书城工业技术图说导航的诞生与发展
17985700000009

第9章 GPS全球定位系统的发展(2)

(1)定位精度高。应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6,100-500KM可达10-7, 1000KM可达10-9。在300-1500m工程精密定位中,1小时以上观测的解其平面其平面 位置误差小于1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较,其边长较差最大为0.5mm, 校差中误差为0.3mm。

提高导航定位精度和抗干扰能力

(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,20KM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15KM以内时,流动站观 测时间只需1-2分钟,然后可随时定位,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。 由于无需点间通视,点位位置可根据需要,可稀可密,使选点工作甚为灵活,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。

GPS在城市中采集的三维坐标

(5) 操作简便。随着GPS接收机不断改进,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,极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。 使野外工作变得轻松愉快。

GPS接收机

(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。GPS能为全球任何地点或近地空间的各类用户提供连续的、全天侯的导航能力,用户不用发射信号,因而能满足无限多的用户使用。

(7)功能多、应用广泛。GPS是军民两用的系统,其应用范围极其广泛,在军事上,GPS将成为自动化指挥系统,在民用上可广泛应用于农业、林业、水利、交通、航空、测绘、安全防范、军事、电力、通讯、城市多个领域,尤其以地面移动目标监控在GPS应用方面最具代表性和前瞻性。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0.1M/S,测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。

GPS的应用广泛

(8)抗干扰能力强、保密性好。GPS采用扩频技术和和伪码技术,用户只需接收GPS的信号,自身不会发射信号,因而不会受到外界其他信号源的干扰。

知识卡片:

定位精度

空间实体位置信息(通常为坐标)与其真实位置之间的接近程度。

静态定位

是指将全球卫星定位系统接收机静置在固定测站上,观测数分钟至2小时或更长时间,以确定测站位置的卫星定位,是不考虑轨道的有无、决定点位置的定位应用。

动态定位

是以确定与各观测站相应的、运动中的、接收机载体的位置或轨迹的卫星定位。定位时,至少应有1台接收机处于运动状态。

4.GPS的种类

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。如果按接收机的用途分类,有导航型接收机。此类型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:车载型——用于车辆导航定位;航海型——用于船舶导航定位;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动;星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上,因此对接收机的要求更高。有测地型接收机。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。还有授时型接收机。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讯中时间同步。另外再详细介绍几种主要的GPS。

(1)测地型GPS。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。根据使用用途和精度,又分为静态(单频)接收机和动态(双频)接收机。

测地型GPS

(2)车载GPS。当通过硬件和软件做成GPS定位终端用于车辆定位的时候,称为车载GPS,但光有定位还不行,还要把这个定位信息传到报警中心或者车载GPS持有人那里,我们称为第三方。所以GPS定位系统中还包含了GSM网络通讯(手机通讯),通过GSM网络用短信的方式把卫星定位信息发送到第三方。通过微机解读短信电文,在电子地图上显示车辆位置。这样就实现了车载GPS定位。 与此同时,在车上安装相应的探测传感器,利用车载GPS定位的GSM网络通讯功能,同样能把防盗报警信息发送到第三方,或者把这个报警电话、短信直接发送到车主手机上,完成车载GPS防盗报警。这里可以看出,车载GPS定位的GSM网络部分实际上是一个智能手机,可以和第三方互相通讯,还可以把车辆被抢,司机被劫、被绑架等信息发送到第三方。 所以说车载GPS定位是定位、防盗、防劫的。目前市场销售很广阔,经常被大家提及的是一般的民用的导航GPS,这样的GPS主要是给汽车定位,导航。目前越来越发达的道路,错综复杂的高架桥给驾驶者越来越难分辨道路。导航车载GPS的确是给驾驶者带来了极大的方便。而且现在的导航GPS还具有提前预警电子眼、查询全国旅游景点、酒店等服务,的确是旅游带来了极大的方便。

车载GPS

(3)类似车载GPS。类似车载GPS终端的还有定位手机、个人定位器等。GPS卫星定位由于要通过第三方定位服务,所以要交纳不等的月/年服务费。目前所有的GPS定位终端,都没有导航功能。因为再需要增加硬件和软件,成本提高。我们在电视里看到的车载GPS广告,和上述的车载GPS完全是两回事。它是一种GPS导航产品,当需要导航时,首先定位,也就是导航的起点,这与真正的GPS定位是不同的,它不能把定位信息传送到第三方和持有人那里,因为导航仪中缺少手机功能。比如你把导航仪放在车里,你朋友把车借开走了,导航仪不能发信息给你,那你就无法查找车辆位置。所以导航仪是不能定位的。你说我买的是导航手机该行了吧,你想想,你把导航手机放在车上,现在车被盗了,那个手机会自己给你或第三方打电话发短信吗?它是需要人来操作的。所以说目前的导航终端都没有定位功能。导航终端可以导航路线,让你在陌生的地方不迷路,划出路线让你到达目的地,告诉你自己当前位置,和周边的设施等等。中国目前在GPS应该上取得了很大的市场.其中有很多公司是导航的.但是也有在GPS行业做定位管理的。各种GPS/GIS/GSM/GPRS车辆监控系统软件、GSM和GPRS移动智能车载终端、系统的二次开发车辆监控系统整体搭建方案.系统广泛应用于公安,医疗,消防,交通,物流等领域。

某些手机也带GPS导航功能

知识卡片:

微机

微型计算机简称“微型机”、“微机”,由于其具备人脑的某些功能,所以也称其为“微电脑”。是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础,配以内存储器及输入输出(I/0)接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。

电子眼

“电子眼”又称“电子警察”,是“智能交通违章监摄管理系统”的俗称,1997年在深圳研制成功后开始逐步推广使用,电子眼是通过对车辆检测、光电成像、自动控制、网络通信、计算机等多种技术,对机动车闯红灯、逆行、超速、越线行驶、违例停靠等违章行为,实现全天候监视,捕捉车辆违章图文信息,并根据违章信息进行事后处理,是一种新的交通管理模式。

5.GPS在新世纪的发展

20世纪70年代,美国国防部建立了GPS。该系统在海湾战争、沙漠之狐行动、科索沃战争和阿富汗战争中都得到了广泛的应用。尤其在阿富汗战争中,GPS/INS制导武器得到普遍运用,对战争的进程和发展起到了决定性作用。为了保住全球霸主地位,美国一方面极力阻挠欧盟 “伽利略”计划的实施,另一方面不断投入巨资更新完善GPS系统,并对GPS系统进行技术攻关。

(1)GPS星座卫星的更新换代。GPS系统星座最初使用的是Block-I卫星,接着使用的是Block-Ⅱ、ⅡA,后来是Block-ⅡR,最近使用的是改进型Block-ⅡR、ⅡF。1997年,由洛马公司生产的Block-ⅡR卫星开始替换1989~1996年期间发射的Block-Ⅱ和Block-ⅡA卫星,并于7月23日发射了首颗Block-ⅡR卫星。Block-ⅡR卫星的设计寿命由Block-ⅡA的7.5年延长到10年。与Block-ⅡA卫星相比,Block-ⅡR抗核辐射和抗激光照射能力都有所提高。在Block-ⅡR的设计要求中就有具备经过核战争而生存下来的能力这一项。另外,卫星的天线经过新的设计,加强了抗干扰能力。为了满足军用和民用领域在2030年左右的需求,美国已着手开发新一代卫星Block-Ⅲ,美国空军几乎同时给波音和洛马空间系统公司签发了各为1 600万美元的合同,让这两个公司在2003年前完成Block-Ⅲ的设计及体系结构研究工作。Block-Ⅲ星座将大大加强M码信号的功率,其做法是添加额外的点波束,给正在工作或关注的特别地区输入更多的功率。这两家公司进行的体系结构研究是整个3阶段计划的第1阶段,目的是研究未来GPS卫星导航的需求,讨论并制定Block-Ⅲ型卫星系统结构、系统安全性、可靠程度和各种可能的风险。

GPS卫星更新换代

(2)GPS领域的革命──量子定位系统。当前的GPS是一种卫星无线电定位、导航与授时系统,是通过发射电磁脉冲并且测量它们到达待定点的时延来实现定位的。这种方法的精度受到信号功率和带宽的限制。为了克服这些缺点,美国麻省理工学院(MIT)的研究人员正在研究一种基于量子的定位系统,称为量子定位系统。这项研究采用具有量子特性的激光取代电磁脉冲,如取得成功,将使当前GPS系统产生革命性的突破。量子定位系统的特点之一是定位精度高。测量一个光脉冲传播时延的精度取决于其频谱(脉冲的带宽)和功率(每个脉冲所含的光子数)。研究人员发现采用具有量子特性的光子时,脉冲传播时延的测量精度能大大提高。学者称这类新的信号为“奇怪的量子脉冲”,其数量密集且与频率是关联的。在关联状态下,它们能够以相近的速率传播并且成束地到达,这就增强了信号,提高了测定到达时间的准确度量子定位系统的另一个特点是具有很高的安全性。因为黑客的存在会引起系统中显著的噪声,量子定位系统可以迅速监测到黑客的存在,而且使他们得不到任何信息,同时仍然可以完成自身的定位。由于对非量子的噪声不敏感,量子定位系统能在噪声干扰下工作。长期以来,GPS的安全性一直是军方和商业使用者所关注的焦点。在美国交通部最新的一份GPS评估报告中,强烈呼吁改善GPS技术,例如,增加信号强度和频率数量来减少服务中断。

量子定位系统

(3)加强抗干扰技术的研究。美军施里弗空军基地发言人表示,美军已能做到有选择性地干扰某些地区GPS卫星信号,却不影响己方精确军事应用。在最近的阿富汗战争中,美国就是这么做的。但在军用GPS领域,如何摆脱敌方对GPS的干扰仍是一个很难解决的问题。多年来,美国研究人员一直在研究如何提高GPS系统的抗干扰能力。现在,新型抗干扰GPS接收机G-STAR诞生。提高GPS接收机的抗干扰性能也是一种有效的GPS抗干扰技术。美国洛马公司和洛克威尔·柯林斯公司共同开发了GPS时空抗干扰接收机,也就是G-STAR。还有值得一提的是,为了能够在某些区域内有选择性地拒收非军事信号,以保证战区的正常连续军事服务,在未来冲突中美军方将对GPS进行干扰,以防被敌方利用,而美军能在干扰环境下使用GPS信号。

采用G-STAR抗干扰系统

知识卡片:

电磁脉冲

指围绕整个系统具有宽带大功率效应的脉冲。例如在核爆炸时就会对系统产生这种影响。

激光

由受激发射的光放大产生的辐射。