GPS的现代化研究Word格式文档下载.docx
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[Keyword]GPS;
modernizationofGPS;
C/Acode;
technicalparameter;
keytechnology;
marineapplication;
effect；
limitation
一、前言
无论是在大洋上或是在拥挤的港湾、水道中，知道自己船只的位置对船员导航非常重要。
在海上，船要在条件许可的情况下安全、经济和及时地到达目的地，就必须知道准确的位置、速度以及航向。
在船只离港或进港时，准确的定位信息就更为关键。
交通及其他水路险情使得船只回旋更为困难，事故风险也更大。
GPS的开发及其而后在航海上的运用，则能够为船舶上的船员以及港口的交管人员提供较为准确的位置、速度以及航向信息，从而降低了航海风险，使船舶航行更为安全，港岸交通流调度更为高效，为航运事业的发展做出巨大的贡献。
二、GPS的概述
（一）GPS概念和构成
1.GPS概念
GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。
GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。
其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。
经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
在机械领域GPS则有另外一种含义：
产品几何技术规范（GeometricalProductSpecifications）-简称GPS。
2.GPS构成
2.1空间部分
GPS的空间部分是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗）,卫星轨道平面相对于地球赤道面的倾角为55°
，各个轨道的升交点赤经各相差60°
，相邻轨道上卫星的升交距角相差30°
。
GPS卫星的这种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,并能在卫星中预存的导航信息。
GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。
卫星轨道平均高度约为20200Ｋｍ，其运行周期为11小时58分。
GPS卫星星座分布能保证在地球上各处同时观测到的高度角15°
以上的卫星不少于4颗，而这是GPS接收机准确定位所需要的最少卫星数GPS卫星在空间的瞬时位置作为已知参数，在绕地球运行的过程中以星历的方式连续不断地向地面用户播发。
用户通过GPS接收机接收广播信号，测量与卫星的相对距离进而确定自己在地球上的位置，实现高精度定位与导航。
GPS卫星星座的主要功能是：
（1）向用户发送定位信息；
（2）提供高精度的时间标准（铯原子钟，误差小于1秒／300万年）；
（3）接收并存储地面监控站发来的导航信息；
（4）利用星载计算机进行必要的数据处理；
（5）调整卫星姿态或启用备用卫星。
2.2地面控制系统
地面控制系统由监测站（MonitorStation）、主控制站（MasterMonitorStation）、地面天线（GroundAntenna）所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市（ColoradoSpring）。
地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。
地面控制系统主要任务是：
（1）监视卫星的运行；
（2）确定GPS时间系统；
（3）跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态；
（4）向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。
全球定位系统地面监控由3个部分组成：
1个主控站，5个监控站和3个注入站，
分布在地球上5个不同地点。
地面监控系统对确保GPS系统的良好运行状态发挥了极其重要的作用。
（1）主控站：
①采集数据、推算与编制导航电文；
②给定全球定位系统的时间基准；
③对地面监控站与注入站协调与管理；
④调整危险运动状态和启用备用卫星。
（2）地面监测站：
监测站是在主控站控制下的数据自动采集中心。
全球共有5个监测站，分布在美国本土和三大洋的美军基地上，主要任务是为主控站提供卫星的观测数据，每个监测站均用GPS接收机对可见卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况，所有观测数据连同气象数据传送到主控站，用以确定卫星的轨道参数，这些数据经过主控站处理就形成了卫星星历。
（3）注入站：
三个注入站分别设在南大西洋的阿松森群岛、印度洋的狄哥伽西亚岛和南太平洋的卡瓦加兰岛，其主要任务是将主控站发来的卫星星历、钟差信息、导航电文和其它控制指令注入卫星存储器，使卫星获得更高精度的广播信号，满足用户需要。
此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。
全球共有3个地面天线站，分别与三个监控站对应。
2.3用户设备部分
用户设备部分即GPS信号接收机。
其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，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，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。
根据这些数据，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，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。
接收机一般采用机内和机外两种直流电源。
设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。
在用机外电源时机内电池自动充电。
关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。
目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。
其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。
图1GPS各构成部分之间的关系
（二）GPS定位原理
GPS定位基本原理和方法
1.根据定位所采用的观测值
（1）伪距定位：
伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；
其缺点是观测值精度低，C/A码伪距观测值的精度一般为3米
（2）载波相位定位：
载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米；
其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题
2.根据定位的模式
（1）绝对定位：
绝对定位又称为单点定位这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业
（2）相对定位：
相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系
3.根据获取定位结果的时间
（1）实时定位：
实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置
（2）非实时定位：
非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位得方法
4.根据定位时接收机的运动状态
（1）动态定位：
在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。
也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。
（2）静态定位：
在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。
单频机（L1载波相位，C/A码）作用距离小于30Km
双频机（L1、L2载波相位，C/A码）作用距离不限
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：
[（x1-x）2+（y1-y）2+（z1-z）2]1/2+c（vt1-vt0）=d1
[（x2-x）2+（y2-y）2+（z2-z）2]1/2+c（vt2-vt0）=d2
[（x3-x）2+（y3-y）2+（z3-z）2]1/2+c（vt3-vt0）=d3
[（x4-x）2+（y4-y）2+（z4-z）2]1/2+c（vt4-vt0）=d4
四个方程式中各个参数意义如下：
x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标;
xi、yi、zi（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得;
Vti（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的
钟差，由卫星星历提供;
Vt0为接收机的钟差。
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vt0。
（三）GPS的应用范围
现实生活中，GPS定位主要用于用于对移动的人、宠物、车及设备进行远程实时定位监控的一门技术。
GPS定位是结合了GPS技术、无线通信技术（GSM/GPRS/CDMA）、图像处理技术及GIS技术的定位技术，主要可实现如下功能：
1．跟踪定位
监控中心能全天侯24小时监控所有被控车辆的实时位置、行驶方向、行驶速度，以便最及时的掌握车辆的状况。
2．轨迹回放
监控中心能随时回放近60天内的自定义时段车辆历史行程、轨迹记录（根据情况，可选配轨迹DVD刻录服务）。
3．报警（报告）
（1）超速报警：
车辆行驶速度超出监控中心预设的速度时，及时上报监控中心。
（2）区域报警（电子围栏）：
监控中心设定区域范围，车辆超出或驶入预设的区域会向监控调度中心给出相应的报警。
（3）停车报告：
调度中心可对车辆的历史停车记录以文字形式生成报表，其中描述车辆的停车地点、时间和开车时间等信息，并可对其进行打印。
（4）地图制作功能:
根据查看需要，客户可以添加修改自定义地图线路，以更好服务企业运行。
5．里程统计
系统利用GPS车载终端的行驶记录功能和GIS地理系统原理对车辆进行行驶里程统计，并可生成报表且可打印。
6．车辆信息管理
方便易用的管理平台，提供了车辆、驾驶人员、车辆图片等信息的设定，以方便调度人员的工作。
7．短信通知功能
将被控车辆的各种报警或状态信息在必要时发送到管理者手机上，以便随时随地掌握车辆重要状态信息。
8．车辆远程控制
监控中心可随时对车辆进行远程断油断电，锁车功能。
9．车载电话
车载电话可以象普通手机一样拔打电话，调度中心可对此电话进行远程权限设置，即呼入限制、呼出限制、只能呼叫指定的若干电话号码。
10．油耗检测
实时监控车辆的油耗变化，并生成历史时段油量变化报表或油量曲线图，进而直观反映出油量的正常消耗与非正常消耗及加油数量不足等现象，达到油耗高水平管理，杜绝不良事件的发生（需搭配油量传感器）。
11．车辆调度
调度人员确定调度车辆或者在地图上画定调度范围，GPS系统自动向车辆或者画定范围内的所有车辆发出调度命令，被调度车辆及时回应调度中心，以确定调度命令的执行情况。
三、GPS的现代化
（一）GPS现代化的含义
GPS现代化的提法是1999年1月25日由美国副总统以文告的形式发表的。
当时文告中只讲到了几项民用GPS导航技术的改进和发展，但其整个GPS现代化的目的，却是要加强GPS在美军现代化战争中的支撑作用和保持其在全球民用导航领域中的领导地位。
随后在媒体上发表的有关文章中均阐明了它的内涵：
一是保护，GPS现代化是为了更好地保护美方和友方的使用，因此要发展军用M码，强化军用M码的保密性能，加强抗干扰能力；
二是阻止，即阻挠敌对方的使用，施加干扰；
三是保持，即保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。
（二）GPS现代化的背景
1、GPS存在的缺点：
美国国防部于20世纪70年代建立的全球卫星定位系统（GPS）最初主要是为了满足军方用户导航定位的需求，但由于民用市场上存在着巨大的收益，在20世纪80年代初，美国国防部与交通部决定将这一系统建设成为军民两用的定位、导航和授时系统。
随着GPS的应用领域不断深入，当前GPS的弊端也不断地显现出来。
（1）单一采用L1上的C／A码进行伪距单点定位精度太低，难以满足高精度民用导航的需求。
C／A码是美国国防部惟一公开结构的测距码，其测距精度为±
3111左右。
实验表明，在没有SA政策影响时，采用C／A码测量所确定的2维点位精度只能达到±
15111左右。
P码虽然有着较高的精度，约为±
30cm，但是由于AS政策，P码与严格保密的w码模二相加形成了绝密的Y码，只有美国军方及其特许用户才能利用P码测距，一般的民间用户则只能用C／A码。
（2）在载波相位测量中，L2载波重建依赖L1信号，但质量不是很理想。
载波的波长比测距码的长度要小得多，如果把载波当作测距信号来使用，就可以达到很高的测量精度。
由于GPS信号上已经调制有测距码和导航电文，所以在测量载波相位之前，要将载波上的测距码和导航电文去掉，进行载波重建。
从而产生了一系列包括码相关法、平方法、互相关技术以及Z跟踪技术等载波重建的方法。
上述方法中，码相关法只能恢复L1载波（由于L2上没有结构已知的C／A码），平方法只能恢复L1与L2上半波长的载波，互相关技术与Z跟踪技术虽然可以完全恢复L2载波，但是它们都依赖于L1信号，其载波重建的质量就会不可避免地受到L1信号的影响。
由于L2载波重建的质量不高，在实际的应用中，L2上更容易发生周跳，由平方法恢复的L2载波的整周未知数很难确定，在利用电离层双频改正模型中，精度也受到了L2载波恢复质量的制约。
（3）当前星历的有效期短且外推精度低。
GPS星历包括6个开普勒轨道参数，9个轨道摄动参数和2个时间参数，它们是通过地面站外推计算求得后再注入卫星的，其误差随着外推时间的增长而增大。
鉴于此，地面监控系统必须每天更新星历和星钟数据。
一旦地面监控系统瘫痪，整个GPS系统也无法保持正常工作。
（4）GPS信号易受干扰。
现在的GPSL1信号以fL1（1575．42MHz）为中心频率，其中C／A码占有以fL1为中心的2．046MHz的频带宽度，而P码则占有以fL1为中心的2O．46MHz的频带宽度。
显然，在C／A码2．046MHz的范围内受到干扰的话，以美国军方为主要用户的精确测距P码也会受到干扰。
GPS现代化针对上述问题提供了一套较为理想的解决方案。
总体上说，GPS现代化的具体内容，就是在L2上增加一个民用码（L2C／A）；
增加一个第三民用频率L5；
GPS信号系统实现军民分离以及对地面控制系统进行升级。
2、美国GPS的世界霸权地位受到威胁
（1）1995年底，俄罗斯的GLONASS星座宣告部署完备。
该系统虽然本质上仍是一种军事系统，但同时也可提供民用服务。
然而与GPS不同的是，该系统没有实施类似于GPS选择可用性那样的政策，因此其民用精度要高于GPSSPS在有选择可用性情况下所提供的精度。
虽然民用GPS接收机已在全世界范围内大量推广并占有了绝对优势的市场地位，但由于GPS的选择可用性及反电子欺骗（AS）政策的负面影响，不仅为卫星定位用户选择GLONASS提供了难得的机遇，而且也动摇了GPS的霸权地位。
与此同时，欧盟也从自身的利益考虑，曾筹建民用卫星导航系统GNSS。
尽管受到美国的重重阻挠，但还是最终提出了伽利略计划。
这是打破美国对卫星导航系统的垄断地位并且向民用发展的又一重要步骤。
（2）导航战的需。
GPS在海湾战争中的实际表现及新近出现的信息战争的学说改变了美国军方以前对GPS作用的传统看法。
他们现在认为，GPS的定位和授时资源，不仅可用于交通运输，而且对军事战争中的目标瞄准以及精确武器投放、指挥与控制和通信系统尤为重要。
同时这些作战手段对GPS的精度和反电子对抗能力提出了更高要求。
为此，1996年美国建立了GPS导航战计划。
事实上，美国军方认为：
GPS可视为能被敌方利用来反对美国及其盟国的利器，并且GPS特别容易受到敌方的干扰：
选择可用性政策是用来粉碎和瓦解敌方利用GPS来对美国及其盟国造成威胁的措施，但差分GPS系统可使其失效。
因此，美国国防部需要开发一些手段．防止敌方利用GPS及其增强系统，以确保美国在军事方面的绝对优势，但又不能中断或降低民用服务。
从上述分析可以进一步充分证明美国实施所谓的GPS现代化划，实质上是顿应卫星导航技术及系统的发展形势，更新已经失效的选择可甩I生政策，并为谋求卫星导航的世界霸权地位和确保其军事优势，从导航战的要求出发进行的一场GPS导航战技术革命。
（三）GPS现代化的目标
GPS的标准定位服务（SPS）是指在世界范围内，免费为民用、商用和科研等和平利用的用户提供卫星信号。
目前，GPS标准服务只由L1信号上的C／A码提供。
在取消选择可用性（SA）后，将增加民用信号，大幅度提高受控民用服务的精度、稳定性和可靠性。
GPS的精确定位服务（PPS）则专为美军及其盟军提供服务。
在民用有选择可用性的情况下，PPS的精度远远高于SPS。
在民用系统增强后．为了不致使得益于GPSPPS的美国及其盟军的军事优势受到削弱．美国确立了GPS现代化的军用目标：
既能使军用服务信号及系统不受敌方的干扰和破坏．确保美国及其盟军军事行动区的军用服务，又能对民用信号进行控制，防止敌方利用GPS及其增强系统，并保证不会使合法的和平利用的民用中断或降级。
这就是美方通常所谓的三个目标：
确保军事行动区的军用服务；
防止敌方利用GPS；
维持军事行动区以外的民用服务。
GPS联合执行部门的首席会议于1997年召开，会议的主要议题是：
为广大的民用和商业用户改善服务，需要增~HGPS的民用信号。
会议最后同意在一年之内确定一种民用频率。
美国军方已经努力把民用和军用的需求结合起来，修改GPS运作规程（ORD），这为GPS现代化计划奠定了基础。
（四）GPS现代化的技术改进
1.L2上增加的C/A码
L2上增加的C/A码有利于高质量地重建L2载波，这对于双载波相位测量而言有十分重要的意义。
在GPS现代化后，接收机可以高质量地获取双频伪距和双频载波相位观测值。
L2上增加的C/A码，提高了L2载波重建质量，减少了L2上发生周跳的可能性，同时也缩短了求解整周模糊度的时间。
2.加入第三民用频率L5
由于考虑到地面雷达等设备会潜在地干扰GPS接收机对L2信号的跟踪，因而仅仅在L2上加入C/A码难以满足民航部门涉及生命安全应用的需要。
鉴于此，GPS现代化计划加入第三民用频率L5（1176.45MHz）。
L5最初将在BLOCKIIF型卫星上发送，其发射功率将会比当前的L1信号提高约6dB，并且被分为同相数据通道（I）和正交无数据通道（Q），这样的设计能提高信号的抗干扰能力。
对于测量用户而言，利于L1,L2,和L5信号的不同线性组合，这将更加有利于整周模糊的确定。
此外，我们还可以寻找出某些既有合理波长，又具有较小的测量噪声，同时电离层影响相对较弱的线性组合，这将有效减少整周模糊的搜索时间，提高定位精度。
利用现代化后的三频GPS信号长基线上RTK应用的优势也是相当明显的。
如图1所示，单基准站RTK应用的可靠性与可获得的信号数量成正比，与基线长度成反比，基线长度是影响基线解算的重要因素。
虽然在30km长的基线上利用三频GPS信号的可靠性可达98%，但如果同时利用GPS与Galieo两个系统，无论是双频还是三频，其可靠性都还会有较大的提高。
这说明在单基准站的数据处理中，可靠性的提高依赖于导航系统的数量。
如图2所示，利用相距90km的两个虚拟参考站（VRS）上的三频GPS数据在50km长的基线上的可靠性与同时利用GPS与Galileo两个三频系统得到的可靠性几乎一致，大大高于双频的可靠性。
这意味着在虚拟参考站的应用中，现代化后GPSL5载波对可靠性的提高将会起到至关重要的作用。
四、GPS在航海上的应用
卫星技术用于海上导航可以追溯到60年代的第一代卫星导航系统TRANSIT，但这种卫星导航系统最初设计主要服务于极区，不能连续导航，其定位的时间间隔随纬度而变化。
在南北纬度70度以上，平均定位间隔时间不超过30分钟，但在赤道附近则需要90分钟，80年代发射的第二代和第三代TRANSIT卫星NAVARS和OSCARS弥补了这种不足，但仍需10至15分钟。
此外采用的多仆勒测速技术也难以提高定位精度（需要准确知道船舶的速度），主要用于2维导航。
GPS系统的出现克服了TRANSIT系统的局限性，不仅精度高、可连续导航、有很强的抗干扰能力；
而且能提供七维的时空位置速度信息。
在最初的实验性导航设备测试中，GPS就展示了其能代替TRANSIT和路基无线电导航系统，在航海导航中发挥划时代的作用。
今天很难想象哪一条船舶不装备GPS导航系统和设备，航海应用已名副其实成为GPS导航应用的最大用户，这是其他任何领域的用户都难以比拟的。
（一）功能划分
GPS航海导航用户繁多，其分类标准也各不相同，若按照航路类型划分、GPS航海导航可以分为五大类：
远洋导航；
海岸导航；
港口导航；
内
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