陈肇新(中国科学院空间科学与应用研究中心)
荆其一 陈宙(北京川页电气公司)
1 GPS系统的组成
全球定位系统(GPS)的建成是导航史上的一项重大成就，它利用导航卫星发射的信号来进行定位整个系统由导航卫星、地面控制站和用户接收机三个部分组成。
GPS是美国继“阿波罗”登月飞船和航天飞机后的第三大航天技术工程。从70年代开始到1994年3月9日整个GPS星座配备完成，历时20年，终于建成了由24颗卫星组成的GPS。该系统可提供一天24小时全球定位服务。每颗卫星内安装有一座铷频核原子钟、微电脑、电子存储器的信号接收/发送设备，它们皆以太阳能电池作为电源。这些卫星位于地球上空20 183km的轨道上组成卫星网。每颗卫星重464km，直径1.5m，采用三轴稳定系统，卫星运行采用圆形轨道，运行周期为11小时58分。卫星分布于6个轨道面上，6个轨道面于赤道面成55°角，轨道间夹角为60°，每条轨道上有4颗卫星。
这些卫星采用先进的扩频技术(spread spectrum)，以L1、L2两个频率，将定位信号24小时不停地发射给用户，覆盖全球表面。GPS卫星发射三种信号：即精密的P码，其频率为10.23MHz，非精密的C/A捕获码，其频率为1.023MHz以及导航电文。
地面控制部分是整个系统的中枢，由美国国防部JPO管理，它包括一个主控站，5个监控站。主控站设在美国的范登堡基地，负责对地面监控站的全面控制，监控站分别设在夏威夷、阿拉斯加、关岛、加利福尼亚。监控站内装备有接收机、原子钟、气象传感器及数据处理计算机，其任务是追踪及预测GPS卫星轨道，控制GPS卫星状态及轨迹偏差，维护GPS系统的正常运作。
用户部分则是适用于各种用途的GPS接收机，其主要功能是接收GPS卫星播发的定位信息，GPS用户接收机是由主机、电源和天线组成。
主机的核心部件是信道电路、基带处理电路和中央处理器，在专用软件的控制下，进行作业卫星选择、数据搜集、加工、传输、处理和存储，其天线则接收来自各方位的导航卫星信号。
GPS接收机接收到从卫星传来的连续不断的编码信号后，再根据这些编码辨认相关的卫星，从导航电文中获取卫星的位置和时间，然后计算出接收机(即用户)所在的准确地理位置。
2 GPS导航定位技术的迅速发展
GPS最初为美国军方所专用，由其控制和操作。海湾战争后，开放了C/A码，并且降低了它的精度。尽管如此，GPS全天候向全球瞬时提供高精度定位及时间信息，引起了全世界的强烈兴趣。各国科技工作者研究出种种方法，如相位法、差分测量法等等，大大提高了测量结果的精度，满足了各国广泛应用的要求，同时也推动了GPS导航定位技术的迅速发展。
2.1高空科学气球GPS跟踪定位系统
在高空科学气球发放、飞行、降落和回收过程中，采用了由GPS接收机、专用MODEM、无线电台遥测信道、586微机、数字化电子地图、专用软件等构成的定位导航系统，能在地面指挥中心的微机终端和投影屏上，以及在地面跟踪的回收汽车上的便携微机上，实时显示高空科学气球的飞行航迹和回收汽车的行进路线，基伫位业及其达到30m，其定位数据每秒钟更新一次。在该系统的支持下，指挥中心的指挥人员和回收人员能实时了解高空气球和回收人员在电子地图上的地理、海拔高度、移动速度、移动方向。当高空科学气球降落到地面后，回收人员可根据气球落点和自己当时所在的位置，选择最佳路线，迅速到达降落地点，确保高空气球及探测仪器的安全回收。
2.2 移动车辆GPS自动定位技术
卫星定位监控系统采用GPS、GIS(地理信息系统)、数据库及通信技术，对移动车辆进行实时监控。其系统主要分为两大部分，一部分是由微机或工作站、打印设备、电台等组成的实时监控中心；另一部分是由移动终端组成。它们之间通过无线通信方式相互联系。
监控中心通信电台对移动车辆进行指令接收，将移动车辆的定位信息进行接收，并在数字化电子地图上显示出来，同时也可将监控中心的命令发送给所需要监控的移动车辆。
移动终端是由GPS接收机、CPU、调制解调器、发射机组成。GPS接收机接收GPS导航星发出睥信息，它采用NMEA-0183协仪，CPU起控制、协调各部分工作的主导作用。调制解调器是将数字信号转换成模拟信号或将模拟信号转换为计算机能识别的数字信号。
由中国空间科学学会空间探测专业委员会、北京川页电气公司、中科院高能物理研究所等单位，联合开发的GPS防盗车安全系统，如果盗车贼偷盗装有此安全系统的车辆，其控制中心可在10秒钟内通过数字化电子地图和数据库，确定移动车辆的方位、逃跑路线、车牌颜色和车主的姓名、电话、寻呼号码，及时通知车主并按车主要求监控、报警，实施截获。适当布置网站，可扩大监控范围，并增加跟控目标数或实现全国联网。
此外，GPS防盗车安全系统，根据需要还可对监控的车辆进行调度、管理、提高运输能力。
2.3GPS精密计时
GPS定位原理是建立在信号传播时间的测量上，因此将公认的时间基准通过GPS信号传播，就实现了全球基准时间的传播和比对。据此利用GPS部件，经过二次开发，研制比精密的GPS同步时钟。GPS同步时钟主要由GPS天线、GPS接收机、中心处理机和电源等组成。GPS接收机通过天线将接收的GPS信号，向中心处理机提供NMEA0183串行码，它包括日期、世界时、定位结果和GPS卫星状态等数据，同时提供每秒一次的高精度时间脉冲信号。
该GPS同步时钟通过数码管显示北京时的年、月、日、时、分、秒及系统频率，并且还没有一个RS422和四个RS232串口。
2.4利用GPS技术确定地球卫星轨道
利用GPS技术能够完成对任何地球卫星轨道的确定。1982年，国际上首次利用GPS技术为地球卫星定轨。当时GPS导航星还很少，一年中只有几次机会。采用C/A码直接定轨，其定位精度约为11m。
对于低于2 500km轨道上的卫星，采用差分定轨技术，能够改善精度，可提高1~2数量级。只要设计合理，其精度可满足要求。
2.5 舰船、飞机的导航定位
在浩瀚海洋中航行和潜航的各种军用民用船只都可以利用GPS技术进行导航定位。这对海洋测量、海上石油勘探、海上作业、海底管道铺设、海港领航、海上协同作战等都具有重要意义。
GPS对飞机可连续导航，并为其提供高精度的三维定位和测速信息，这对缩短航线、节约燃料、引导飞机安全着陆，以及进行空中管制都起着重要作用。
2.6 导弹的精确制导
弹载GPS接收机可在高速条件下提供精确的三维位置、速度和时间，这将有效地解决惯性制导系统的累积误差问题，极大地提高了制导精度，这对反导弹更具重要意义。
在海湾战争中美军大量装备了GPS接收机，从而保证了“爱国者”导弹和F-16战斗机投弹命中率冷确无误，坦克顺利通过战场雷区，特种部队进入侦察地域畅通无阻，使美军在异国的茫茫大沙漠成功地组织了作战，这正是GPS发挥了关键作用。
GPS的联测定位方式将应用于需高精度相对定位的测绘部门、石油系统、地震监测、地质调查、工程测量等领域。
近年来，利用GPS技术，成功地进行了南极与北极考察，珠穆朗玛峰的测定；对上海杨浦大桥、长江三峡水电站、珠海至香港跨海大桥等重大工程的测定，都采用了GPS技术。
随着我国综合国力和财力的进一步增强，GPS技术在我国也必将得到更加广泛迅速的发展。
3 GPS技术的发展前景
GPS全球定位系统，其导航和定位技术所取得的成果和应用潜力，愈来愈受到广大科技工作者的重视。最近几年来，由于GPS接收机研制水平的提高，其重量、尺寸、功耗、价格的不断降低，在陆地、海洋、空中、空间应用研究中GPS已成为很有发展前途的探测技术。
远程、精密的定轨技术，使GPS成为实现地球和空间科学研究的重要手段。如在目前探测高空大气参数的探空仪上采用GPS技术，将能探测到探空仪所在大气中的更为准确的气象数据。
广域实时GPS差分动态定位技术与光纤陀螺或天线平台组合，将构成多种航天器高精度姿态克定和控制的最新办法。
随着GPS位置差分、伪距差分和相位差分技术及相应软件的深入研究，GPS技术将逐步深入到卫星、飞机、船舶、测绘、交通运输、旅游、探险、救护、侦破等等国民经济的各个领域，其发展前景十分广阔。
收稿日期：1998-01-05
荆其一 陈宙(北京川页电气公司)
1 GPS系统的组成
全球定位系统(GPS)的建成是导航史上的一项重大成就，它利用导航卫星发射的信号来进行定位整个系统由导航卫星、地面控制站和用户接收机三个部分组成。
GPS是美国继“阿波罗”登月飞船和航天飞机后的第三大航天技术工程。从70年代开始到1994年3月9日整个GPS星座配备完成，历时20年，终于建成了由24颗卫星组成的GPS。该系统可提供一天24小时全球定位服务。每颗卫星内安装有一座铷频核原子钟、微电脑、电子存储器的信号接收/发送设备，它们皆以太阳能电池作为电源。这些卫星位于地球上空20 183km的轨道上组成卫星网。每颗卫星重464km，直径1.5m，采用三轴稳定系统，卫星运行采用圆形轨道，运行周期为11小时58分。卫星分布于6个轨道面上，6个轨道面于赤道面成55°角，轨道间夹角为60°，每条轨道上有4颗卫星。
这些卫星采用先进的扩频技术(spread spectrum)，以L1、L2两个频率，将定位信号24小时不停地发射给用户，覆盖全球表面。GPS卫星发射三种信号：即精密的P码，其频率为10.23MHz，非精密的C/A捕获码，其频率为1.023MHz以及导航电文。
地面控制部分是整个系统的中枢，由美国国防部JPO管理，它包括一个主控站，5个监控站。主控站设在美国的范登堡基地，负责对地面监控站的全面控制，监控站分别设在夏威夷、阿拉斯加、关岛、加利福尼亚。监控站内装备有接收机、原子钟、气象传感器及数据处理计算机，其任务是追踪及预测GPS卫星轨道，控制GPS卫星状态及轨迹偏差，维护GPS系统的正常运作。
用户部分则是适用于各种用途的GPS接收机，其主要功能是接收GPS卫星播发的定位信息，GPS用户接收机是由主机、电源和天线组成。
主机的核心部件是信道电路、基带处理电路和中央处理器，在专用软件的控制下，进行作业卫星选择、数据搜集、加工、传输、处理和存储，其天线则接收来自各方位的导航卫星信号。
GPS接收机接收到从卫星传来的连续不断的编码信号后，再根据这些编码辨认相关的卫星，从导航电文中获取卫星的位置和时间，然后计算出接收机(即用户)所在的准确地理位置。
2 GPS导航定位技术的迅速发展
GPS最初为美国军方所专用，由其控制和操作。海湾战争后，开放了C/A码，并且降低了它的精度。尽管如此，GPS全天候向全球瞬时提供高精度定位及时间信息，引起了全世界的强烈兴趣。各国科技工作者研究出种种方法，如相位法、差分测量法等等，大大提高了测量结果的精度，满足了各国广泛应用的要求，同时也推动了GPS导航定位技术的迅速发展。
2.1高空科学气球GPS跟踪定位系统
在高空科学气球发放、飞行、降落和回收过程中，采用了由GPS接收机、专用MODEM、无线电台遥测信道、586微机、数字化电子地图、专用软件等构成的定位导航系统，能在地面指挥中心的微机终端和投影屏上，以及在地面跟踪的回收汽车上的便携微机上，实时显示高空科学气球的飞行航迹和回收汽车的行进路线，基伫位业及其达到30m，其定位数据每秒钟更新一次。在该系统的支持下，指挥中心的指挥人员和回收人员能实时了解高空气球和回收人员在电子地图上的地理、海拔高度、移动速度、移动方向。当高空科学气球降落到地面后，回收人员可根据气球落点和自己当时所在的位置，选择最佳路线，迅速到达降落地点，确保高空气球及探测仪器的安全回收。
2.2 移动车辆GPS自动定位技术
卫星定位监控系统采用GPS、GIS(地理信息系统)、数据库及通信技术，对移动车辆进行实时监控。其系统主要分为两大部分，一部分是由微机或工作站、打印设备、电台等组成的实时监控中心；另一部分是由移动终端组成。它们之间通过无线通信方式相互联系。
监控中心通信电台对移动车辆进行指令接收，将移动车辆的定位信息进行接收，并在数字化电子地图上显示出来，同时也可将监控中心的命令发送给所需要监控的移动车辆。
移动终端是由GPS接收机、CPU、调制解调器、发射机组成。GPS接收机接收GPS导航星发出睥信息，它采用NMEA-0183协仪，CPU起控制、协调各部分工作的主导作用。调制解调器是将数字信号转换成模拟信号或将模拟信号转换为计算机能识别的数字信号。
由中国空间科学学会空间探测专业委员会、北京川页电气公司、中科院高能物理研究所等单位，联合开发的GPS防盗车安全系统，如果盗车贼偷盗装有此安全系统的车辆，其控制中心可在10秒钟内通过数字化电子地图和数据库，确定移动车辆的方位、逃跑路线、车牌颜色和车主的姓名、电话、寻呼号码，及时通知车主并按车主要求监控、报警，实施截获。适当布置网站，可扩大监控范围，并增加跟控目标数或实现全国联网。
此外，GPS防盗车安全系统，根据需要还可对监控的车辆进行调度、管理、提高运输能力。
2.3GPS精密计时
GPS定位原理是建立在信号传播时间的测量上，因此将公认的时间基准通过GPS信号传播，就实现了全球基准时间的传播和比对。据此利用GPS部件，经过二次开发，研制比精密的GPS同步时钟。GPS同步时钟主要由GPS天线、GPS接收机、中心处理机和电源等组成。GPS接收机通过天线将接收的GPS信号，向中心处理机提供NMEA0183串行码，它包括日期、世界时、定位结果和GPS卫星状态等数据，同时提供每秒一次的高精度时间脉冲信号。
该GPS同步时钟通过数码管显示北京时的年、月、日、时、分、秒及系统频率，并且还没有一个RS422和四个RS232串口。
2.4利用GPS技术确定地球卫星轨道
利用GPS技术能够完成对任何地球卫星轨道的确定。1982年，国际上首次利用GPS技术为地球卫星定轨。当时GPS导航星还很少，一年中只有几次机会。采用C/A码直接定轨，其定位精度约为11m。
对于低于2 500km轨道上的卫星，采用差分定轨技术，能够改善精度，可提高1~2数量级。只要设计合理，其精度可满足要求。
2.5 舰船、飞机的导航定位
在浩瀚海洋中航行和潜航的各种军用民用船只都可以利用GPS技术进行导航定位。这对海洋测量、海上石油勘探、海上作业、海底管道铺设、海港领航、海上协同作战等都具有重要意义。
GPS对飞机可连续导航，并为其提供高精度的三维定位和测速信息，这对缩短航线、节约燃料、引导飞机安全着陆，以及进行空中管制都起着重要作用。
2.6 导弹的精确制导
弹载GPS接收机可在高速条件下提供精确的三维位置、速度和时间，这将有效地解决惯性制导系统的累积误差问题，极大地提高了制导精度，这对反导弹更具重要意义。
在海湾战争中美军大量装备了GPS接收机，从而保证了“爱国者”导弹和F-16战斗机投弹命中率冷确无误，坦克顺利通过战场雷区，特种部队进入侦察地域畅通无阻，使美军在异国的茫茫大沙漠成功地组织了作战，这正是GPS发挥了关键作用。
GPS的联测定位方式将应用于需高精度相对定位的测绘部门、石油系统、地震监测、地质调查、工程测量等领域。
近年来，利用GPS技术，成功地进行了南极与北极考察，珠穆朗玛峰的测定；对上海杨浦大桥、长江三峡水电站、珠海至香港跨海大桥等重大工程的测定，都采用了GPS技术。
随着我国综合国力和财力的进一步增强，GPS技术在我国也必将得到更加广泛迅速的发展。
3 GPS技术的发展前景
GPS全球定位系统，其导航和定位技术所取得的成果和应用潜力，愈来愈受到广大科技工作者的重视。最近几年来，由于GPS接收机研制水平的提高，其重量、尺寸、功耗、价格的不断降低，在陆地、海洋、空中、空间应用研究中GPS已成为很有发展前途的探测技术。
远程、精密的定轨技术，使GPS成为实现地球和空间科学研究的重要手段。如在目前探测高空大气参数的探空仪上采用GPS技术，将能探测到探空仪所在大气中的更为准确的气象数据。
广域实时GPS差分动态定位技术与光纤陀螺或天线平台组合，将构成多种航天器高精度姿态克定和控制的最新办法。
随着GPS位置差分、伪距差分和相位差分技术及相应软件的深入研究，GPS技术将逐步深入到卫星、飞机、船舶、测绘、交通运输、旅游、探险、救护、侦破等等国民经济的各个领域，其发展前景十分广阔。
收稿日期：1998-01-05
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