全球定位系统的应用、发展与未来

摘 要:本文主要阐述了GPS系统的发展历史、组成原理及应用情况，对全球及我国卫星导航定位行业的市场现状进行了初步分析，比较了GPS和格洛纳斯、伽利略及北斗系统的特点与差异，最后对全球定位系统的未来进行了展望。

关键词: GPS 格洛纳斯 伽利略 北斗定位系统 GNSS市场调查 GPS应用

The Application, Development and Future of Global Positioning

System

Abstract: This paper outlines the historical status, compositing and application of the GPS system. Analyse the market of the

satellite navigation and positioning on global and China. Compared among the GPS, GLONASS,GALLEO and Beidou,System.

At the end of this article, prospect the future of global positioning system.

Key Words: GPS GLONASS GALLEO Beidou GNSS market research Application of GPS

1 GPS系统概述

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，其中文简称为“球位系”。GPS是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。在今天，GPS作为一种先进的测量手段和新的生产力，已融入到国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

1.1 GPS的发展历程

1957年10月前苏联成功发射了第一颗人造卫星后，美国海军就着手卫星定位方面的研究工作，产生了子午卫星导航系统(NNSS)。该系统又称多普勒卫星定位系统，它是58年底由美国海军武器实验室开始研制，于64年建成的“海军导航卫星系统”（Navy

Navigation Satellite System）。这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。

子午卫星导航系统由卫星网、地面跟踪站、计算中心、注入站、美国海军天文台和用户接收设备六部分组成。其定位原理是通过测定同一颗卫星不同间隔时段其信号的多普勒效应，从而确定卫星在各时段相对观察者的视向速度和视向位移；再利用卫星导航电文所给定的不同时刻的卫星空间坐标，结合对应的视向位移则可解算出测站空间坐标。

子午卫星导航系统将导航和定位技术推向了一个新的发展时代，在各领域都得到了广泛的应用，并显现出了巨大的优越性。但由于其自身存在的定位时间过长、无法测量高度、定位精度偏低等缺陷，使得该系统服役不久，就迫使美国国防部不得不着手研究第二代的卫星导航系统——全球定位系统（GPS）。

*指导老师：马磊 学生姓名：郑鹤 学号：20082110

GPS计划经历了方案论证（1974～1978年），系统论证（1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶段，总投资300亿美元。论证阶段发射了11颗BlockⅠ型GPS实验卫星（设计使用寿命为5年）；在试验生产阶段发射了28颗BlockⅡ型和BlockⅡA型GPS工作卫星（第二代卫星的设计使用寿命为7.5年）；第三代改善型GPS卫星BlockⅡR和BlockⅢ型GPS工作卫星从90年代末开始发射，计划发射20颗，以逐步取代第二代GPS工作卫星，改善全球定位系统。

1.2 GPS系统的组成

GPS系统由空间部分、控制部分和用户部分组成。

空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星；3颗备用卫星），它们位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗),轨道倾角为55°。卫星运行周期为11小时58分。卫星通过天顶附近时可观测时间为5小时，在地球表面任何地方任何时刻高度角15度以上的可观测卫星至少有4颗，平均有6颗，最多达11颗。

图1 GPS系统空间部分模型

地面控制系统由五个监控站、三个地面天线所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado

Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。地面天

线则主要负责将主控站推算和编制的卫星星历、导航电文、控制指令注入相应的卫星的存储系统，并监测GPS卫星注入信息的正确性。

用户部分有静态接收机和低、中、高动态接收机，用来满足不同用户的工作需求。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从而分析计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

1.3 GPS系统的定位原理

理论上通常需要用从 3颗不同卫星 取得的测量值来计算用户的3维模型位置，既可以是直角坐 标也可以是大地系统。但 由于接收机内部时标精度低，接收机时钟与GPS时钟运行有偏差， 因此要实现导航与定位，实际上要观测四顿卫星。

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。

图2 GPS定位原理

1.4 GPS系统的特点

全球定位系统的主要优点：

1. 可以任意选定测点，不要求地面测点间相互通视。

2. 可以直接确定测点的三维矢量分量。

3. 可以在任何气象条件下全天候观测。

4. 可以提供连续测量值，有利于检测结构变形。

5. GPS的作业速率比常规测地方法快20倍。

6. 操作简便，不需要熟练的技术人员就能操作。

随着GPS系统在社会生活中越来越广泛的应用，GPS技术也已日趋成熟。但GPS系统本身仍然存在着许多致命缺陷，如：信号抗干扰能力不足；军用的国家安全及保密要求与民用精度要求互相冲突；部分GPS星座即将失效；三位测量精度不一致等。

1.5 差分GPS简介

差分GPS（DGPS，differential GPS-DGPS）就是首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户（GPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。

根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

2 GPS系统的应用

GPS系统的早期应用主要集中在军事设备的导航方面，如坦克、战斗机、潜水艇等。2000年美国克林顿政府取消禁令，开启了GPS从军用转入民用的大门。当商用接受机WM101、WM102面世以后，GPS的应用扩展到各种民航设备、车辆导航、地震勘测以及大地测量定位等方面。

2.1 GPS系统的应用领域

1. GPS连续运行站网和综合服务系统的发展

由全球GPS连续运行站（200个左右）所组成的ICG（International GPS Service），是GPS连续运行站网和综合服务系统的典范。它无偿向全球用户提供GPS的各种信息，如GPS精密星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接受的GPS信号数据等。这些信息在大地测量和地球动力学方面支持了无数的科学项目，包括气象、参考框架、精密时间传递、地壳运动等。

2. GPS应用于电离层、对流层监测

GPS在监测电离层方面的应用，也是GPS空间气象学的开端。太空中充满了等离子体、宇宙线粒子以及各种波段的电磁辐射，由于太阳常在1秒钟内抛出百万吨量级的带电物，电离层由此受到强烈干扰，这是气象研究学的一个研究对象。通过测量电离层对GPS讯号的延迟来确定单位体积内总自由电子含量（TEC），以建立全球的电离层数学模型。

在GPS应用于对流层的研究中，IGS通过德国GFZ的“IGS对流层比较和协调中心”提供的每两小时的对流层天顶延迟系列就象是控制点，对于区域性或局域性的对流层研究来说，可以起到对流层延迟绝对值的标定作用。

3. GPS作为卫星测高仪的应用

多路径效应是GPS定位中的一种噪音，至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的“干扰”。过去几年利用大气对GPS信号延迟的噪声发展了GPS大气学，目前也正在利用GPS定位中的多路径效应发展GPS测高技术，即利用空载GPS作为测高仪进行测高。它是通过利用海面或冰面所反射的GPS信号，求定海面或冰面地形，测定波浪形态，洋流速度和方向。通常卫星测高或空载测高测的是一个点，连续测量结果在反向面上是一个截面，而GPS测高则是测量有一定宽度的带，因此可以测定反射表面的起伏(地形)。据报告，试验时在空载平面安装2台GPS接收机，1台天

线向上用于对载体的定位，1台天线向下，用于接收GPS在反射面上的讯号。

4. 卫星—卫星追踪技术

卫星对卫星的追踪(SST)技术的实质是高分辨率的测定2颗卫星间的距离变化，一般它分为两类，即高低卫星追踪和低低卫星追踪。前一类是高轨卫星(如对地静止卫星，GPS卫星等)追踪低轨(LEO)卫星或空间飞行器，后一类是处于大体为同一低轨道上的2颗卫星之间的追踪，2颗卫星间可以相距数百千米，这两类SST技术都将LEO卫星作为地球重力场的传感器，以卫星间单向或双向的微波测距系统测定卫星间的相对速度及其变率。这一速度的不规则变化所反映的信息中，就包含了地球重力场信息。卫星轨道愈低，这一速度变化受重力场的影响愈明显，所反映重力场的分辨率也愈高。

5. GPS在日常生活中的应用

随着通讯技术的发展和GPS产品的普及，各种手持GPS导航产品已越来越多地进入人们的生活中。这类产品主要是利用GPS系统的定位导航功能，在测绘、数据采集、精细农林业、位移监测，航空、航海、汽车导航，登山、远足的手持GPS终端产品等领域发挥着重要的作用与价值。

图3 GPS导航仪

2.2 GPS产业的市场现状

GPS作为最早也是目前最为成熟完善的全球卫星导航定位系统，其发展历程也代表了全球卫星定位导航航行业的发展。自2000年美国政府取消禁令，使GPS从军用转入民用，全球卫星定位导航行业得到了飞速发展。

1. 全球卫星导航定位行业

近年来，随着消费者生活水平的提高和环保意识的增强，对目的地及周边环境的精准查询需求带动了GPS导航产品市场的繁荣。据相关统计，欧美国家导航设备普及率达到90%，日本更是超过了95%。在3G时代来临之际，人们对GPS电子地图的关注度居高不下；而在导航方面，交通信息频道（TMC）的诞生和应用，也将成为GPS增长的动力之一。

据统计，2001-2008年全球GNSS应用市场规模平均增长率为24.5%，2009年全球GNSS应用市场规模达到665亿美元，比2008年增长16%。

图4 全球GNSS市场产业值及增长率

2. 中国卫星导航定位行业

我国的卫星导航定位应用市场相对起步较晚，但发展十分迅速。目前，我国卫星导航定位应用市场以消费应用为基础，专业市场应用领域正逐步扩展和深入。

近几年，随着物流业的兴起、运输成本的增加、社会治安的严峻性、交通事故的频出等一系列问题的出现，数码化产品的日益流行刺激了消费市场，从而引发了GPS类产品发展的高潮。据日本一家研究机构较为保守的预测：到2007年，中国至少将有60万辆汽车装备导航设备，导航设备将呈现高、中、低档并存，价格从万元到数千元不等的局面，产值至少超过200亿元人民币。 矢野经济研究所发布的一份“2006年中国车载导航和远程通信市场调查”结果显示，2005年车载导航及PND（个人导航设备）的市场规模为9万部，而2008年北京奥运会及2010年上海世博会将使得公交车及商务车等汽车和手机导航配置率大幅提高，预计2015年导航市场将达到260万部的规模。

表1 我国GNSS市场产值及增长速率

年份 增长速率/% 产值/亿元

2000 8.6

2001 145.3 21.1

2002 87.2 39.5

2003 77.7 70.2

2004 29.2 90.7

2005 34.1 121.6

2006 46.8 178.5

2007 18.8 265.6

2008 50.0 398.4

2009 47.2 586.6

3 其它卫星定位系统

3.1 俄罗斯“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。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯于1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。按计划，该系统将于2007年年底之前开始运营，届时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年年底前，其服务范围将拓展到全球。该系统主