量子拓扑GPS导航

00212264

附： 什么是GPS?
% B( I+ ]" i  f$ K目录• GPS概述
# J6 ?" w1 o' N• GPS构成
• GPS原理
• 相对论为GPS提供了所需的修正
8 J. _$ r4 Z, M  V• GPS前景
• GPS特点
5 z! o" K4 d8 n" c2 G; I* b% x  L• GPS功用
• GPS应用
• GPS种类
" r6 `8 |' X  a  C+ v% i, c, l) ]3 e• GPS在新世纪的发展
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% `. l! q( A  `+ |• GPS种类
• GPS在新世纪的发展  
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# i9 d! u6 w. @1 f8 p
( I5 V, Y7 v, l# G  _+ m% vGPS概述
. e+ `  M% q7 M( [即全球定位系统（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。
# i% M+ |9 B' P$ k! o( o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。
GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分———GPS星座；地面控制部分———地面监控系统；用户设备部分———GPS 信号接收机。
GPS定位技术具有高精度、高效率和低成本的优点，使其在各类大地测量控制网的加强改造和建立以及在公路工程测量和大型构造物的变形测量中得到了较为广泛的应用。
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◆GPS的前身
7 ]8 _% R" V, c) \1 bGPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit），1958年研制，64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。
4 Q) l9 `0 C7 u5 l# ^+ ]1 f/ s为此，美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道 该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的１％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。
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常用术语（这里解释全球定位系统已经太多了，我就不啰嗦了，把它设成超级链接，想看就点击吧）
' J3 U: G! @! u+ e0 |& [' P1.坐标（Cordinate)
有二维和三维两种表示。
' I! S. A$ q& {( {4 }3 m2.路标（Landmark or waypoint)
GPS内存的一个坐标值。
, ^6 J# g: R; h# `0 A3.路线（Route)
% t. w5 T; F) Y! ]% \/ ]! }, {路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标之间的线段叫一条腿。
4.前进方向（Heading)
6 K% ^& a: R- f/ a* \GPS没有指北针的功能，静止不动时是不知道方向的。
' g# I3 o8 p: i* l4 ?5.导向（Bearing）
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+ a& H: ?6 I) a  K7 uGPS构成
1。空间部分
- t9 v$ Y, ?+ d) {4 M- X5 cGPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km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运行。卫星的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,并能保持良好定位解算精度的几何图象。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 Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,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
地面控制部分由一个主控站,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受机。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到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,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。
3。用户设备部分
$ p8 X( r6 T& X8 ?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。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。
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GPS原理
9 ?5 m8 P; R# o7 m6 W  i1 KGPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
; u" x- {, t) o# J1 bGPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
/ S2 q& ]" d) w) }4 p0 U: ~GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。
0 T# |7 V' I, S* F' j' C& b按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
4 v8 ^6 S  g* Q1 d" i, V在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。
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相对论为GPS提供了所需的修正
5 ]& v9 R, y6 I2 z8 ]! H0 ~; _全球定位系统GPS卫星的定时信号提供纬度、经度和高度的信息，精确的距离测量需要精确的时钟。因此精确的GPS接受器就要用到相对论效应。
- E* p9 g% A& H准确度在30米之内的GPS接受器就意味着它已经利用了相对论效应。华盛顿大学的物理学家Clifford M. Will详细解释说：“如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步。”相对论认为快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢。Will计算出，每个GPS卫星每小时跨过大约1.4万千米的路程，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。
而引力对时间施加了更大的相对论效应。大约2万千米的高空，GPS卫星经受到的引力拉力大约相当于地面上的四分之一。结果就是星载时钟每天快45微秒， GPS要计入共38微秒的偏差。Ashby解释说：“如果卫星上没有频率补偿，每天将会增大11千米的误差。”(这种效应实事上更为复杂，因为卫星沿着一个偏心轨道，有时离地球较近，有时又离得较远。)


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2 N3 H) Q) |8 j* h! U  M0 a
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GPS前景
4 _5 i: r1 I  g/ c, Z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。
" {- b( |2 D* H3 E! w; s. E随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006年期间，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20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。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。
" l: v* C! i) l' @

1 {* X7 R, j: P; [9 F8 dGPS特点
全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。
% S( K, V! ]6 Z  p
3 f0 X3 e# _: i) W6 c. H7 l0 l& h
' ^3 r$ G( w$ b5 N: `GPS功用
全球定位系统的主要用途：(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
1 c% Y  g# g5 W+ [5 O5 h8 O9 {
( f* N$ P3 h" B' G" S
: w( f$ ~$ Y, `2 ]: ]3 z' ]: wGPS应用
　　主要是为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。例如：
0 S9 B5 q& n: U- G; F9 L6 I　　1.船舶远洋导航和进港引水
　　2.飞机航路引导和进场降落
　　3.汽车自主导航
% _1 g7 e: ~% _5 k3 Z　　4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理
( W6 ~2 F# c) P0 a  U　　5.紧急救生
　　6.个人旅游及野外探险
　　7.个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体）
　　
. v5 K9 H3 ]* U8 c% r* X　　1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步
　　2.准确时间的授入
　　3.准确频率的授入

　　1.各种等级的大地测量，控制测量
　　2.道路和各种线路放样
　　3.水下地形测量
　　4.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测
　　5.GIS应用
　　6.工程机械（轮胎吊，推土机等）控制
) T' w2 B% e9 p$ r　　7.精细农业

+ W% W# l# {: t9 `. u- W  p4 k◆GPS在道路工程中的应用
GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。
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◆GPS在汽车导航和交通管理中的应用
三维导航是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。
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（1）车辆跟踪

- W: a" h- f2 {; ~/ L+ Z5 @利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并可任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。
3 O/ O! q" t; P; Z2 k+ S
7 k: C2 b. Z- Z: M0 O1 c0 q$ a（2）提供出行路线规划和导航
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提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线的计算。人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立路线库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计路线，并同时显示汽车运行路径和运行方法。　　

（3）信息查询
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为用户提供主要物标、如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。
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  r2 t9 u. f1 E2 ]0 s& Q6 n（4）话务指挥
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1 e3 O' b  o, S- w指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。
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. {! z0 W) u, K& s- @: D（5）紧急援助
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- i/ @6 G% R! ?# _通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。
+ S! U9 z; L! ^# w# e8 |, a2 M
; c* ]: i. \- M0 T◆GPS的其它应用
- A$ O7 \  i% A0 i( t. AGPS除了用于导航、定位、测量外，由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟为基础，在地面监测站的监控下，传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用，应用该功能可进行精确时间或频率的控制，可为许多工程实验服务。此外，还可利用GPS获得气象数据，为某些实验和工程应用。
) H% R% M1 Z  `8 s" k  i
6 I9 j! ], {7 m3 N/ a全球卫星定位系统GPS是今年以来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和交通工程。目前，GPS技术在中国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，随着中国经济的发展，高等级公路的快速修建和GPS技术的应用研究的逐步深入，其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用。

. G1 J0 {/ m3 P; H  W7 N* L数据接口格式：这得细谈谈。GPS可以输出实时定位数据让其他的设备使用，这就牵扯到了数据交换协议。几乎现在所有的GPS接收机都遵循美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)所指定的标准规格，这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准，其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。NMEA协议有0180、0182和0183三种，0183可以认为是前两种的超集，现在正广泛的使用，0183有几个版本，V1.5 V2.1。所以，如果大家的GPS接收机如果要联上笔记本里通用的GPS导航程序，比如OZIEXPLORER和俺的GPSRECEIVER，就应该选择NEMA V2.0以上的协议。NMEA规定的通讯速度是4800 b/S。现在有些接收机也可以提供更高的速度，但说实话，没有什么用，4800就足够了。
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GPS种类

) I# R& F5 V; i! D& l1 IGPS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。
% m; L. \; R: z, i: q$ @  G; ^按接收机的用途分类
/ o. {/ B, S. \6 [! z! ]( C　　1. 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 一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±10m，有SA影响时为±100m。 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：
2 l3 x" y% r$ r, w+ d3 a$ o　　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。
4 a2 M( X8 r2 w8 Y7 D+ O　　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。
; ^  B' Y; J3 Q! ~/ w) s+ K! _: C　　2. 测地型接收机
' F1 ]8 q" B" {　　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。
/ l6 M5 b$ G4 {$ m  C　　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讯中时间同步。
　　4.2.2 按接收机的载波频率分类
　　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 电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。
; c9 D: C6 y* }0 k# \　　双频接收机
4 ?, Y6 J/ {' v　　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 对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。
　　4.2.3 按接收机通道数分类
. k% |7 ~9 V8 G- E! g* {　　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，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有 的通道种类可分为：
　　多通道接收机
- y1 H# L/ W5 h1 u, s4 l　　序贯通道接收机
　　多路多用通道接收机
+ j9 Z! u. |5 A! e; e　　4.2.4 按接收机工作原理分类
( D8 j; i+ g; m5 u& B. ]/ B) l; q　　码相关型接收机
9 f' `6 R( r5 a; t" I1 U　　码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。
　　平方型接收机
　　平方型接收机是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。
　　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。
　　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，测定两个测站间距离。
经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。 GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
◆测地型GPS
. ]8 R" C4 v( p" T& A4 b* v; V. a　　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）接收机即RTK.
目前，在GPS技术开发和实际应用方面，国际上较为知名的生产厂商有美国Trimble（天宝）导航公司、瑞士Leica Geosystems（徕卡测量系统）、日本TOPCON（拓普康）公司、美国Magellan（麦哲伦）公司（原泰雷兹导航）、国内有中海达、上海华测导航、南方测绘等。
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! p7 I' t5 g" c: E9 JTrimble（天宝）的GPS接收机产品主要有SPS751、SPS851、SPS781、SPS881、R8、R8GNSS、R7、R6及5800、5700等。其作为美国军方控股企业，是世界上最早研究与生产的GPS的部分企业之一，其中，SPS881,R8GNSS为72通道GPS/WAAS/EGNOS接收机，它把三频GPS接收机、GPS天线、UHF无线电和电源组合在一个袖珍单元中，具有内置Trimble Maxwell 5芯片的超跟踪技术。即使在恶劣的电磁环境中，仍然能用小于2.5瓦的功率提供对卫星有效的追踪。同时，为扩大作业覆盖范围和全面减小误差，可以同频率多基准站的方式工作。此外，它还与Trimble VRS网络技术完全兼容，其内置的WAAS和EGNOS功能提供了无基准站的实时差分定位。SPS751、SPS851、SPS551还具有接收星站差分改正信息的功能，最高单机定位精度可达到5cm。

Leica Geosystems（徕卡测量系统）是全球著名的专业测量公司，其不仅在全站仪、相机方面对行业产生了很大的影响，而且在测量型GPS的研发及GPS的应用上也做出了极大的贡献，是快速静态、动态RTK技术的先驱。其GPS1200系统中的接收机包括4种型号：GX1230 GG/ATX1230 GG、GX1230/ATX1230、GX1220和GX1210。

其中，GX1230 GG/ATX1230 GG为72通道、双频RTK测量接收机，接收机集成电台、GSM、GPRS和CDMA模块，具有连续检核（SmartCheck+）功能，可防水（水下1m）、防尘、防沙。动态精度：水平10mm+1ppm，垂直20mm+1ppm；静态精度：水平5mm+0.5ppm，垂直10mm+0.5ppm。它在20Hz时的RTK距离能够达到30km甚至更长，并且可保证厘米级的测量精度，基线在30公里时的可靠性是99.99%。

$ J3 ?: F3 Y* Q& j日本TOPCON（拓普康）公司生产的GPS接收机主要有GR-3、GB-1000、Hiper系列、Net-G3等。其中，GR-3大地测量型接收机可100％兼容三大卫星系统（GPS+GLONASS+GALIEO）的所有可用信号，他不仅仅是世界上最早研发出能同时接收美国的GPS与俄罗斯GLONASS两种卫星信号的双星技术的厂家，也是现今世界上唯一可以同时接收所有GNSS卫星的接收机技术，有72个超级跟踪频道，每个通道都可独立追踪三种卫星信号，采用抗2米摔落坚固设计，支持蓝牙通讯，内置GSM/GPRS模块（可选）。静态、快速静态的精度：水平3mm+0.5ppm，垂直5mm+0.5ppm；RTK精度：水平10mm+1ppm，垂直15mm+1ppm；DGPS精度：优于25cm。值得一提的是，该款接收机于2007年2月在德国获得了2007年度iF工业设计大奖，这款仪器的外观打破了测量型GPS的常规模式，更具科学性与人性化设计。

中海达测绘的GPS接收机产品主要包括静态一体化接收机HD-8200G和GD-8200X，其中HD-8200G配备有无线遥控器，可远距离查看卫星状况等关键信息，8200X配备有语音导航功能，可通过面板直接设置静态采集关键参数卫星高度角和采样间隔。RTK产品主要有珠峰HD-5800、V8 CORS RTK、V8 GNSS RTK。RTK作业精度：静态后处理精度： 平面：±2.5mm＋1ppm，高程：±5.0mm＋1ppm，RTK定位精度： 平面：±1cm＋1ppm，高程：±2cm＋1ppm，码差分定位精度：0.45m（CEP），单机定位精度：1.5m（CEP）。V8具有八大创新技术，详情参见http://www.zhdgps.com

2 t1 z! b8 ?3 r4 @* v. v6 U: M华测导航的GPS接收机产品主要有X60CORS、X20单频接收机、X90一体化RTK、X60双频接收机等。国内通过中华人民共和国制造计量器具许可证获得的精度最高的产品，其中，X90为28通道双频GPS接收机，集成双频GPS接收机、双频测量型GPS天线、UHF无线电、进口蓝牙模块和电池，动态精度：水平10mm+1ppm，垂直20mm+1ppm；静态精度：水平5mm+1ppm，垂直10mm+1ppm，能达到10－30公里的作用范围（因实际地域情况有所差别），既可以承受从3米高度跌落到坚硬的地面，也可浸入水下1米深处进行测量。X90具有静态、快速静态、RTK、PPK、码差分等多种测量模式，精度范围为毫米级到亚米级。 而且可与天宝，徕卡等主流品牌联合作业。
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南方测绘的GPS接收机产品主要有RTK S82、S86、蓝牙静态GPS、等。其中S82采用一体化设计，集成GPS天线、UHF数据链、OEM主板、蓝牙通讯模块、锂电池，其RTK定位精度：平面±（2cm+1ppm），垂直±（3cm+1ppm）；静态后处理精度：平面±（5mm+0.5ppm），垂直±（10mm+1ppm）；单机定位精度：1.5m(CEP)；码差分定位精度：0.45m(CEP)。
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◆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。

◆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。
& O2 H& J" d4 a7 X' n4 q+ C/ _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。
4 J* a6 L  B/ L3 [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。
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9 `) y: ~0 C; J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。该方案基于NXP的PNX1090 Nexperia移动多媒体处理器硬件和由NXP与合作伙伴ALK Technologies联合开发的软件。NXP声称，该方案提供了设计师搭建一个带导航能力的低成本、多媒体功能丰富的便携式媒体播放器所需的一切，这些多媒体功能包括：MP3播放、标准和高清晰度视频播放和录制、FM收音、图像存储和游戏。NXP以其运行于PNX0190上的swGPS Personal软件来实现GPS计算，从而取代了一个GPS基带处理器，进而降低了材料清单(BOM)成本并支持现场升级。
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3 u' G' g0 P- C跟随GPS 的一系列关联的应用都设计到数学和算法，和GIS系统，地图投影，坐标系转换!
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由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS（DGPS），定位精度可提高到5米。
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GPS预警器
4 V% v0 r+ G8 l4 J4 ZGPS预警器是通过GPS卫星在GPS预警器中设定坐标来完成的，比如遇到一个电子眼，然后通过相关设备在电子眼的正下方设立一个坐标，这样，使得装上这个坐标点数据的预警器到达这个点时，在达到坐标点的前300米左右就会开始预警，告诉车主前面有电子眼测速，不能超速驾驶，这样就起到一个预警作用。这样的准确率跟数据点的多少是有关系的，主要就是利用卫星的定位来实现了。
试机辨真假
　　记者通过汽车美容店的一朋友协助，挑选了4款所谓的“GPS预警机”，通过调研和试机对比，确认其中一款是冒牌GPS的“电子狗”。并得出以下结论：
　　A. GPS预警器：一个预警点报警一次，单向预警；定点报警，不受干扰；预警准确率可达98%以上。可选择的音乐和语音种类多，音质较好。
1 _7 V0 a8 r3 U7 i. P, D6 x0 h$ _9 f; S　　B.假GPS预警器：同一个预警点报警两次（驶向预警点和离开预警点都报警）；会受某些公共设施如电塔干扰误报警；多有漏报，准确性率低不足70%；报警音乐和语音单一，音质较差
3 z2 {. \$ M- i( y' M  fGPStar智能GPS系统
' F: b( S2 i5 S/ y9 g主要由两大部分组成，即：本地的监控中心软件管理平台和远程的GPS智能车载终端。远程的GPS智能车载终端将车辆所处的位置信息、运行速度、运行轨迹等数据传回到监控中心，监控中心接收到这些数据后，会立即进行分析、比对等处理，并将处理结果以正常信息或者报警信息两类形式显示给管理员，由管理员决定是否要对目标车辆采取必要措施。

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GPS在新世纪的发展
0 n, \# M8 J1 u0 U. G/ K$ e8 _8 E$ l" `
进入21世纪，全球定位系统(GPS)在各方面的应用都将加强和发展。本文对GPS走向21世纪时的最新发展情况，特别是当前国际GPS服务(1GS)的产品内容、应用和服务等方面作重点介绍。
2 n" w. b% o. n! N　　一 、GPS连续运行站网和综合服务系统的发展
# \/ [0 ?" Y- m在全球地基GPS连续运行站(约200个)的基础上所组成的IGS(International GPS Service)，是GPS连续运行站网和综合服务系统的范例。它无偿向全球用户提供GPS各种信息，如GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接收的GPS信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。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，包括电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨的推算地球自转速率及其变化、地壳运动等。
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- H( A3 a! G7 B" l1 ]* A(1) IGS现在提供的轨道有三类：一是最终(精密)轨道，要在10—12天以后得到它，常用于精密定位；二是快报轨道，要在1天以后得到，它常用于大气的水汽含量、电离层计算等；还有一类是预报轨道。

关于对GPS星钟偏差方面的估计，目前只有两个IGS分析中心提供。IGS目前近200个永久连续运行的全球跟踪站中，使用的外部频率标准近70个，其中约30个使用氢钟，约20个使用铯原子钟，约20个使用铷原子钟，其余的使用GPS内部的晶体震荡器。
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(2) IGS还提供极移和世界时信息。IGS公布的最终的每日极坐标(x，y)，其精度为±0.1mas，快报的相应精度为±0.2mas。GPS作为一种空间大地测量技术，本身并不具备测定世界时(UT)的功能，但由于一方面GPS卫星轨道参数和UT相关，另一方面，也和测定地球自转速率有关，而自转速率又是UT的时间导数，因此IGS仍能给出每天的日长(LOD)值。IGS现在还能进一步求定章动项和高分辨率的极移(达每2小时1次，而不是现在的1天1次)，后者主要源于IGS各观测站观测质量的提高，数据传输迅速和及时，以及数据处理方法的改进，并没有本质的改变，而前者却是技术上的一个跨跃。

) a: @0 q! r1 r; ?' F) T(3) IGS提供的一个极为有用和重要的信息是IGS的那些连续运行站(跟踪站)的坐标、相应的框架、历元和站移动速度。前者精度好于1cm，后者精度好于1mm/y。IGS站坐标所采用的坐标参考框架是和IERS互相协调的。1993年末开始使用ITRF91，1994年使用ITRF92，1995年到1996年中期使用ITRF93，1996年中期到1998年4月一直使用ITRF94，1998年3月1日转而采用ITRF96，1999年8月1日开始IGS采用ITRF97。

* b, ~* e. @& q6 L(4) IGS在测定短期章动方面的新贡献。众所周知，地球自转轴在地球表面上的移动称为极移，而它在惯性空间中的运动称为岁差和章动。
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GPS技术不能确定UT，而只能确定日长。同样这一原则也适用于章动，即GPS数据不能测定章动的经度和倾角，但能确定这些量的时间变率(对时间的导数)。基于这一原理，用了3年的每天的ψ和ε值的资料，估算短期章动项的章动振幅，并与VLBI结果作了比较。结论认为，就测定章动短周期项而言，GPS方法优于VLBI，而对超过1个月以上的长周期而言，VLBI较优。

' f" P  O* ?+ U. i4 U8 N( ?# ]8 N由于对GPS技术的IGS作出了如此大的成绩和贡献，因此1999年9月各国的VLBI站和SLR站决定也组织类似于IGS的相应的IVS和IVRS。法国的DORIS和德国的PRARE也正在考虑成立类似模式的国际组织。力求使这类空间大地测量观测系统组织起来，提高效率、提高精度和可靠性。
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就地区性的GPS连续运行站网和综合服务系统而言，发达国家也已做了很多这方面工作，取得了进展。在美国布设了GPS“连续运行参考站”(CORS)系统。它由美国大地测量局(NGS)负责，该系统的当前目标是（1）使美国各地的全部用户能更方便的利用它来达到厘米级水平的定位和导航；（2）促进用户利用CORS来发展GIS；（3）监测地壳形变；④求定大气中水汽分布；⑤监测电离层中自由电子浓度和分布。

, `, }% F. b5 n3 f6 w, n5 s截止1999年9月CORS已有156个站，而美国NGS宣布为了强化CORS系统，从现在起，以每个月增加3个站的速度来改善该系统的空间覆盖率。此外，CORS的数据和信息包括接收的伪距和相位信息、站坐标、站移动速率矢量、GPS星气、站四周的气象数据等，用户可以通过信息网络，如Internet很容易下载而得到。
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英国建立的“连续运行GPS参考站”(COGPS)系统的功能和目标类似于上述CORS，但结合英国本土情况还多了一项监测英伦三岛周围的海平面相对和绝对变化的任务。英国的COGPS由测绘局、环保局、气象局、农业部、海洋实验室共同负责。目前已有近30个GPS连续运行站，今后的打算是扩建COGPS系统和建立一个中心，其主要任务是传输、提供、归档、处理和分析GPS各站数据。

" w- Y1 D. u1 J! p" F日本已建成全国近1200个GPS连续运行站网的综合服务系统。目前它在以监测地壳形变、预报地震为主功能的基础上，结合气象和大气部门开展GPS大气学的服务。
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二、 GPS应用于电离层监测

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、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，电离层由此而受到强烈干扰，这是空间气象学研究的一个对象。通过测定电离层对GPS讯号的延迟来确定在单位体积内总自由电子含量(TEC)，以建立全球的电离层数字模型。

GPS卫星发射L1和L2。两个载波。由这两个载波可以削弱电离层对GPS定位的影响，或者说可以求定电离层折射。因为这一折射和载波频率有关。

当人们建立地区或全球电离层数字模型时，总是作简化的假定，所有自由电子含量都表示在一个单层面上，该面离地面高为H。这样的话，电子含量正可以用在接收机和卫星连线与此单层面交点(刺入点)处的电子含量Es表示，它可以视为E与刺入点处天顶距Z'的函数Ecos Z'＝Es。可以将在球面上的电子浓度Es加以模型化，例如写成经纬度的球谐函数等，这方面有很多专家提出了各种模型。IGS提出了一种电离层地图的交换格式(10nosphere Map Exchange Format，IONEX—Format)，它的作用是使基于各种理论和技术所获得的电离层地图能在统一规格的基础上进行综合和比较。电离层模型有各不相同的理论基础，而取得的数据来源的技术也不同，数据覆盖面也不完整，所以目前只能将IGS和全球各种TEC的图和GPS卫星讯号的差分码偏差(differential code biases—DCBS)用IONEX形式向全世界用户提供，下一步将通过比较，逐步联合起来。
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7 Z- i! ]: n- l8 I1 r8 z三、 GPS应用于对流层监测

+ M8 s3 N" X& U) N: z2 \2 ]在GPS应用中，早期主要是轨道误差影响定位精度，而且早期的GPS基线相对来说比较短，高差不大，因此对对流层的研究没有给予很大的重视。直到近期由于GPS轨道精度大大提高后，对流层折射已成为限制GPS定位精度提高的一个重要障碍。假设一个高程基本为零的地区，接收机所接收的GPS讯号从天顶方向传来的话，其延迟可以达到2．2—2．6m这一量级，而2小时内这一延迟变化可达10cm不是少见的(所以IGS分析中心提供的对流层参数是用2小时间隔一次)。也由于这个实际情况，对流层折射要顾及其随机过程的变化来加以模型化。

$ [5 ]2 J! l6 [0 c) j- ]! G在GPS应用于对流层研究中，IGS的快速轨道和预报轨道信息对于天气预报会起重大作用。此外，IGS通过德国GFZ的“IGS对流层比较和协调中心”提供的每2小时的对流层天顶延迟系列就象是控制点，对于区域性或局部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。
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% I- d$ v- Q$ Q与地基GPS大气监测不同，星基或空基GPS掩星法测定气象的技术有覆盖面广，垂直分辨好，数据获取速度快的优点。这一技术的原理是将GPS接收机放在某一低轨卫星(LEO)或飞行器的平台上，该GPS接收机一方面起到对该卫星(或飞行器)精确定轨的作用，同时又应用GPS掩星技术起到大气探测器的作用。在1997年进行的GPS/MET研究项目，证实了这个设想是可行的。预定于2000年4月发射的CHAMP卫星要利用GPS掩星法进行全球对流层折射(包括大气可降水分)的测定。
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在今后几年中，还有阿根廷的SAC—C，我国台湾的COS—MIC，这些LEO卫星都要用星载GPS来定轨和利用掩星法测大气。

3 y: A0 |( A& U  ?7 F8 M; b) n今后利用星载GPS的气象和电子浓度截面数值，结合地面GPS站数据，作成层折图像提供使用。今后3年中GPS／MET项目研究还要进行6次，预计它将在天气预报、空间天气预报、气象监测方面做出巨大贡献。
* n$ P1 N, \: u$ ]8 ~: S# {
, S/ k( C! z' |& W8 w四 、GPS作为卫星测高仪的应用
8 D# c6 y. K+ f0 K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。美国在海上作了测定洋流和波浪的试验。丹麦在格凌兰作了测定冰面地形及其变化的试验。
* r6 J( l& J: c( ]+ L! n1 z
! c% E; S% \: V8 y: a+ V　　五 、卫星一卫星追踪技术
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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(LEO)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 s% ]$ u6 B$ O, ?( @# ]这两类SST技术中，以高低卫星追踪所获得的信息比较丰富，这是因为：

5 k0 w6 Y1 l* |& Q: P+ `9 e# I高轨卫星，特别是有多个高轨卫星(如GPS)能获得低轨卫星处于大部分轨道上所传递的信息；（2）对地面重力场的中波、长波、短波信息都能恢复；（3）不同于低轨卫星，高轨卫星受重力场影响比较小，因此卫星间速度变化能比较好的反映重力场信息，同时高卫星的轨道也比较容易精确的求定。
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' w$ u5 i3 h8 N5 s- `8 W! C- pSST技术的第一次试验是在1975年进行的，高轨卫星是对地静止卫星(GEO)ETS一6，而低轨卫星为NIMBUS—6和APOLLO—SYYUS，但由于观测值的分辨率和精度太低(低于10μm／s)，而没有取得很满意的成果，因此NASA放弃了此项研究；一直到1991年，利用GPS卫星作高轨卫星再次进行了试验，用LANDSAT作为低轨卫星，在该卫星平面上装GPS接收机，进行定轨和测定高低卫星间距离及其变率的试验，后来在T／P海洋测高卫星上也作过类似试验，也由于测定距离及其变率的分辨率和精度不高，而没有令人满意的结果；这次欧空局(ESA)在德国(GFZ)主持下所发射的CHAMP，GRACE和GOCE3颗卫星，在今后10年中将专门进行SST和卫星重力梯度测量(SGG)的试验，以改善对地球重力场的认识。
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1 F7 Q2 b4 \7 n$ c. b$ u* D" BIGS认为持续地支持低轨卫星(LEO)是它的一项重要任务方面，因此专门建立了LEO工作组。LEO工作组制定了工作计划，并提出了一些建议：①建立IGS为追踪LEO的相应标准化地面站网，以满足LEO的要求；②IGS以短于24小时速率，对这些地面站网的数据进行传输和处理，提供LEO所需要的数据和产品；③为地面站网的GPS 1 Hz采样率数据建立相应的GPS数据交换格式；④了解调查IGS精密轨道对LEO平台上GPS数据采集的作用和意义。

1994年GPS就全面进入正式运行,该系统由21颗卫星
组成,分别沿6个轨道平面运行,还有3颗卫星一直处于热
8 g2 Y1 N, d8 v备份状态,总计24颗.但在轨道上运行的GPS卫星总数实
: G) m8 V) \3 r' j5 a际上是变动的,在1998年就有27颗GPS卫星在轨道上运
3 }* t* W* v' J! Y+ N3 ~+ j; r行.若从与赤道面55°倾角算第一个轨道面,则其他5个轨道
面均以此为基础,彼此各以60°角度相交.
收稿日期:2000201213
GPS卫星的核心是一个高质量的振荡器,它产生两个相
' q" \9 m0 Z2 Y2 z关的波,即L频段的L1(1. 57542GH z)和L2(1. 2276GH z).
GPS的信息是由相位调制技术加载在上述2个频段上发射
的.这些信息包括所谓的C A码(只在L1上)和P码,或复
合成Y码(在L1和L2上都有).在播发的载于L1上的信
$ I! t' k" g/ j$ B息,可以使用户在任何时刻获得GPS卫星的近似位置(广播
8 J) G0 z8 J1 p星历)和GPS卫星在GPS时间框架中播发上述讯号的时间,
GPS用户就可以由此确定自己的位置.
& x' X' M7 v+ t" T% \& I. F所有GPS用户都可以收到C A码,其设计的实时定位
精度一般在30m左右,但在目前SA影响下,只有100m左
2 b0 Z5 ^, u& H" @( m2 Y右.P码(Y码)只给军用,可以有至少高于10倍的精度.
其定位原理可以简述如下.GPS卫星j,在GPS卫星时
2 T& y% \" Q1 |) I间框架内于Sj时刻发射信号,这一信号被接收机i在接收机
) O7 |/ R# |7 Y6 B6 ^' I时钟的时刻ti(即接收时刻或观测时刻)收到,二者间伪距为
/ M- x0 l$ V3 ?( E9 N( u# C6 k: ZPj
i,可写为Pj
/ c; m# U- d. ?1 u4 x3 U0 [i=c(Sj—ti).式中c是光速,Pj
i与二个因子有
* E0 e. h7 o2 J2 {3 j" \9 {关,一是时刻ti的斜距(卫星j和接收机i)Qj
i;二是时刻ti的
6 M6 s  o9 R# J- p3 k大气的延迟.Qj
i是一个几何距离,它指接收机i在观测时刻ti
& Q- A6 z' z" u5 [( A: t的位置R(ti)和卫星在Sj时刻的位置r(Sj)之间的直线距离.
" V# m4 L% z0 ~! A0 M它与伪距Pi
j的关系式为
8 d  E# a' Y3 l7 W7 HPj
i=Qj
' q' M" A' Q. v, M8 T: X# @i-c$tj+c$ti+$Qj
i, ion+$Qj
  \" g" e5 r! g; L# J% L: pi, trop(1)
, _# i' \. a% x3 o+ t3 s- D式中Qj
i≈ r(Sj)-R(ti) ;r(Sj)指卫星在发射时刻Sj的位置
(地心矢量);R(ti)是指接收机i在ti时刻的位置(地心矢
1 j; t+ x. S3 E( [量);$tj是卫星j的钟(误)差(相对于理想的GPS时间框
架);$ti是接收机i的钟(误)差(也是相对于理想的GPS时
间框架);$Qj
6 \9 }, [! j( t8 T. ~7 ?2 p. @i, trop是大气对流层折射对讯号的延迟;$Qj
2 P9 ~+ G9 E; g: f1 T. {( Gi, ion是
5 o  f" f  C9 X: i4 [, c$ U) \1 v; w大气电离层折射对讯号的延迟.
4 N# w) D2 @: i& I; X: p8 J对精确定位而言,GPS的相位观测有重要作用,在时刻
ti接收到的GPS信号的相位为5j
8 ~' L3 q, j2 F7 T, \i(含小数部分).Nj
6 }4 `9 ~: g/ Ji为载波
相位整周个数,是未知数.其相应的相位观测方程为
# K  n" t% A$ c" ?9 KK5j
! n' _; \, T+ gi=Qj
9 Q9 i& @. {& O  p: W9 Ii-$Qj
% l8 }' p' R5 @$ li, ion+$Qj
i, trop-c$tj+c$ti+KNj
i(2)
式中Nj
i是对卫星j和接收机i的初始相位模糊度.
; P8 ]! t! I% |$ H% h3 a, R利用相位和利用码定位的主要区别在于:(1)前者定位
" y& }% q& m& v精度高,中误差常在±1mm左右;(2)当接收机保持连续追
% l& a& {$ R. R踪以时间为函数的这一整周数时,所需要的只是每个卫星通
" c# N% I' K4 R2 P4 {; y过时的初始相位模糊度数Nj
2 Q6 y6 |8 C* Z! B% g, si;(3)利用码和相位定位时,电
/ S, l, V0 t% g1 v/ ~8 \$ _0 g离层折射符号不同,对于信号延迟而言,则相位超前.
在式(1)和(2)中,所反映的信息有以下几个方面:(1)斜
; |- y+ u' F2 G距Qj
i所包含的几何信息使我们可以反演和导出卫星轨道,接
收机位置和地球自转参数;(2)大气信息包含在$Qj
i, ion和
$Qj
i, trop中;(3)星钟的信息包含在$tj中;(4)接收机钟的信
息包含在$tj中.
. w' L. `8 g: D# r/ [# r一个接收机在准同步的情况下接收2个不同卫星的伪
  z$ h3 K% t. h/ Z# _6 @# j0 }7 o' n距(这里所谓的准同步是因为卫星钟和接收钟都有一点误
" u9 p# p. l4 E( n  [! h4 J差),由此得到的伪距差,不再包括接收机钟差;而由2个接
收机(i和k)在准同步的情况下,接收同一颗卫星所得的伪
% S3 S1 u( {5 G1 H" g3 n4 ^+ o距差,不再包括星钟差.显然,由不同卫星,或由不同接收机
  a* o2 T0 a3 x% B所得的伪距差之差,称为双差观测量,即既不包括星钟差,也
) r: {/ }) D) W- e不包括接收机钟差(当然,实际上,只是消除了这些"差"的大
部分,而不是全部).
在GPS网的数据处理中,主要的观测量是双差值.对于
GPS长基线或大的GPS网,其主要的误差源是GPS轨道误
5 k% e  ^5 a( j9 o差,其粗略的估算法则为
" s3 f" R7 W* M. m! \% H$Qcoord≈
3 V2 U$ o# P$ u0 P& T2 @/ j7 T! }1
# }$ @8 H& B+ Z5 `% \d
$Qorbit(3)
0 ?$ `- w0 p' r8 N: S* @9 G式中$Qorbit是GPS卫星位置误差(即轨道误差);$Qcoord是由
6 l. O; f% m- Y2 p6 z& l( D. U此导致的用GPS观测相连2点的坐标(差)误差;l是GPS基
8 b; |  r! F& r/ u# T3 h! d* X8 j6 Q线的长度,或是GPS网的半径;d取20 000～25 000km,是
) k( @$ p0 O% i测区至所采用的GPS卫星之间的距离.
$ w, h- t' r6 d- i. N. {" G二,GPS连续运行站网和综合服务系统的发展
在全球地基GPS连续运行站(约200个)的基础上所组
成的IGS(In te rna t io na lGPSSe rv ice),是GPS连续运行站网
+ P# i; P) U  ?( ]和综合服务系统的范例.它无偿向全球用户提供GPS各种
/ I( W5 g8 r: K& O  h信息,如GPS精密星历,快速星历,预报星历,IGS站坐标及
其运动速率,IGS站所接收的GPS信号的相位和伪距数据,
6 S' [) d) m( ?. V; s12000年 第3期 测 绘 通 报
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地球自转速率等.这些信息在大地测量和地球动力学方面支
7 j8 |$ Q2 K' Q  J6 o( t持了无数的科学项目,包括电离层,气象,参考框架,精密时
间传递,高分辨的推算地球自转速率及其变化,地壳运动等
% b' |, f1 O5 G; U: v等.
(1)IGS现在提供的轨道(见表1)有三类.一是最终(精
* S2 f& j. d9 @密)轨道,要在10～12d以后得到,它常用于精密定位.二是
快报轨道,要在一天以后得到,它常用于大气的水汽含量,电
& i5 }' t: s9 J% E4 @* ]离层计算等.还有一类是预报轨道.
表1 IGS产品一览表(1999年3月)
预报(IGP)快速(IGR)精密(IGS)
8 \) j/ ~% z. S0 I  K4 r4 Q+ f星历
时间实时1～2d后10～12d后
* w9 ^3 o( e4 F$ N! X精度50cm10cm5cm
星钟
  a' b: ]: E7 }7 p# s, H时间实时1～2d后10～12d后
$ H# ^4 h) S' t) Z精度150n s0. 5n s0. 3n s
3 e- C& \1 Z0 M. L' c: z/ F0 m# g, g极移
1 ?1 V' _$ i* [( [$ Y/ u( Q时间1～2d后10～12d后
精度0. 2m a s0. 1m a s
" g' z2 m& w) h7 `/ }# L极移速率
时间1～2d后10～12d后
/ g4 Y$ k6 B4 b& J2 m/ f5 `精度0. 4m a s d0. 2m a s d
  M  ?4 n/ T3 H! {% L# a, h2 y世界时
, e. y/ t+ q5 Q) {/ x时间1～2d后10～12d后
9 @7 W% g  M, r精度300Ls50Ls
周日长
时间1～2d后10～12d后
8 O5 M8 W+ R  N$ A2 W7 i! h精度60Ls d30Ls d
IGS站坐
标
- E1 A. O; t) s. y/ f  l时间5～7d后1年后
精度5cm1cm
* E% ]5 G. n' z3 B: [  R- jIGS站速
; f4 ]0 u( {9 x. E率
) V' b) ~5 ~  _8 j2 F7 E( l时间1年后
精度1mm
T EC
时间1d后
& n8 V5 {5 V9 y) U. }- b1 d精度
4 E2 j4 }" a1 p9 K2 [; HZPD
9 Z! @8 [* z9 |) [) v& L时间4星期后
精度5mm
8 x5 H+ P: A# }(2)关于对GPS星钟偏差方面的估计,目前只有两个
6 ]4 o4 u5 g/ L& AIGS分析中心提供.IGS目前近200个永久连续运行的全球
跟踪站中,使用的外部频率标准近70个,其中约30个使用
氢钟,约20个使用铯原子钟,约20个使用铷原子钟,其余的
使用GPS内部的晶体震荡器.
(3)IGS还提供极移和世界时信息(参见表1).IGS公布
3 ^1 }; _) y0 v8 X* Z: ?/ f的最终的每日极坐标(x,y),其精度为±0. 1m a s,快报的相应
4 g, n0 L( E# y# [精度为±0. 2m a s.GPS作为一种空间大地测量技术,本身并
不具备测定世界时(U T)的功能,但由于一方面GPS卫星轨
道参数和U T相关,另一方面,也和测定地球自转速率有关,
5 ]5 I5 f2 S# l# u% u6 `6 u# }而自转速率又是U T的时间导数,因此IGS仍能给出每天的
: e3 U4 U! F0 n; }日长(LOD)值.IGS现在还能进一步求定章动项和高分辨率
的极移(达每2小时1次,而不是现在的1天1次),后者主
* M6 _( H9 E' C0 ?# G5 t要源于IGS各观测站观测质量的提高,数据传输迅速和及
+ t& z! Q9 i3 v0 L7 F时,以及数据处理方法的改进,并没有本质的改变,而前者却
是技术上的一个跨跃.
6 M+ a1 w. K& o4 A/ u! T(4)IGS提供的一个极为有用和重要的信息是IGS的那
( l" g; q5 h' U# e, Q/ g1 d些连续运行站(跟踪站)的坐标,相应的框架,历元和站移动
速率,前者精度好于1cm,后者精度好于1mm a.IGS站坐
标所采用的坐标参考框架是和IER S互相协调的.1993年末
; V# G9 J6 |9 ~: ?3 Z. U开始使用ITR F91, 1994年使用ITR F92, 1995年到1996年
中期使用ITR F93, 1996年中期到1998年4月一直使用
9 R6 D9 I8 E2 q0 Q% e: c# UITR F94, 1998年3月1日转而采用ITR F96, 1999年8月1
日开始IGS采用1TR F97.
(5)IGS在测定短期章动方面的新贡献.众所周知,地球
& h! O. k8 ^4 g+ X0 ]自转轴在地球表面上的移动称为极移,而它在惯性空间中的
运动称为岁差和章动.GPS技术不能确定U T,而只能确定
日长.同样这一原则也适用于章动,即GPS数据不能测定章
. i4 s5 e( ]9 N) |2 G动的经度和倾角,但能确定这些量的时间变率(对时间的导
7 E  H! R' d# s数).基于这一原理,用了3年的每天的W和E值的资料,估
/ P0 h$ R) W* ?5 v0 Q2 f" ]. }算短期章动项的章动振幅,并与VLB I结果作了比较,结论
6 }% w2 B4 f8 r$ ~认为,就测定章动短周期项而言,GPS方法优于VLB I,而对
! h9 i2 q* k- D, y超过一个月以上的长周期而言,VLB I较优.
由于对于GPS技术的IGS作出了如此大的成绩和贡
献,因此在1999年9月各国的VLB I站和SL R站决定组织
2 r5 z2 m" @4 X类似于IGS的相应的IV S和IL R S.法国的DO R IS和德国的
PRA R E也正在考虑成立类似模式的国际组织.力求使这类
8 ]7 Y4 ?  `1 ?7 T# V  E空间大地测量观测系统组织起来,提高效率,提高精度和可
靠性.

palmer

太复杂， 看不懂。
不过GPS 按已经会用了。

tomgod

到底你这个GPS与量子拓扑有什么关系？或者只是个用来卖狗肉的羊头？

埃城西安人

萨隆吧斯

guanggao