全球定位系统的定义、特点及应用

（一）GPS的定义和特点

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，被称为全球卫星定位系统，简称GPS。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS，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、核爆监测和应急通信等一些军事目的。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元。到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成。

与其他定位和导航技术相比，GPS技术具有以下特点：

1.定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50 km以内可达10-6，100～500 km可达10-7，1 000 km可达10-9。在300～1 500 m工程精密定位中，1小时以上观测的平面位置误差小于1 mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长校差最大为0.5 mm，校差中误差为0.3 mm。

2.观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20 km以内相对静态定位，仅需15～20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15 km以内时，流动站观测时间只需1～2分钟，可随时定位，每站观测只需几秒钟。

3.测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无须点间通视，点位位置根据需要，可稀可密，选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

4.可提供三维坐标

经典大地测量将平面与高程采用不同的方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前，GPS水准可满足四等水准测量的精度。

5.操作简便

随着GPS接收机的不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度。接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻了测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。

6.全天候作业

目前，GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

7.功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1 m/s，测时的精度可达几十毫微秒，其应用领域不断扩大。最初，设计GPS系统的主要目的是导航，收集情报等。但是后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。

GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，为海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。

目前，GPS系统的应用已十分广泛。我们可以应用GPS信号进行海、空和陆地的导航、导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，引发地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。

（二）GPS的组成部分

GPS主要由空间部分、地面控制部分和用户设备部分组成（见图6-7）。

1.空间部分

GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成的，它位于距地表20 200 km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。此外，还有4 颗有源备份卫星在轨道运行。卫星的分布使在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图像。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码，一组称为C/A码（Coarse/Acquisition Code，11 023 MHz），另一组称为P码（Procise Code 10 123 MHz）。P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/A码由人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。

2.地面控制部分

地面控制部分由1个主控站、5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入卫星。对每颗GPS 卫星而言，这种注入每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

图6-7　GPS系统结构

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，即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。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，各种类型的接收机的体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。

（三）GPS接收机的分类

1.按接收机的用途分类

（1）导航型接收机。

此类型的接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25 mm，有SA影响时为±100 mm。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：① 车载型 ── 用于车辆导航定位。② 航海型 ── 用于船舶导航定位。③ 航空型 ── 用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运行。④ 星载型 ── 用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7 km/s以上，因此对接收机的要求更高。

（2）测地型接收机。

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。

（3）授时型接收机。

这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通信中的时间同步。

2.按接收机的载波频率分类

（1）单频接收机。

单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟的影响，单频接收机只适用于短基线（＜15 km）的精密定位。

（2）双频接收机。

双频接收机可以同时接收L1、L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千千米的精密定位。

3.按接收机通道数分类

GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这种功能的器件被称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道，有以下分类：(www.xing528.com)

（1）多通道接收机；

（2）序贯通道接收机；

（3）多路多用通道接收机。

4.按接收机工作原理分类

（1）码相关型接收机。

码相关型接收机利用码相关技术得到伪距观测值。

（2）平方型接收机。

平方型接收机利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号。通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。

（3）混合型接收机。

这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。

（4）干涉型接收机。

这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间的距离。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫作载（如航行中的船舰、空中的飞机、行走的车辆等）。

最常用的GPS接收器有如下两种：

① 汽车导航仪。

计算机和通信的发展使人们的生活更加快捷，汽车导航和移动办公已风靡全球，并逐渐成为现代社会中不可缺少的部分。在日本、美国等国家，为了方便用户，很多汽车制造商在车辆出厂时就装配了导航和移动办公设备。在我国，类似产品的研制工作刚刚起步。汽车导航仪是集计算机、通信导航、地图信息于一体的高科技产品，通常它都具备笔记本PC的基本功能，可以方便地驳接网络、发送传真和数据通信，并且内置GPS接收器，提供GPS天线接口。装载定位导航软件，利用接收到的GPS卫星信号为车辆提供全天候、全时域位置信息，并可以在屏幕上显示车辆当时的运行情况。用户可以预先自定义行进路线、路旁标记和航路点，保存预先设定的路线或已走过的路线，以便再次查询。通过查询电子地图，用户能了解某地区的地理环境和交通状况，增加对未来旅途的预测。如发现了一些原地图中没有的道路，可以通过“记录新路”来更新地图。

② GPS手持机。

GPS手持机是利用GPS基本原理设计而成的，体积小巧、携带方便、独立使用的全天候实时定位导航设备。好的手持机必备的条件：灵敏度高、存贮量大、外部接口齐全。GPS手持机按用途可分为陆用型、空用型、海用型。陆用型GPS手持机一般没有内置地图，主要利用航路点记录，选择相应航路点可自动生成路线。内置天线，所以机型小巧。它是应用得最广的一种GPS设备。空用型GPS手持机提供全球空域图和地域图，灵敏度极高，适用于在高速行进的飞机中定位。海用型GPS手持机内置全球海图，超大屏幕，提供可固定在船体上的配套支架和天线。

（四）网络GPS

1.网络GPS的概念

网络GPS是把Internet技术与GPS技术相结合，将GPS定位信息通过互联网进行传递。在用户界面上显示GPS动态跟踪信息，以实现实时监控、动态调度功能的一种新的应用方式。网络GPS综合了Internet和GPS的优势和特色，取长补短，它解决了原来使用GPS所无法克服的障碍：首先，其可降低投资费用。网络GPS免除了物流运输公司自身设置监控中心的大量费用，其不仅包括各种硬件配置，还包括各种管理软件。其次，网络GPS一方面利用互联网实现无地域限制的跟踪信息显示，另一方面又可通过设置不同权限做到信息保密。网络GPS的特点如下：

（1）功能多、精度高、覆盖面广，在全球任何位置均可进行车辆的位置监控工作，充分使所有网络GPS用户的要求都能够得到满足。

（2）定位速度快，有力保障了物流运输企业能够在业务运作上提高反应速度，降低车辆空驶率，降低运作成本，满足客户需要。

（3）信息传输采用GSM公用数字移动通信网，具有保密性高、系统容量大、抗干扰能力强、漫游性能好、移动业务数据可靠等优点。

（4）构筑在国际互联网这一最大的网上公共平台上，具有开放度高、资源共享程度高等优点。

网络GPS技术的工作流程：车载GPS接收机在接收到GPS卫星定位数据后，自动计算出自身所处地理位置的坐标，经GSM通信机发送到GSM公用数字移动通信网，并通过与物流信息系统连接的DDN专线将数据送到物流信息系统监控平台上，中心处理器将收到的坐标数据及其他数据还原后，与GIS系统的电子地图相匹配，并在电子地图上直观地显示车辆实时坐标的准确位置。各网络GPS用户可用自己的权限上网进行自有车辆信息的收发、查询等工作，在电子地图上清楚而直观地掌握车辆的动态信息（位置、状态、行驶速度等），同时还可以在车辆遇险或出现意外事故时进行必要的监控操作。

2.网络GPS系统的功能

（1）实时监控功能。

在任意时刻通过发出指令查询运输工具所在的地理位置（经度、纬度、速度等信息），并在电子地图上直观地显示出来。

（2）双向通信功能。

网络GPS的用户可使用GSM的话音功能与驾驶人员进行通话，或使用本系统安装在运输工具上的移动设备的汉字液晶显示终端进行汉字消息收发对话。

驾驶人员通过按下相应的服务、动作键，将该信息反馈到网络GPS。质量监督员可在网络GPS工作站的显示屏上确认其工作的正确性，了解并控制整个运输作业的准确性（发车时间、到货时间、卸货时间、返回时间等）。

（3）动态调度功能。

调度人员能在任意时刻通过调度中心发出文字调度指令，并得到确认信息。

可进行运输工具待命计划管理。操作人员通过在途信息的反馈，在运输工具未返回车队前即做好待命计划，提前下达运输任务，减少等待时间，加快运输工具的周转速度。

（4）运能管理。

将运输工具的运能信息、维修记录信息、运行状况登记、驾驶人员信息、运输工具的在途信息等多种信息提供调度部门决策，以提高重车率，尽量减少空车时间和空车距离，充分利用运输工具的运输能力。

（5）数据存储、分析功能。

实现路线规划及路线优化。事先规划车辆的运行路线、运行区域，并将该信息记录在数据库中，以备以后查询、分析使用。

（6）可靠性分析。

汇报运输工具的运行状态，了解运输工具是否需要大修，预先做好修理计划，计算运输工具平均天差错时间，动态衡量该型号车辆的性能价格比。

（7）服务质量跟踪。

在中心设立服务器，让有该权限的用户能异地方便地获取车辆的有关信息（运行状况、在途信息、运能信息、位置信息等用户关心的信息）。同时，还可对客户索取的位置信息用相对应的地图传送过去，并将运输工具的历史轨迹印在上面，使该信息更加形象。

依据资料库储存的信息，可随时调阅每台运输工具以前的工作资料，并根据各管理部门的不同要求制作各种不同形式的报表，使各管理部门能更快速、更准确地做出判断和提出新的指示。

网络GPS的出现，无论是对GPS供应商还是对物流运输企业来讲，都是一个真正的好消息。因为它直接导致的是投资费用的降低与信息显现的无地域性限制，最终的结果是GPS门槛的降低及普及率的提高，从而使更多的物流企业从中受益。