GPS
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GPS(一)
GPS系统产生
最古老、最简单的导航方法是星历导航，人类通过观察星座的位置变化来确定自己的方位；最早的导航仪是中国人发明的指南针，几个世纪以来它经过不断的改进而变得越来越精密，并一直为人类广泛应用着；最早的航海表是英国人John Harrison经过47年的艰苦工作于1761年发明的，在其随后的两个世纪，人类通过综合地利用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位。
进入二十世纪以后，随着科学技术水平的不断提高人类逐渐发明/发现了许多新的定位方法。开始海员们通过测量船体的速度增量并进行外推来确定自己的位置（Dead reckoning）；随后人们又发明了惯性导航技术（Inertial Navigation），即通过对加速度计所记录的载体加速度进行积分来确定位置。至此，人类的探索并没有停滞不前，二十世纪电磁场理论和电子技术的蓬勃发展为新型导航技术的形成提供了坚实的理论基础和技术基础。更重要的是用新思想和新理论武装起来的人类更富于想象力了，人类的思维从被动地利用宇宙中现存的参照物（如星体）扩展到主动地建立和利用人为的参照物来开发更精密的导航定位系统。由此地基电子导航系统（Ground-based Radionavigation System）诞生了，这一系统的问世标志着人类从此进入了电子导航时代。地基电子导航系统主要由在世界各地适当地点建立的无线电参考站组成，接收机通过接收这些参考站发射的无线电电波并由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。这一技术在二战中已经被使用，战后发展很快，目前大约有100种不同类型的地基电子导航系统正在运行，其中最著名的有Loran C/D、Omega、VOR/DME Tacan等，它们的导航原理相似，只是所用的电波波段和适用地域不同而已。由于地基导航系统的无线电发射参考站都建立在地球表面上，因此它们只能用来确定海平面上和地平面上运动物体的水平位置，即只能进行二维定位，这是地基电子导航系统本身固有的缺陷。为了对空间飞行器（如飞机、宇宙飞船、导弹等）进行精密导航，需要确定飞行器的三维位置（水平位置和高度）。显然地基电子导航系统不能满足这种需要，于是人类就设想是否可以将无线电发射参考站建立在空中。
1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的成功发射宣告空间科学的发展跨入了一个崭新的时代，也使电子导航技术的发展进入了一个新的阶段。它使人类将无线电发射参考站建立在空中的设想成为现实，由此空基电子导航系统（Space-based Radionavigation System）应运而生。空基电子导航系统统称为卫星电子导航系统，第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System —— NNSS）。在该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称"子午仪（Transit）卫星系统"。1964年该系统建成后即被美国军方使用，1967年将星历解密而提供民用服务。实践表明，子午仪卫星系统具有精度均匀、不受时间和天气限制等优点，只要系统的卫星在视界内，就可在地球表面任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得观测点的三维地心坐标。尽管子午仪卫星系统具有以往导航系统所无法比拟的优越性，但也存在一些严重的缺陷，这主要是由于该系统卫星数目较少（5～6颗），运行高度较低（平均约为1000Km），从地面观测到卫星的时间间隔较长（平均1.5小时），因而无法连续地提供实时三维定位信息，难以充分满足军事用户和某些民事用户的定位要求。
为了克服子午仪系统的缺陷，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位，1973年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航定位系统-授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），简称全球定位系统（GPS）。起初的GPS方案由24颗卫星组成，这些卫星分布在互成120°的三个轨道平面上，每个轨道平面分布8颗卫星，这样的卫星布局可保证在地球上的任何位置都能同时观测到6～9颗卫星。为识别不同的卫星信号并提高系统的抗干扰能力和保密能力，采用了直接序列扩频技术（DS-SS），整个系统相当于一个码分多址系统（CDMA）。为了补偿电离层效应的影响，采用了双频调制；1978年由于美国政府压缩国防预算，减少了对GPS的拨款，GPS联合办公室就将初始方案修改为第二方案。在第二方案中系统的卫星数由24颗减少到18颗，并调整了卫星的布局，18颗卫星分布在互成60°的6个轨道平面上，每个轨道平面分布3颗卫星，这样的配置基本能够保证在地球上任何位置均能同时观测到至少4颗卫星。但实验发现这样的卫星配置可靠性不高，另外由于在海湾战争中GPS发挥了巨大的作用，因此在1990年对第二方案进行了修改，最终方案是由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成整个系统，6个轨道平面的每个平面上分布4颗卫星，这样的配置使同时出现在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。GPS计划的实施分为三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段（1973年～1978年），发射了4颗卫星，建立了地面跟踪网并研制了地面接收机；第二阶段为全面研制和实验阶段（1979年～1984年），发射了7颗Block I实验卫星，研制了各种用途的接收机，包括导航型和测地型接收机；第三阶段为实用组网阶段（1985年～1993年），发射了Block II和Block IIA工作卫星（Block IIA卫星增强了军事应用功能并扩大了数据存储容量）。截止到1993年，由分布在6个轨道平面内的（21＋3）颗卫星组成的GPS空间星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。从1973年到1993年，GPS系统的建立经历了近20年，耗资300亿美元，它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划 。
GPS系统组成
GPS系统主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS的空间星座部分中24颗卫星基本均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为55°，各轨道平面之间的交角为60°，每个轨道平面内的卫星相差90°，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。卫星轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为11小时58分。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而不同，可为4~11颗；GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星检测站、主控站和信息注入站。GPS的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为美国所控制；GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。
GPS系统定位原理
GPS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。
GPS系统特点
GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其他导航系统相比，主要特点是：①全球地面连续覆盖。由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。②功能多、精度高。GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。③实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至更少的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。④抗干扰性能好、保密性强。由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。
GPS系统作用
GPS系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。对舰船而言，它能在海上协同作战，海洋交通管制，海洋测量，石油勘探，海洋捕鱼，浮标建立，管道铺设，浅滩测量，暗礁定位，海港领航等方面作出贡献。
对飞机而言，它可以在飞机进场、着陆，中途导航，飞机会合和空中加油，武器准确投掷及空中交通管制等方面进行服务。
在陆地上，可用于各种车辆、坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵等的定位，还可用于大地测量、摄影测量、野外调查和勘探的定位，甚至可以深入到每个人的生活中去，如用于汽车、旅行、探险、狩猎等方面。
在空间技术方面，可以用于弹道导弹的引航和定位，空间飞行器的导航和定位等。
总之，GPS技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS、）、多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）的高新技术国际性产业。GPS的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的"GPS的应用，仅受人类想象力的制约"。
GPS(二)
全球定位系统发展概述
全球定位系统(Global Positioning System一GPS)的是结合卫星及无线通信技术，应用于导航定位的导航系统，使在地球上任何地方的用户，能够全天候地、在全球范围内获得实时的三维空间定位信号、速度信号及精确授时信号，而且能根据定位信号计算出他们所处的具体位置。
现在有两个公开的GPS系统可以利用:NAVSTAR/GPS系统和GLONASS系统。前者由美国国防部主持、并有交通运输部参与研制，最终归美国国防部管理和操作的全球定位系统，后来，又将此项技术转移至民间使用，应用在导航定位、精密测量、姿态及标准时间等相关作业上;后者为俄罗斯所拥有，是与美国GPS相类似的全球卫星定位系统。此外， 欧盟正在开发GALILEO全球卫星定位商用系统。我国自主开发的“北斗卫星定位导航系统”也于2002年投入民用。我国最近也发射了自己的定位卫星，并在将来也要组成完善的定位系统，用于我国的军事及民用领域。因为通常首先可利用的是NAVSTAR/GPS系统，故又将全球卫星定位导航系统简称为GPS。
GPS的结构及原理
GPS系统包含空中卫星、地面控制系统、GPS接收器三部份。目前己完成24颗卫星的发射运转，此24颗卫星多属BLOCK11型，平均分布于六个轨道面上，轨道的倾角约为550，卫星高度约为20.183公里，卫星周期为11时58分:亦即每颗卫星每天依相同路境绕行地球2周，这种设计保证用户在地面上任何时间、地点，至少可看见4颗以上卫星。GPS卫星以两种L-Band载波L1(1575.42MHz)与L2(1227.60 MHz)调制PRN电码，传送其导航信号。电码中义分两种， 一种为P电码(Precise Code,10.23MHz),另一为C/A电码(Coarse/Acquisition Code,1.023MHz)。P电码因频率较高，不易被干扰，定位精度高，但受美国军方管制，民间多使用C/A电码。
地面控制系统是由美国国防部JPO所控制，主要用作在追踪及预测GPS卫星轨道，控制GPS卫星状态及轨道偏差，维护整套GPS卫星〔作正常。地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站（Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成。其中监测站的功能乃在追踪卫星轨道，由接收的导航信息中，计算相对距离、大气校正数据等，并将这些资料传回主控制站，以便分析。主控制站其功能为收集由监测站传来的数据，计算出卫星星历、卫星时表修正量及电离层校止系数，同时将这些校正资讯送至地面天线传送回卫星，如此卫星便能将修正后的导肮信息广播给用户。一般而言，此导航信息每八小时更新一次。
GPS接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般用户所购买的多为单频接收器。GPS接收机是与用户关系最密切，主要目的是接收GPS卫星广播出来的定位讯号，由接收机中的运算单元，解算出用户目前位置，主要构成为接收机及天线，一般GPS接收机都是相当低价位，而只接收信号没有发射信号的功能，可提供全球24小时的定位服务，也不受天候状况的影响，由于采用展频(高速跳频)技术，更不易受到其它信号的干扰。
GPS定位系统的原理是利用卫星基本三角定位原理，GPS接受装置以量测无线电信号的传输时间来量测距离。由每颗卫星的所在位置，测量每颖卫星至GPS接受器间距离，即可算出GPS接受器所在位置的三维空间坐标值(经度、纬度和高度)。
卫星可以不断的传送轨道运行信息和由所载原子钟产生的精确时间信息，GPS接收器上有一个专门接收无线电信号的接收器，同时也有自己的时钟，当接收器收到一个卫星传来的信号时，它可以经由内部微处理机换算成所在的位置信息，便可以知该卫星离用户多远以及它的方向，但是这个位置有可能地球表面一个大圆弧上的某一点。当有两个卫星信号时，接收器算出来的位置仅是两个球状讯号交会形成的一个圆形范围，而这个圆形范围到达地球表面时会有两个交会点，因此仍只能得到粗劣的位置。第三个卫星信号会在三个球状信号中产生两个交会点，其中一个交点会到达地球表面，另外一点则在太空中卫星的另一侧，当然GPS会假定你不可能在太空那一点上。用户只要利用接受装置接收到3个卫星信号，就可以定出用户所在的位置。一般的GPS都是利用接受装置接收到4个以上卫星信号，来定出用户所在位置及高度。而当GPS连续收到5到6颗卫星信号以上时，就可以得到更精确的定位信息，每一个卫星都会产生一个不同的球状信号，接收器会自动算出所有球状讯号共同的交会点在那里，由于每个卫星发射出来的信号都不大一样，有时有时候还会失去信号，因此以其平均值来提高精确度。收到三个以上的卫星信号就可以知道用户身处何处，用户可以从卫星送出来的用户时间信号测得卫星是否仍在持续发送信号，所以GPS星接收器至少必须要能计算出位于二维空间上的垂直位置。
GPS的应用及市场前景
GPS 的基本应用就是定位与导航:全球定位系统— 顾名思义，举凡需要做地面定位的工作，均可利用GPS来完成;而导航方面，就是将GPS接收机所接收到的任何时刻、任何地点的坐标信息，即航点(WAYPOINT)，并将其储存在接收机内，重要的可将其命名，以供辨别。由于在地球表面上的任何位置，都以不同的坐标值来表示，因此只要知道两个不同航点的坐标信息，GPS接收机就可马上计算出两个航点间的直线距离、相对方位及航行速度，这就是GPS导航功能之来源。另外，把每一次航程的航点信息都纪录下来，便可构成航迹(ROUTE),航迹与内置在GPS接收机的电子地图相结合，便可产生完全意义上的导航。过去 ， GPS的应用大都集中在军事领域，随着时代之变迁，全球卫星定位系统GPS现己广泛使用于我们日常生活之中，如卫星导航系统、陆地交通运输调度、监控与导航，以及出现具有GPS定位功能个人手机(Cell Ph one)等。现在GPS的应用领域大约有以下几部分:资源调查、土地探测、调度与监控、导航与定位。
国内业界已有多家厂商投入GPS定位系统研制， 目前，业界普遍看好汽车导航定位系统市场及未来的个人手机(Cell Phone)定位系统市场，这也正是GPS定位系统研制商的未来商机所在。
