全球定位系统(GPS )的最新进展(上)
胡明城
(中国测绘科学研究院,北京100039)
【摘要】首先分析了G PS 观测的主要误差源。其次,叙述了空基(星载)GP S 的科学应用,其中T OP EX 和M icr oL abe 任务都是成功的范例。关于G PS 对于气象学的应用(G PS/M ET )方面,比较详细地介绍了地基GPS /M ET 和空基(星载)GP S/M ET 的最新进展,二者处于GP S 的最新进展的前沿。
【关键词】无线电掩蔽技术;临边探测;映射函数;动态GP S 定位;GPS 用于气象学GPS /M ET ;地基GPS /M ET ;空基(星载)GP S/M ET
【中图分类号】P 228.4 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307(2000)04-54-58
1 概 述
作为现代地学研究工具的GPS ,经过了20世纪80年代10个年头的试验研究,90年代初出现了利用GPS 的精密大地测量,此后它的全球应用呈现生气勃勃之势。详细列举GPS 的应用领域是比较困难的,总的说来,可以分为一般应用和科学应用两个方面。如以10cm ～1m 的精度为逼近机场的飞机导航和海岸船只领航,协调公路和铁路运输,为城市车辆导航,为普通测量、城市测量和工程测量提供控制及一些政府职能部门的专业测量,属于GPS 的一般应用。GPS 大地测量在科学应用方面,包括了地学的广泛领域,如地壳构造学、地球自转、海洋学、地震学、冰川学、气象学、全球气候、水文学和生态学等。所以说GPS 是现代地学的研究工具。
GPS 用于测定地球自转参数的结果,证实GPS 的应用不限于区域范围,用于全球可以与其它空间大地测量技术媲美。全球GPS 网测定地球自转参数的精度与VLBI 和SLR 的相同。具有稳健全球覆盖的GPS 网,同VLBI 和SLR 一样,可以经常提供地球自转信息,达到了半日的分辨率,而费用比VLBI 和SLR 低得多。
GPS 在估计目前全球构造运动和保持全球参考标架中起着主导作用。GPS 用于监测区域地壳形变最为理想,特别是沿着板块边界和形变模式复杂的区域。这不仅是因为它的应用的灵活性,而且是因为它的直接测量结果是相对运动,而相对运动正好是人们研究的对象。在这一方面,GPS 大地测量阵
列(PGGA)起到了脊梁的作用。
美国NASA/JPL 一直在处理GPS 数据,由此得出了每一GPS 站的对流层天顶延迟,并作为其副产品。这种数据在消去了与地面气压成比例的对流层干延迟之后,残余的湿延迟是对流层水汽含量的函数。这种湿延迟提供了全球30个GPS 站历时两年的大气层可降水汽接近于连续的估值,可以用它来研究作为地理和区域气候之函数的水汽的周日变化以及季节变化。根据某一时期的水汽变化可以研究气候的变化。
由于GPS 观测可以提供大气层水汽精确的全天候测量结果,美国于1993年在中部地区布设了一个GPS 网,实施一项所谓GPS -STORM 计划,探索GPS 观测结果在气象学中的应用。
将此网的GPS 观测结果同由水汽辐射仪(WVR)结果推算的可降水分作了比较,两者之间的符合度是1-2m m 。在雾、露、雨等足以降低WVR 性能的条件下,GPS 观测结果仍然可靠,其时间和空间尺度比目前无线电探空所能提供的要精细得多。如果由地面GPS 站所得的可降水分的估值能在实时后1～2小时内提供给气象部门,对气象学就很有价值。于是出现了地基GPS /MET (Earth based GPS M eteoro log y)。由于GPS 硬件价格迅速下降,卫星上自动定位、授时和姿态测定的需要日增,人们普遍认为,对今后的低轨道卫星来说,GPS 接收机是必需的工具。因此,地面基准GPS 接收与星载GPS 终于实现了机协同工作,它有两类用户:一类是用于GPS 导航,只需要中等质量的接收机;二是用于科学目的,
收稿日期:2000-09-15
第25卷第4期2000年12月 测绘科学Science o f Surv eying and M apping Vo l.25N o.4D ec.,2000
要求高质量的双频接收机。
第一次星载GPS的科学应用是支持T/P海洋测高任务,获得了四方面的成就:第一,提高了定轨精度;第二,精化了全球重力场模型;第三,把一般的差分GPS技术发展成为全球差分GPS技术;这一概念是NASA/JPL提出的;T/P的差分GPS系统是由全球GPS跟踪网中的少数测站、一台星载GPS 接收机、GPS全星座和一个分析中心组成;第四,进行了高—低模式的卫—卫跟踪试验。星载GPS用于支持T/P任务的成功,为今后更有雄心的空间大地测量任务铺平了道路。
利用GPS可以探测大气层的各不同部分,视GPS数据的获取方式和处理方式而定。在典型的地面GPS接收机的布局中,可以推断边界层(高度0 -1km)水汽的水平分布和对流层(高度0-10km)总可降水汽含量。如果把GPS接收机放在低轨道卫星上,就可以分辨平流层和中间层下部(高度10-50km)以及更低处的温度结构。由GPS两种频率观测结果之差,可以估计电离层(热层下部,高度80km)中的离子含量。低轨道卫星上的GPS接收机,可以克服到达热层的困难,现场间接测定温度和密度。利用低轨道卫星上的GPS接收机探测大气层和电离层,也称为对大气层和电离层进行遥感,因为这时接收机的作用同遥感器一样。
NASA/JPL的一个研究组建议利用一载有GPS接收机的低轨道微卫星,于GPS卫星上升和下落之间在大约5km和30km的高度范围内(掩蔽区)进行观测。这时低卫星上的接收机与GPS卫星发射机之间的电联系掠过掩蔽区时,信号路径将发生弯曲,这种弯曲可以转换为掩蔽区大气折射本领的垂直剖面。在对流层的下半部,由于水汽的含量高,可由折射本领求出精确的水汽剖面。这就是星载(或空基)GPS/M ET的概念。由于GPS卫星是在地球边缘上升和下降,这一技术称为临边探测(Lim b Sounding)。由于所观测的是水汽朦胧的对流层下半部,低卫星接收机与GPS卫星发射机的电联系线称为在对流层受到掩蔽,这种观测方式也称为无线电掩蔽(Radio Occultation)技术。
为了对NASA/JPL的建议进行试验,美国于1995年发射了一颗载有GPS接收机的微卫星M i-cro Lab-1。试验获得了成功,又一次证实了星载GPS用于科学目的的潜力。这是今后若干年内GPS 的主要发展方向。
空间大地测量的崛起,使传统大地测量发生了巨变;而空间大地测量中以GPS的应用最为广泛,它的贡献也最大。令人遗憾的是,GPS是受美国军方控制的,对GPS卫星所施加的SA措施,为GPS 的科学应用制造了不少麻烦,引起了全球科技界的强烈不满。因此,国际上采取了对策。首先是俄罗斯于1989年初开始建立全球导航卫星系统(GLONASS)。如前文所述,在该系统接近完成时, 1998年9月至1999年4月进行了国际GLONASS 实验,由欧洲GPS定轨中心负责所有运作的GLONASS卫星的精密轨道计算。经与SLR的观测结果比较,证实GLONA SS卫星轨道精度达到了20cm。另一方面,欧洲也在计划建立称为GALILEO 的欧洲卫星定位系统。这些都是对美国GPS的挑战。
在国际竞争的形势下,白宫于1996年3月预告了克林顿总统的决定,据说将在4～6年以内停止对GPS卫星施加SA措施。2000年5月1日正式宣布这一决定。但有保留条件:当国家安全受到威胁时,在某一个基本区上可以有选择地节制GPS信号。这种区域性节制导航服务的方法是通过SA技术”。
美国海军于1995年7月把GEOSAT/GM测高数据全部解密,是在欧洲的ERS-1足以与GEOSAT/GM抗衡,而且公开供国际地学界从事科学研究之用的情况下,迫于形势,不得不采取的行动。因此,美国军方停止干扰GPS,不是什么善举,而是竞争的结果。
目前GLONASS已有了精密轨道,欧洲的GALILEO(European Satellite Positioning System)正处于整个系统的设计阶段。美国从GPS所获的收益是可观的,为了保持和加强它的竞争力,GPS将要进行现代化改造,主要是要增加8颗另外的卫星,其中有些已作了发射准备,有些正在生产中。GPS、GLONASS和GALILEO合称为全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Sy stem,缩写为GNSS),IAG宣称它们在大地测量学和地球物理学所有领域中都将获得广泛的应用。
2 GPS大地测量的误差源
进入20世纪90年代,GPS大地测量有两大发展:其一,常规的差分GPS发展为广域差分GPS,进而又发展为空间差分GPS。其二,GPS大地测量阵列(PGGA)的大发展;日本PGGA包括的测站数超过了1000个,为全球之最;美国加州南部的PGGA 已成为该地区密集的整体网的骨架,很快将包括
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250个站。但是,GPS大地测量的数据受到多种复杂误差源的污染,而且这些观测误差很少服从正态分布。即使有些特定的减小观测误差的措施得到了广泛应用,例如各种各样的差分GPS方法,但在某些环境下,仍然存在某些模式的观测误差,例如在监测露天矿井的多路径延迟误差和处理长基线的残余电离层折射误差。以下讨论GPS观测的一些主要误差源。
2.1 多路径误差
在GPS大地测量中,多路径带来的后果比通常想象的小。常设GPS站上双频相位拟合后的均方根残差一般小于5mm,虽然在恶劣的环境下峰值可以达到了3cm或更大。这说明相位观测值所受到的影响比较小。多路径信号规则的波动,连同长积分时间,可以把多路径误差减小到不足重视的程度。J. Genrich指出,一个站上观测30分钟,通常可以使多路径误差小到亚m m;观测10分钟,即使在困难条件下,也足以保持1mm的质量。在迅速静态和动态GPS定位中,要求在有反射的环境下得出短期解,最易受到多路径延迟的影响;在短距离的双差GPS观测中,多路径延迟成为主误差源。为了消减瞬时多路径误差,人们偏重于抑制测站上的反射,少数研究偏重于设计信号处理技术,使其对于达到接收机的反射的敏感度为最小。在短距离双差GPS观测的情况下,减轻多路径误差的主要困难,在于如何建立模型;由于这种误差是许多反射信号的混合,利用现有的参数方法很难建立模型。最近10年来发展了半参数模型,它是一种新的数学工具。在此模型中,多路径误差可以认为是一种复杂函数,利用pe-nalised最小二乘原理,同时估计函数和其他参数(例如站坐标)。试验结果表明,多路径误差可以消减到接收机噪声的量级。
2.2 对流层路径延迟
对于比1cm更长的所有无线电波,对流层折射影响是一样的,所以GPS和VLBI观测结果受到同样影响,产生路径延迟。这种影响是不能直接在无线电系统中消去的,限制着GPS观测的精度,特别是高程的精度。
对流层路径延迟分为干延迟(流体静力延迟)和湿延迟(水汽延迟);前者对于气压最敏压,后者对于对流层水汽含量最敏感。利用微波水汽辐射仪(WVR),可以测量水汽含量,据以计算湿延迟。天顶干延迟约为2m;利用标准大气模型,由气压数据易于把它求定到1mm。
为了将天顶延迟换算为视线方向的延迟,需要利用映射函数(M apping function)。干延迟对于流体静力平衡的差异,导致天顶延迟模型不精确;在某些动力情况下,误差可以达到几毫米。这种对于对流层静力平衡的差异有一个相关长度,当基线长超过了相关长度时,延迟误差将使位置水平分量产生几毫米的误差,高程分量误差更大。
湿天顶延迟由5cm(在干冷条件下)至50cm(在热带条件下)。水汽不是处于流体静力平衡,由现场气象观测推算总水汽延迟是行不通的。因此,对流层水汽成为GPS和VLBI观测的主要误差源。处理对流层水汽问题目前可行的技术有二:一是把天顶延迟作为随机过程来建立它的模型;二是利用WV R 进行检校。由于水汽延迟模型不精确或WVR检校不精细引起的基线水平分量误差由几毫米到1厘米,这取决于所采取的措施、局部气象条件和基线长度。在这样的量级上,水汽的相关长度在许多地区都在100km以内。高程分量的误差是水平分量的3倍。随机模型估值与WVR观测作了比较,两者的符合度为8-15mm。利用WVR时,要指向GPS卫星,随机天顶延迟估值的能力,几乎使无指向的W VR数据失去了价值。指向GPS卫星的WVR数据,其50km基线上高程分量精度比只用随机估计改进了40%。但W VR的高价格可能限制它的应用。V.M endes等人比较了14种天顶延迟映射函数,发现当高度角在20°以下时,它们之间有显著的互差;为了鉴别在不同测站和不同季节最适宜的映射函数,需要作进一步研究。
关于以1m m的水平分量精度为目标来处理水汽问题的策略,目前尚无一致的意见;主要原因在于,作为地点、季节和当时气候条件之函数的水汽延迟的空间和时间变化尚未了解清楚。目前由已建立的一些常设PGGA提供的数据,可以用来定量地分析水汽易变性的谱性质,以深化这一方面的认识。要想由WVR检校得出1mm的基线水平分量精度,是一项严峻的技术挑战,目前的双道WVR需要加以扩充。
水汽产生的湿延迟原来是作为有害参数处理的。所谓随机估计,就是采用卡尔曼滤波技术,这时除了输出大地测量参数之外,也输出对流层湿延迟,作为副产品。由于这种湿延迟与可降水汽之间存在简单的关系式。IGS网的扩充,为利用GPS接近于连续地测量地球上任一地点的可降水汽提供了可能性。这种可能性使得GPS可用于建立数值天气预报
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模型。这样,GPS就与气象学发生了关系,本来是有害参数的水汽成了信号,还出现了地基GPS/M ET 和星载GPS/M ET。前者只能给出地面上方可降水汽的总值;对于许多科学应用来说,知道水汽的垂直分布是极其重要的。星载GPS/M ET由不同的途径提供水汽垂直分布:位于卫星轨道上的GPS接收机可以追踪通过大气层的GPS信号不断变化的相位,得出大气层密度、压力以及对流层上部和平流层的湿度或对流层下部的水汽的精确垂直剖面。
2.3 电离层影响
GPS卫星信号在地面上被接收之前,必须通过弥散的电离层,从而就引起了定位误差;它取决于信号频率和电离层电子含量,是GPS定位误差的最大来源之一。由L1和L2双频相位观测的组合,来消除取决于频率平方的电离层折射分量,这是已经用了很多年的方法。目前研究的重点是仍然存在于双频观测中的更高阶影响方面,这些影响归因于电离层和地球磁场之间的相互作用,归因于波束路径的弯曲。在某些情况下,更高阶影响可能超过1cm,典型值是1-3m m。F.K.Brunner等人提出了改进的双频检定技术,据说可以把更高阶误差减少90%。来自GPS全球网丰富的数据源,促进了电离层测绘的新进展。目前GPS电子测绘依靠各台接收机每天扫出一电离层带所得的总电子含量(TEC)的局部观测值。采用一有格网的TEC模型进行随机的局部TEC平差,然后就得出演化中的全球电离层影像。
在精密差分GPS实时定位中,电离层折射起着关键作用。在接近太阳活动高峰期时(最近的一次是2000年夏季),电离层总电子含量变化更为显著,必须解决初始相位不定性问题。为此,可以利用全球和区域总电子含量图来建立平均电离层折射模型。欧洲GPS定轨中心编算这种图,可以索取。
2.4 参考标架误差
IGS负责分发来自全球网的所有数据、全球一致的GPS轨道和精确的站坐标。从事区域研究的人员不必布设基准网或自己计算轨道,摆脱了当基准站变动时对于参考标架变化的依赖。据M.Heflin 等人报导,一日的全球站位置的重现度约为14mm。所公布的全球参考标架绝对值精确到约1cm。当GPS向着亚cm全球大地测量目标前进时,参考标架还有改进的余地。为了产生GPS卫星的高精度星历,需要有精密的力模型。包括太阳的辐射压模型和地球照射GPS卫星所产生的GPS辐射力模型。当卫星经过地影时,轨道精度降低,人们对GPS辐射力模型产生了怀疑,还发现了一种较小的未建立模型的力,称为Y偏差,于是在卫星姿态子系统中有一0.5°的Y偏差纠正装置,使卫星食期间的轨道精度有明显改进。
测站标志的不稳定性威胁着参考标架的完整性和所检查的地球物理信号的真实性。测站标志稳定性就全球GPS测量来说,只给予了适度的关心;但就美国洛杉矶的常设PGGA来说,则是头等重要的问题。这个PGGA的站间距离是5-10km,在一年以内可以检测0.2m m/年的应变率。该阵列的科学组对长期标志稳定性规定了一个临时目标0.5mm。像降雨引起的土壤膨胀和缓慢冲击等局部影响,即使是坚固的标志在几月或几年内也会引起几毫米的扰动。由于过度抽水引起的地层沉降,可以使标志变化几厘米。即使在比较稳定的地区,在几年期间也可能出现起因于流体抽取或干旱引起的毫米级的非构造下沉。需要以密集网所要求的亚毫米级精度检测站的稳定性。为此,GPS可能是有效的工具。据P. Elo segui的报导,在不足100m的基线上,只要有几小时的数据,测量精度约为0.1mm,与NASA/ JPL80年代末的结果一致。在靠近的标志上作长期GPS观测,可以解决洛杉矶PGGA目前出现的某些问题。
2.5 GPS信号折射和散射的影响
在精密GPS定位中,如果天线地平的上方存在障碍物,就会产生GPS信号折射。这是一种普遍的误差源。每当直接信号受到阻碍,折射信号被接收,而且进行了处理,就会发生这种情况。当折射信号传播的时间较长时,将引起若干厘米的载波相位误差。所有折射信号的共同特性是,它们的强度比相应的直接信号弱。为了减轻信号折射对GPS信号处理的影响,即对初始相位不定性解和坐标估计的影响,试验了几种加权和选择算法。这些算法是基于观测的信号强度水平(例如F.K.Brunner1998年提出的SIGMA-Delta加权算法),或者是基于估计的观测残差。自动检查折射影响和处理观测数据的能力会显著地改进初始相位不定性解和GPS位置精度。
在一GPS观测试验区,在水平距离只有2.2m 的两站上作GPS观测,两天线分别安装在1m高的水泥墩上和标准木三脚架上。由数据分析看出,相位残差系统地与高度角有关。因此,用试验数据作了高度角载止值试验,证实站位置的高程估值对于所分析的数据的高度角截止值是敏感的,例如,当高度角截止值由10°增加到25°时,站位置的高程估值变化
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9.7±0.8mm。根据简单的多路径模型,用一个水平反射面作了模拟,证实了由高度角截止值试验的结果和残差相对于高度角的模式,只要把反射面安置在天线相位中心之下0.1～0.2m。因此,假定与高度角相依的误差是由位于天线相位中心之下约0.2m 的水泥墩子水平顶面的散射引起的,把吸收微波的材料以若干种布置方式放在天线和水泥墩之间,再分析天线与位置的变化。结果表明:第一,水泥墩水平顶面确实是主散射面;第二,水泥和嵌入在墩子中的金属板都是重要的散射源;第三,采用吸收微波的材料,可以大量消减散射。这一试验结果对于采用水泥墩—天线的GPS站有重要意义。
2.6 大气压力负荷和大洋潮负荷的影响
大气压力负荷引起的地球形变信号,在GPS站的高程估值已被检测出来了。大气压力变化引起的地面位移占GPS高程估值总方差的24%。在高纬度处,气压变化最大,检测出的负荷信号也最强。大气压力负苛会使GPS高程时间序列产生噪声;甚至GPS测定的高程的每周解在所研究的70%以上的测站都与大气负荷相关。对于大气压力负荷迄今已进行了以下的研究工作:第一,比较了利用各种不同的气象数据集所得的解,来研究较大信号的原因;因为现在发现,大气负荷影响比原来推测的大。第二,由IGS欧洲定轨中心的每日解、全球的每星期解和NASA/JPL的全球每日解,提出了一年的GPS高中负荷影响的分析;初步结果表明,负荷影响在全球解中更为显著,这是因为在较小的网中,负荷在网中与测站间距相干。第三,将考虑大气压力负荷对GPS定轨的影响,采用的方法是,就一个月的GPS 数据顾及和不顾及压力负荷改正来计算轨道。
地壳和地幔都会发生大洋潮负荷形变。这种形变还以复杂的方式产生空间变化。这是因为一地点的形变取决于地壳和地幔的流变性以及大洋潮相对于地点的空间分布。为了给精密地球物理测量和大地测量提供大洋潮负荷效应改正,必须建立精密的大洋潮负荷效应模型。例如,利用GPS进行高精度的高程测量,就属于精密大地测量。已用最新的大洋潮模型推算了新的负荷效应模型。
随着连续运作的GPS跟踪站的扩充和从GPS 观测估计站位置高程分量的改进,为直接观测大洋潮负荷对高程的影响提供了唯一机会。由这些常设GPS站的长期连续记录,可以获得观测结果相对于大洋潮驱动力的相干积累。虽然GPS观测中的大气层和多路径效应与大洋潮负荷效应的量级相当,但它们的周期与大洋潮负荷的不同。美国N OAA有一估计一些站上大洋潮负荷的计划,选择了两条基线:一是从加拿大钮芬兰的圣琼斯到阿尔贡昆,另一从美国里士满到阿尔贡昆。这两条基线的初步结果看来富有希望。在里士满,与由现有大洋潮负荷效应模型得出的高程变化估值符合良好。在圣琼斯,高程变化也符合良好,但有3小时的相位滞后。这一方法推广到全球是可行的。这些结果对于全球、区域和局部GPS数据处理都具有重要性。
2.7 GPS天线相位中心变化对高程精度的影响
一测站上利用GPS定位精确测定其位置的一点,假设为GPS天线的相位中心;它既不是一个有形的点,更不是一个稳定的点。相位中心随着来自卫星的信号的方向而变化。因此,相位中心的变化是复杂的,它还取决于天线的类型。当同时使用不同类型的天线时,必须周密地减轻这种影响。忽视相位中心变化,会导致严重的高程误差。当基线两端采用同类型的天线,如果基线短到几公里,而且数据处理中不需要估计对流层参数,则GPS的相位中心位置及其变化无关重要。这些假设不是经常能满足的,例如,把常设GPS跟踪站(如IGS跟踪网的站)包括到局部网中,往往会导致各种类型的接收机和天线的混合。在处理混合的基线时,要求很好地知道混合网所包含的各种类型天线相位中心的情况。瑞士提出了利用双差相位观测的两种顾及取决于天线高和方位角的相位中心变化模型,并输出到Bernese GPS Version3软件中。考虑到IGS网将要加密,接收机/天线的组合问题越来越重要了。
已利用NSA/GSFC的无反波实验室检验了大地测量所用的各种天线的性能特征。作为天线高和方位角之函数的天线相位中心、振幅和相位反响的测量结果表明,不同类型的天线之间有很宽的变化范围。如果没有正式文件记录所用天线的确切类型,天线安装在测量标志上方的方式,以及天线的结构,就不可能从数据中消去天线的影响。重新分析了用大量不同的双频GPS天线所测量的数据,由此求定了每一天线的最佳拟合相位中心。 (未完待续)
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structur e chang e occur r ed in t he rura l-ur ban fring e,t he techno log y o f r emot e sensing(R S)and geo gr aphical info r-matio n system(G IS)pr ovide pow erful to ols.By using R S imag e,t hem atic map o f land-use o f a city is o bta ined.T hen w e use G IS to a nalysis the land-use structur e and the rule of spat ial dy namic change.Dur ing t he r esear ch,Shenzhen has been select ed as the study ing case.Based o n the T M imag e, the new building-up area and o ld building-up urban ar ea can be r eco g nized.T her e ar e tw o patter ns of spatial spra wling of building-up ar ea,the fir st is spread fo rm a po int,w hich for m a cir cle-liked r egion,the later is along an axis and for m a band r egion.A ctually,a t ow n o r a traffic line is of-ten the center o f spr ead center.T o g et the r ule o f distribu-tio n of building-up area,buffer mo del is ado pted.Nine to wns a nd one ro ad is selected to measure the building-up ar ea spr awling.U sing buffer model pr ov ided by G IS,t he pro po rt ion o f building-up ar ea at differ ent dist ance band fr om the city center and t he r oad is obtained.T he conclu-sion can be dra wn that the max im um spatial effect distance of a t ow n is abo ut2.0km.Consider ing the effect o f the ro ad linking t wo cities,the shape of t he building-up ar ea sho uld looks like a dumbbell,w hich is pr ov ed by using buffer mo d-el.
Key words:the r ural-ur ba n fring e;ur ba n land-use spr aw ling;buffer model;Shenzhen
WA N G Hu,L IU Y u(Depa rtment o f Geo gr aphy, Peking U niv ersity,Beijing100871,China)
Study on Application of PLS in Correlation Analysis be-tween Geographical Parameters and Economical Develop-ment Parameters
Abstract:I n this paper,the cor r elation analy sis be-tw een geo gr aphical par ameter s a nd econo mical dev elo pm ent paramet ers based on t he da tabases of geo gr aphical par ame-ters and eco no mical development par ameter s is inv estig ated w ith PL S.T he theor etical and ex per imental results indicate that PL S r egr ession met ho ds are quite feasible and effec-tiv e,and they can meet the needs o f quantita tive analysis of g eog r aphical paramet ers and eco no mical par ameter s.
Key words:geo gr aphical pa rameter database;economi-cal development pa ramet er dat aba se;co rr ela tio n;par tial least-squa re r egr ession;r eg ression coefficient
D ON G Chun,W U X i-zhi,CHEN G Bo(Chinese A cade-my of Sur veying and M apping,Beijing100039,China)
The Design of Landuse Remote Sensing Dynamic Monitoring Map Decoration
Abstract:In the pr oject of landuse remo te sensing dy-namic mo nitor ing,la nduse mo nito ring map is o ne o f t he im-por tant achiev ements.T his paper focuses on a fr ondose m et hod o f deco rat ion of landuse map,pro bes into the m et hod,and gives ex pr ession to essential facto r s and assis-ta nt elements o f the map,accor ding t o the pr oject's de-mands.
Key words:landuse remo te sensing dy namic monit or-ing;map deco r atio n;cha ng e infor mation
M A Jing(Chinese Academy o f Sur vey ing and M a pping, Beijing100039,China)
Recent Advances in Global Positioning System(GPS) Abstract:T his pa per deals w ith t he recent advances in g lobal positioning sy st em(G PS).F ir st of all,t he principal er r or so ur ces o f GP S o bser vat ions ar e analysed.T hen the scientific a pplicatio ns of space based GPS ar e descr ibed,of w hich the T O PEX and M icro lape m isso ns ar e ex cellent ex-amples o f g r eat success.Wit h r egar d t o the applicatio n of G PS to meter or olo gy(GP S/M ET),detailed descr iptio n is g iv en to ear th based GP S/M ET and space based GP S/ M ET,t hey stand at the fro nt of r ecent a dv ances in G PS.
Key words:r adio o cculfatio n technique;limb so unding; m apping funct ion;kinematic GP S positio ning;application of G PS to meteo ro lo gy(G PS/M ET);ear th based GP S/M ET; space ba sed GP S/M ET
HU M ing-cheng(Chinese Academy of Surv eying and M apping,Beijing100039,China)
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网址：https://www.doczj.com/doc/7412334785.html, 北斗gps卫星定位系统定位原理 北斗卫星定位系统哪家好？北斗卫星定位系统的原理是什么？八杰科技为您解答。 定位原理 35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。 由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。 事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成
网址：https://www.doczj.com/doc/7412334785.html, 若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。 卫星定位实施的是“到达时间差”（时延）的概念：利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。 卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供接收机接收。由于传输的距离因素，接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，通常称之为时延，因此，也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延；将时延乘上光速，便能得到距离。 每颗卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位置和系统时间，而全球监测站网保持连续跟踪。 卫星导航原理 踪卫星的轨道位置和系统时间。位于地面的主控站与其运控段一起，至少每天一次对每颗卫星注入校正数据。注入数据包括：星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型的基础上算出的，可在几个星期内保持有效。 卫星导航系统时间是由每颗卫星上原子钟的铯和铷原子频标保持的。这些星钟一般来讲精确到世界协调时（UTC）的几纳秒以内，UTC是由美国海军观象台的“主钟”保持的，每台主钟的稳定性为若干个10^-13秒。卫星早期采用两部铯频标和两部铷频标，后来逐步改变为更多地采用铷频标。通常，在任一指定时间内，每颗卫星上只有一台频标在工作。 卫星导航原理：卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差，称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。
北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后，第三个成熟的卫星导航系统。卫星导航系统是重要的空间基础设施，它综合了传统天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空的无线电导航台，可带来巨大的社会经济效益。在测绘、电信、水利、公路交通、铁路运输、渔业生产、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域会逐步发挥重要作用。 世界上第一个全球卫星导航系统是美国从1973年开始实施的GPS系统，军民两用。但长期以来，美国对本国军方提供的是精确定位信号，对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号――也就是说，地球上任何一个目标的准确位置，只有美国人掌握，其他国家只知道个“大概”。为打破美国的垄断，俄罗斯耗资30多亿美元建起了自己的全球卫星导航系统GLONASS。2002年，欧盟启动了伽利略（Galileo）全球卫星导航定位系统计划，将在2008年投入运营，预计投资36亿欧元。2003年，我国与欧盟签署了有关伽利略计划的合作协定，目前双方合作项目已有14个。我国自上世纪80年代引进首台GPS接收机以来，已成为GPS应用大国。作为一个拥有广阔领土和海域的国家，中国有能力也有必要拥有自己的全球定位系统。 北斗卫星导航定位系统的系统构成有：由两颗地球静止卫星(800E和1400E)、一颗在轨备份卫星(110.50E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可达20纳秒的同步精度，水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。其精度与GPS相当。工作频率为2491.75MHz，系统容纳的最大用户数达每小时540000户，短报文通信一次可传送多达120个汉字的信息（GPS不具备此项功能），精密授时的精度达20纳秒。 2007年2月3日，第四颗试验“北斗星”在西昌成功发射。 这一系统目前共有四颗导航定位卫星，其发射时间分别为： 2000年10月31日； 2000年12月21日； 2003年5月25日，第三颗是备用卫星。 2007年2月3日，北斗导航试验卫星升空。 中国向着努力开发一个堪与美国GPS系统和欧洲伽利略系统(Galileo)媲美的定位系统又迈进了一步。“北斗”导航卫星通过“长征三号甲”运载火箭成功发射，凸显中国政府发展航天工业的决心。此前数周，中国用一种由导弹发射的“动能拦截器”击毁了一颗老化气象卫星，美国对此表示担忧。 北斗卫星导航定位系统——英文名为“Compass”——的计划一直处于保密状态，官方一再拒绝透露意图。不过，最近的卫星发射，似乎是要加强一个相对不很精确的系统，该系统以2000年至2003年发射的三颗北斗卫星为基础。今年初将发射两颗地球静止卫星，使北斗卫星导航系统到2008年能够覆盖中国全境和邻近国家部分区域。北斗卫星导航系统最终将通过由30颗非静止轨道卫星组成的卫星“星座”，扩展到覆盖全球。它将类似于美国的GPS系统（全球定位系统）和欧洲的伽利略卫星网络。 更为精确的定位，对于中国军队来说将是一项重大财富。扩展后的北斗卫星导航系统，将使用与伽利略系统相同的无线电频率，可能也会与GPS系统相同，在战时使敌方更难以干扰网络。 北斗卫星导航系统的开发，可能会对伽利略系统的商业成功构成挑战。虽然中国是伽利略项目的合作方之一，中国政府和企业在相关设施及商业应用研究方面投入了2亿欧元（合2.6亿美元），但中国正成为该 项目的一个潜在竞争者。
浅析全球卫星导航定位技术原理及应用 一、前言 导航定位的需求，可以说不是历来就有的，在人类早期物质生产活动中以牧猎为主，日出而作，日落而息。当时人们离不开森林和水草，或是随着水草的兴衰而漂泊不定，根本不需要什么明确的定位。但是，随设社会的发展，到了农业时代，在人们开发农田，兴修水利等相应活动中就逐渐产生了测绘定位的需求，可以说在这时，导航定位就在慢慢酝酿之中。等到了工业时代，人类的活动遍及全球，而一些工程比如航海、航空、洲际交通工程，通信工程，矿产资源勘探工程，地球生态及环境变迁的研究，就需要精确地定位。这些需求促使导航定位技术的发展，并把这项技术带到一个前所未有的发展时期，它的手段也从光学机械过渡到光电子精密机械仪器的时代。社会是不断发展的，科技是不断进步的，20世纪末，出现了电子计算器技术、半导体技术、激光技术、航天科学技术，它们的出现，把人类带到了电子信息时代和航天探索时代。当1957年前苏联发射了人类第一颗人造地球卫星，人类跟踪无线电信号中发现了卫星无线电信号的多普勒频移现象，这预示着一种全新的天空定位技术的可行性，由此，人类进入了卫星定位和导航的时代。 二、简介 1：全球卫星导航定位系统（global navigation and positioning satellite system）采用极轨道星座和无源定位方式为美国提供全球覆盖的导航及定位系统。简称GPS。其轨道高度约为2×104 km，在6条轨道上运行有24颗卫星，每12 h绕地球一周，能保证地球上任何地点的用户都能至少同时看到4颗卫星。它属于非静止卫星定位系统。移动用户利用导航定位接收机来接收4颗（或4颗以上）卫星的导航定位信号，并测量不同信号的到达时间，求出移动用户的三维空间坐标，自动给出经度和纬度显示，从而实现用户的自主定位。也可通过无线传输手段将用户定位信息传送到调度中心，实现对移动用户的调度控制。 GPS向用户广播的导航信号为双频，分别为1 575.42MHz 和1 226.60MHz。采用多种直接序列扩频码的码分多址和伪码测距技术。直接序列扩频码主要有P码和C/A码。P码的定位精度高，三维精度可达5 m之内；C/A码定位精度较低，三维精度在50m内。目前C/A 码是对民用免费开放的。因为它是无源定位系统，移动用户的数量没有限制。 2：全球定位系统（Global Positioning System） 简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。 全球定位系统(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。 3：卫星导航系统 顾名思义，就是“全球卫星导航系统”。主要采用最新GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。卫星导航全球性大众化民用,刚刚开始，有百种应用类型。卫星导航的生命期至
全球四大卫星定位系统 一．GPS系统（美国） 二．北斗系统（中国） 三．GLONASS系统（俄罗斯） 四．伽利略卫星导航系统（欧盟） GPS系统（美国） GPS系统是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资近200亿美元，于1994年全面建成的新一代卫星导航与定位系统。GPS利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。 GPS系统概述GPS系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三部分组成。 （1）空间部分GPS系统的空间部分由空间GPS卫星星座组成。 （2）控制部分控制部分包括地球上所有监测与控制卫星的设施。 （3）用户部分GPS用户部分包括GPS接收机和用户团体。 主要功能： 导航 测量 授时
标准：全球定位系统(GPS)测量规范GB/T 18314-2001 Specifications for global positioning system (GPS) surveys 种类： GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。 北斗卫星导航系统 中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System， 统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。 段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户 度0.2米/秒，授时精度10纳秒。 系统构成 北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨 道卫星组成，中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，
第二章 GPS卫星定位系统 第一节GPS系统的组成 GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备三大部分组成，(图2—1)。 图2—1 GPS系统的组成 1 空间星座部分 GPS空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星共同组成了GPS卫星星座。如图2-2所示，这24颗卫星分布在6个倾角为55?的轨道上绕地球运行，各个轨道平面之间相距60?，轨道平均高度20200km 。卫星的运行周期，即绕地球一周的时间约为12恒星时(11小时58分)。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。满足了在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星的基本要求。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行导航定位工作的。 GPS卫星的编号是：按发射先后次序编号（01-24）；按PRN(卫星信号所采用的伪随机噪声码)的不同编号；国际编号(第一部分为该星发射年代，第二部分表示该年中发射卫星的序号，字母A表示发射的有效负荷)；接轨道位置顺序编号等。在导航定位测量中，一般采用PRN编号。 图2—2 GPS卫星空间星座 GPS卫星空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此，GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。
在GPS 系统中，CPS 卫星星座的功能如下： （1）．用L 波段的两个无线载波(19cm 和24cm 波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。包括提供精密时间标准、粗略导航定位伪距C ／A 码、精密测距P 码和反映卫星当前空间位置和卫星工作状态的导航电文。 （2）．在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S 波段(10cm 波段)发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并适时发送给广大用户。 （3）．接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地调整卫星的姿态，改正卫星运行轨道偏差，启用备用卫星。 GPS 卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m ，重约774kg ，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常供电(图2—3)。 图2—3 GPS 卫星体系图 每颗卫星配置有4台高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS 定位提供高精度的时间标准。 2 卫星监控部分 GPS 的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站，其分布如图2—4所示。 图2—4 GPS 地面监控站分布 2.1 主控站 主控站有一个，设在美国本土科罗拉多（Colorado ）· 斯平士(Colorado Springs)的联合空间执行中心CSOC 。它的作用是： 老师指导
全球四大卫星导航系统 美国GPS系统 目前世界使用最多的全球卫星导航定位系统是美国的GPS系统。它是世界上第一个成熟、可供全民使用的全球卫星定位导航系统。该系统由28颗中高轨道卫星组成，其中4颗为备用星，均匀分布在距离地面约20000千米的6个倾斜轨道上。 俄罗斯格洛纳斯系统 格洛纳斯是前苏联国防部于20世纪80年代初开始建设的全球卫星导航系统，从某种意义上来说是冷战的产物。该系统耗资30多亿美元，于1995年投入使用，现在由俄罗斯联邦航天局管理。格洛纳斯是继GPS之后第2个军民两用的全球卫星导航系统。 欧洲伽利略系统 伽利略系统是欧空局与欧盟在1999年合作启动的，该系统民用信号精度最高可达1米。 计划中的伽利略系统由30颗卫星组成。2005年12月28日，首颗实验卫星Glove-A发射成功，第2颗实验卫星Glove-B在2007年4月27日由俄罗斯联盟号运载火箭于哈萨克斯坦的拜科努尔基地发射升空。 中国北斗系统 北斗全球卫星定位导航系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供开放服务和授权服务两种模式。根据系统建设总体规划，2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。 2011年4月10日，我国成功发射第八颗北斗导航卫星，标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建设完成，我国自主卫星导航系统建设进入新的发展阶段。从当初的“最高机密”，到今日向民用市场推广，北斗计划已经走过了20多年。曾经的主力科学家已经成了白发苍苍的院士，北斗系统的理论创始人也已经故去。4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星。这颗卫星将与2010年发射的5颗导航卫星共同组成“3+3”基本系统(即3颗GEO卫星加上3颗IGSO卫星)，经一段时间在轨验证和系统联调后，将具备向我国大部分地区提供初始服务条件。今明两年，我国还将陆续发射多颗组网导航卫星，完成北斗区域卫星导航系统建设，满足测绘、渔业、交通运输、气象、电信、水利等行业，以及大众用户的应用需求。 中国卫星导航系统管理办公室负责人冉承其介绍，目前，北斗卫星导航系统正按照“三步走”发展战略稳步推进第一步，2003年建成北斗导航试验系统。系统由三颗地球同步静止轨道卫星和地面系统组成，可为我国及周边地区的中、低动态用户提供定位、短报文通信和授时服务，已应用于水利、渔业、交通、救援等国民经济领域，经济和社会效益显著。第二步，2012年左右，将建成由10余颗卫星组成的北斗区域卫星导航系统，具备覆盖亚太地区的服务能力，采用无源定位体制，具有定位、导航、授时以及短报文通信功能。第三步，2020年左右，建成由30余颗卫星组成，覆盖全球的北斗全球卫星导航系统，系统性能达到同期国际先进水平。 北斗卫星导航系统除了能够提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，还保留了北斗卫星导航试验系统的短报文通信、差分服务和完好性服务特色，是我国经济社会发展不可或缺的重大空间信息基础设施。
GPS卫星定位系统发展现状及构成部分介绍 GLOBAL PosiTIoning System，简称GPS，即全球卫星定位系统，近年来得到了越来越广泛的应用，已经产生了可观的GPS产品需求。并且随着科技水平的提高、应用方向的不断开拓，GPS将会不容置疑的迅速渗透到人们的日常生活中来。 我们经常提到的GPS定位系统由美国军方所设计、控制。除此之外，我国的北斗双星定位系统正在默默地为我国的现代化建设做贡献；俄罗斯的GLONASS系统也曾有过辉煌的历史；欧盟组织设计的伽利略卫星定位系统兼容目前广泛应用的GPS系统，在几年后将会给全球定位系统增添更加光彩的一页。 GPS系统由三大部分组成：空间部分、控制部分和用户部分。 空间部分是GPS人造卫星的总称。人造卫星的平均高度约20200Km，运行轨道是一个椭圆，地球位于该椭圆的一个焦点上；运行周期约12小时。在6个倾角约55的轨道面上不平均地分布着近30颗导航卫星，部分为备用卫星，美国军方可通过地面控制部分调整工作卫星的数目。在GPS系统中，GPS卫星是动态的已知点，用户端所有的导航定位信息都是依据这个动态已知点发送的星历计算得到的。GPS星历，实际上是一系列描述GPS 卫星运动及轨道的实时状态参数。民用GPS模块所接收到的广播星历是由GPS卫星以扩频通信方式通过导航电文直接向用户播发的用于实时数据处理的预报星历，在不同的载波上以不同的速率广播民用的伪随机码C/A码星历和军用的P码星历。 对于整个GPS系统来说，实际上地面控制部分是整个系统的核心。所有的GPS卫星所播发的用于导航定位的星历，都是由分布在地面的5个监控站提供的。地面系统负责监测GPS信号、收集数据、计算并注入导航电文，状态诊断、轨道修正等。正是有了地面监控系统的海量数据处理，才使得GPS系统精确运转。 我们常说的GPS定位模块称为用户部分，它像收音机一样接收、解调卫星的广播C/A码信号，中以频率为1575.42MHz。GPS模块并不播发信号，属于被动定位。通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收机的得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快，但误差大。初次定位的模块至少需要4颗卫星参与计算，称
简单对比全球四大卫星导航系统 2011年12月27日，对于中国的高精度测绘定位领域来说是一个不平凡的日子，中国北斗卫星导航系统(CNSS)正式向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务，这是世界上第三个投入运行的卫星导航系统。 在此之前，美国的全球定位系统(GPS)和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)早在上世纪90年代就已经建成并投入运行。与此同时，欧盟也在打造自己的卫星导航系统——“伽利略”计划。 那么，这四大卫星导航系统之间到底有着怎么样的区别和联系呢？下面，就让我们来逐个分析一下，通过四大卫星导航系统的优劣分析，给大家一个较为明显的概念。 四大卫星导航系统各有优势，详情如下： GPS：成熟 GPS，作为大家最为熟悉的定位导航系统，她最大的特点就是技术方面最为成熟。 美国“全球定位系统”（GPS），是目前世界上应用最广泛、也是技术最成熟的导航定位系统。GPS空间部分目前共有30颗、4种型号的导航卫星。1994年3月，由24颗卫
星组成的导航“星座”部署完毕，标志着GPS正式建成。 中国北斗：互动开放 北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。目前市面上定位导航仪器公司如国外的天宝、拓普康，国内的华测导航等都已支持北斗卫星导航定位系统。 欧盟伽利略：精准 伽利略定位系统是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称。伽利略定位系统总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。 俄罗斯格洛纳斯：抗干扰能力强 早在美苏冷战时期，美国和苏联就各项技术特别是空间技术方面争锋相对，在美国GPS技术遍布全国的同时，苏联也没闲着，一直忙于研发自己的全球导航定位系统。俄罗斯的这套格洛纳斯系统便是其不断努力的结果。格洛纳斯由24颗卫星组成，也是由军方负责研制和控制的军民两用导航定
全球四大卫星定位系统 目前，世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。当前全球有四大卫星定位系统，分别是美国的全球卫星导航定位系统GPS、俄罗斯的格罗纳斯GLONASS系统、欧洲在建的"伽利略"系统、和中国的北斗卫星导航系统。 一、美国GPS长期垄断 美国国防部从1973年开始实施的GPS系统，这是世界上第一个全球卫星导航系统，在相当长的一段时间内垄断了全球军用和民用卫星导航市场。GPS全球定位系统计划自1973年至今，先后共发射了41颗卫星，总共耗资190亿美元。GPS原来是专门用于为洲际导弹导航的秘密军事系统，在1991年的海湾战争中首次得到实战应用。随后，在科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克战争中大显身手。从克林顿时代起，该系统开始应用在了民用方面。现运行的GPS系统由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。美国利用GPS获得了巨大的经济利益，多年来在出售信号接收设备方面赚取了巨额利润。以1986年为例，当时一台一般精度的GPS定位仪价格5万美元，高精度的则达到10万美元。现在价格虽然有所下降，但也可推算出20年来GPS"收获颇丰"。以GPS为代表的卫星导航定位应用产业，已成为八大无线产业之一。据美国国家公共管理研究院进行的调查评估表明，GPS的全球销售额将以每年38%的速度增长，2005年全球GPS市场已达到310亿美元。长期以来，美国对本国军方提供的是精确定位信号，对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号--也就是说，地球上任何一个目标的准确位置，只有美国人掌握，其他国家只知道个"大概"。在海湾战争时，美国还曾置欧盟各国利益不顾，一度关闭对欧洲GPS服务。 2003年3月20日，伊拉克战争爆发。大批轰炸机、战斗机猛扑向伊拉克首都巴格达，用炸弹准确地将一座建筑彻底摧毁，行动代号："斩首行动"；4月，一架B-1B"枪骑兵"轰炸机临时接到任务，用炸弹摧毁了另一座建筑。他们的目标都是一个人：萨达姆侯赛因，他们所使用的炸弹都是一种：联合攻击炸弹(JDAM)，这些炸弹之所以都能够精确的打击目标，是因为他们都是通过卫星定位来实现定位，提供这种定位服务的正是由24颗美国卫星组成的全球定位系统--GPS。 由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。 随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。 二、俄罗斯GLONASS（格洛纳斯）系统 "格洛纳斯GLONASS"是俄语中"全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE"的缩写。作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似，不过，其24颗卫星分布在3个轨道平面上，这3个轨道平面两两相隔120°，同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在19100千米高、64.8°倾角的轨道上运行，轨道周期为11小时15分钟。地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。俄罗斯自称，多功能的GLONASS系统定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒。如果必要，该
xxxx导航系统定位原理及其应用 北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由四颗（两颗工作卫星、2颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。美国的GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。。 北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。四颗导航定位卫星的发射时间分别为： 2000年10月31日； 2000年12月21日； 2003年5月25日， 2007年4月14日，第三、四颗是备用卫星。2008年北京奥运会期间，它将在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的GPS卫星定位系统一起，发挥?双保险?作用。北斗一号卫星定位系统的英文简称为BD，在ITU（国际电信联合会）登记的无线电频段为L波段（发射）和S波段（接收）。北斗二代卫星定位系统的英文为Compass（即指南针），在ITU登记的无线电频段为L波段。北斗一号系统的基本功能包括： 定位、通信（短消息）和授时。北斗二代系统的功能与GPS相同，即定位与授时。 其工作原理如下： ?北斗一号?卫星定位系出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标
全球四大卫星导航系统简介 一、美国的GPS 系统： 美国的GPS系统，由24 颗(3 颗为备用卫星) 在轨卫星组成。 的信号有两种GPS码。码，P C/A 米。一般的接收机利用29.3m 到2.93 民用：
C/A 码的误差是码计算 C/A 代中期为了自身的安全考虑，在信号上加入了90 定位。美国在 米左右。在 SA(SelectiveAvailability)，令接收机的误差增大，到100 精度应该能在GPS年2000 5 月2 日，SA取
消，所以，咱们现在的米以内。20 码P C/A 0.293 米是码的十分之一。但是2.93 军用：P 码的误差为米到 AS(Anti-Spoofing) 只能美国军方使用，码上加上的干扰信号。P，是在 二、中国的“北斗”卫星导航定位系统：“北斗”卫
星导航定位系统需要发射35 颗卫星，足足要比GPS多出11 颗。按照规划，“北斗”卫星导航定位系统将有 5 颗静止轨道 卫星和30 颗非静止轨道卫星组成，采用“东方红”-3 号卫星平台。30 颗非静止轨道卫 星又细分为27 颗中轨道(MEO)卫星和3 颗倾斜同步(IGSO) 卫星组成，27 颗MEO卫星平均分布在倾
角55 度的三个平面上， 轨道高度21500 公里。“北斗” 卫星导航定位系统将提供开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供 纳秒，测速精度50 定位，测速和授时服务，定位精度为10 米，授时精度为 为0.2 米/ 秒。授权服务则是军事用途的马甲，将向授权用户提供更安全与更
高精度的定位，测速，授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功 能，精度可以达到重点地区水平10 米，高程10 米，其他大部分地区水平20 的水平是差不多的。秒。这和美国GPS 0.2 米/ 米，高程20 米；测速精度优于 另外，“北斗一号”还可以提供用户的双向通讯功能，
北斗卫星导航系统 ——世界第三套全球卫星导航系统 工程总投资：100亿元 工程期限：1994年——2020年 北京时间2007年2月3日凌晨零时28分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第四颗北斗导航试验卫星送入太空。 北斗卫星导航定位系统是由中国自行研发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），
是继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）定位系统之后世界第三个成熟的卫星导航系统。 该系统分为“北斗一代”和“北斗二代”，分别由4颗（两颗工作卫星、两颗备用卫星）和35颗北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，其精度与GPS相当。中国在2000年至2007年先后发射了四颗“北斗一号”卫星，这种区域性(中国境内)的卫星导航定位系统，正在为中国陆地交通、航海、森林防火等领域提供着良好服务。 北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造,四颗导航定位卫星的发射时间分别为： 日期火箭卫星轨道 2000年10月31日长征三号甲北斗-1A 地球静止轨道140°E 2000年12月21日长征三号甲北斗-1B GEO 80°E 2003年05月25日长征三号甲北斗-1C GEO 110.5°E 第三颗是备用卫星 2007年02月03日长征三号甲北斗-1D GEO 86°E 第四颗是备用卫星 2007年04月14日长征三号甲北斗-2A 中地球轨道(21500KM) 北斗二代首颗卫星
军用新型北斗卫星导航手持机 北斗卫星导航系统的历史 我国早在60年代末就开展了卫星导航系统的研制工作，但由于多种原因而夭折。在自行研制“子午仪”定位设备方面起步较晚，以致后来使用的大量设备中，基本上依赖进口。70年代后期以来，国内开展了探讨适合国情的卫星导航定位系统的体制研究。先后提出过单星、双星、三星和3-5星的区域性系统方案，以及多星的全球系统的设想，并考虑到导航定位与通信等综合运用问题，但是由于种种原因，这些方案和设想都没能够得到实现。 1983年，“两弹一星”功勋奖章获得者陈芳允院士和合作者提出利用两颗同步定点卫星进行定位导航的设想，经过分析和初步实地试验，证明效果良好，这一系统被称为“双星定位系统”。双星定位导航系统为我国“九五”列项，其工程代号取名为“北斗一号”。 双星定位导航系统是一种全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统，可实现快速导航定位、双向简短报文通信和定时授时3大功能，其中后两项功能是全球定位系统(GPS)所不能提供的，且其定位精度在我国地区与GPS定位精度相当。整个系统由两颗地球同步卫星(分别定点于东经80度和东经140度36000公里赤道上空)、中心控制系统、标校系统和用户机4大部分组成，各部分间由出站链路(即地面中心至卫星至用户链路)和入站链路(即用户机至卫星
GPS车辆定位管理系统 设计方案 淮北睿讯科技有限公司2014年6月1日
一 CDMA 1X 3G无线车载监控系统应用的意义： 在经济高速发展的今天，生活水平的不断提高，安全的重要性已经成为生活中不可或缺的一部分。随着我国公路运输事业的蓬勃发展，车辆在运营过程中的安全性和高效管理已经也越来越被重视。在网络技术快速发展的今天，随着 3G网络的出现，3G无线车载视频系统为车辆打造一个具有安全的、远程的、即时的、科学的管理体系奠定了坚实基础；打破了传统摄像机不能网络传输的弊端。3G无线车载视频产品主要应用包括长途客运车、城际巴士、旅游大巴车、海上风景游艇等。在中、长途大巴上安装3G无线车载监控系统具有以下重要作用： ?实时查看车辆内状况及行驶路况 对长途客运公司存在的部分司乘人员在旅途中私自搭客，收钱不给票，或给假票等情况，一部车每天只要一两例，公司就要损失几百元，一个月就损失几千元；有了3G远程网络视频系统监督，可以提高收入，严防作弊。 ?有效提升服务，提高安全预防 长途旅行中旅客之间、旅客与司乘人员之间不时会产生一些矛盾和争议，导致公司时常遭到投诉，特别是有的旅客下车时顺手拿走别人的行李和物品等，因为没有有力的证据，解决起来无从下手，公司形象受到很大影响。安装录像系统后，可以随时仪对司乘人员过站载客，私收钱物等贪污公款行为形成有效控制，同时提高服务质量。3G无线视频系统还能同时为乘客提供笔记本电脑接入互联网服务。 ?提高安全，事故取证 长途客车行驶时间长，路况和人员复杂，车匪路霸较多，容易出现安全问题。特别是春运高峰期间偷、抢、拐、骗的案件恶性交通事故很多，司机违规操作、严重超载等情况时有发生。通过网络远程视频监控和录像系统，客运公司和管理部门随时可以通过3G网络远程视频即时的检查司机是否违章和超载，同时录像资料可以犯罪分子的作案证据。 ?GPS卫星定位，全程跟踪 对于长途客车在路上行驶状况，需要即时全面的远程视频查看的同时，GPS即可对车辆实时的卫星定位，进行全程跟踪，控制车辆油路等，有效的管理车队车辆外出行驶，提高公司的管理，而且节约成本，方便快捷。
全球卫星导航定位技术 摘要：卫星导航定位系统在国民经济建设中占有重要的位置，是国民经济信息化建设的重要组成部分和推进力量，是建设国家信息体系的重要基础设施，是直接关系到国家安全、经济发展的关键性系统技术平台。以GPS为代表的卫星导航定位(GNSS)应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。国家对卫星导航定位产业的发展高度重视，“十五”计划发展纲要确定卫星导航定位为国家高技术工程的12个专项之一，国家发改委在2002年实施了卫星导航产业化专项，以北斗卫星导航试验系统和其他卫星定位导航系统的广泛应用为推动力的我国卫星导航定位产业，正进入高速发展的关键时期。本文介绍了全球卫星导航系统的现状以及分析其原理，并分析了全球卫星导航的发展应用。 关键词：卫星导航定位系统；高新技术 Abstract: the satellite navigation and positioning system in the development of national economy, holds the important position, the informationization of the national economy is the important part of the construction and promote the strength, the construction of national information system is the important infrastructure, is directly related to national security, economic development and the key system technology platform. As a representative of the with GPS satellite navigation and positioning (GNSS) application industry has gradually become a global new high technology industry. National satellite navigation and positioning of the development of the industry, more attention of the tenth five-year plan to determine the program for the development of satellite navigation and positioning for the national high technology project of one of the 12 special, the national development and reform commission in 2002, the industrialization of the satellite navigation special to beidou satellite navigation test system and other positioning satellite navigation system for the wide application of driving force of China’s satellite navigation and positioning industry, entering the critical period of development. This paper introduces the present situation of the global satellite navigation system and analyzes the principle, and analyzed the development and the application of the global satellite navigation. Keywords: satellite navigation and positioning system; High and new technology 按照定位导航的方式可分成：卫星定位导航、自主式导航、组合导航以及无源导航。 1、全球卫星导航系统介绍 世界上现有卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及欧洲
全球四大卫星定位系统 说起卫星定位导航系统，人们就会想到GPS，但是现在，伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼：GNSS(Global Navigation Satellite System)。当前，在这一领域最吸引人眼球的要数美国的GPS卫星导航系统；此外，还有俄罗斯的“格洛纳斯”导航卫星系统，欧盟的“伽利略”导航卫星系统，以及我国自主开发的“北斗”导航卫星系统。 一、美国GPS系统 GPS（Global Position System）全球定位系统是目前最成熟的卫星定位导航系统。它是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资近200亿美元，于1994年全面建成的新一代卫星导航与定位系统。GPS利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。 GPS全球定位系统由空间系统、地面控制系统和用户系统三大部分组成。其空间系统由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成，分布在20200千米高的6个轨道平面上，运行周期12小时。地球上任何地
方任一时刻都能同时观测到4颗以上的卫星。地面控制系统负责卫星的测轨和运行控制。用户系统为各种用途的GPS 接收机，通过接收卫星广播信号来获取位置信息，该系统用户数量可以是无限的。 GPS全球定位系统是美国为军事目的而建立的。1983年一架民用飞机在空中因被误以为是敌军飞机而遭击落后，美国承诺GPS免费开放供民间使用。美国为军用和民用安排了不同的频段，并分别广播了P码和C/A码两种不同精度的位置信息。目前美国军用GPS精度可达1米，而民用GPS理论精度只有10米左右。特别地，美国在90代中期为了自身的安全考虑，在民用卫星信号上加入了SA (Selective Availability)，进行人为扰码，这使得一般民用GPS接收机的精度只有100米左右。2000年5月2日，SA干扰被取消，全球的民用GPS 接收机的定位精度在一夜之间提高了许多，大部分的情况下可以获得10米左右的定位精度。美国之所以停止执行SA政策，是由于美国军方现已开发出新技术，可以随时降低对美国存在威胁地区的民用GPS 精度，所以现在这种高精度的GPS技术才得以向全球免费开放使用。 受应用需求的刺激，民用GPS技术蓬勃发展，出现了DGPS（差分GPS）、WAAS（地面广播站型态的修正技术）等技术，进一步提高民用GPS的应用精度。2005年，美国开始发射新一代GPS卫星，开始提供第二个民用波段。未来还将提供第三，第四民用波段。随着可用波段的增加，新卫星陆续使用，GPS定位系统的精度和稳定性都比
卫星导航定位系统的原理及其应用 摘要 本文主要介绍了卫星导航定位技术的基本概念与原理。并介绍人类利用卫星导航定位原理所发明的两种导航定位系统美国GPS系统与中国的北斗系统。 卫星与接收机距离的测量分为伪距测量原理和相位测量原理，相位测量的精度较高。卫星的定位原理分为绝对定位原理和相对定位原理，相对定位原理完全消除了卫星星历的影响精度更高一些。 美国的GPS系统主要由三部分组成分别为：空间部分、地面监控部分、用户部分。该系统的特点在于其与传统测量收与导航手段相比，器观测站之间无需通视只需要卫星通视，而且其定位精度较高、观测时间短、操作简便等 中国的北斗系统是中国为了克服GPS系统所带来的限制中国人自主研发的空间卫星系统。其特点突出，北斗系统不但可以进行导航也可以进行定位，同时还能进行授时和短信服务美国的GPS系统与中国的北斗系统的导航功能在旅游与汽车导航方面的应用极大地改善了人们的生活 关键词：卫星定位原理；北斗系统； GPS系统；导航 序言 随着科学技术的发展，尤其是空间科学技术的发展无论是在导航还是定位、授时方面，卫星定位于导航与人们的生活越来越密切。卫星的定位在大地测量方面、灾害监测中、土地资源调查中，地震测量中等方面都有着不可替代的作用。卫星的导航技术更是渗透于人们的生活当中旅游、汽车导航等等无一不说明卫星定位导航系统的重要性。所以本文通过对卫星导航系统定位原理的介绍以及在其技术基础上锁发展的定位导航系统，即中国的北斗系统与美国的GPS系统。让大家更能深刻了解定位导航技术的原理及其工作方式。 1 卫星导航定位原理
1.1 定位原理的基本概念 卫星定位的基本概念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，此处至少需要4颗卫星才能完场卫星定位。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： 图 1.1 4 颗卫星定位的原理图 上述四个方程式中待测点坐标x 、 y 、 z 和Vto 为未知参数，其中di=c △ti (i=1、2、3、4)。 di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。 △ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。 c 为GPS 信号的传播速度(即光速)。 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。 Vto 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Vto 。 1.2 伪距测量原理 1. 伪距测量的基本原理 每一个卫星播发一个伪随机测距信号，该信号大约每毫秒播发一次，接收机同时复制出一个相同结构的信号，并与接受到的卫星信号进行比较，它与卫星信号有一个延时差从而获得信号的延时时间(dt),如下图1.2所示。从而推算出卫星至接收机的距离