成。

GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，採用空間距離後方交會的方法，確定待測點的位置。

DGPS原理

目前GPS系統提供的定位精度是優於10米，而為得到更高的定位精度，我們通常採用差分GPS技術：將一台GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，並由基準站實時將這一數據發送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，並對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

差分GPS分為兩大類：偽距差分和載波相位差分。

偽距差分原理

這是應用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛星，根據基準站已知坐標和各衛星的坐標，求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，將其傳輸至用戶接收機，提高定位精度。

這種差分，能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的「信標差分」

載波相位差分原理

載波相位差分技術又稱RTK（Real Time Kinematic）技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站採集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標。

載波相位差分可使定位精度達到厘米級。大量應用於動態需要高精度位置的領域。