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引言全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方...
引言全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。该系统由美国政府于1958年开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1973年开始组建，1976年建成，1995年完全建成并对外开放使用。GPS系统是以三角测量定位原理来进行定位的，它以卫星的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。在待测点上，GPS接收机在某一时刻，同时接收了3颗以上卫星的信号，通过测量卫星信号的时间差及卫星的位置信息，利用空间距离后方交会的方法，计算出卫星到接收机所需要的距离、距离差，再结合各卫星所处的位置信息，将卫星至用户的多个等距离球面相交后，即可确定用户的三维（经度、纬度、高度）坐标位置以及速度、时间等相关参数。GPS系统组成GPS系统由空间部分——GPS卫星、地面控制部分-地面监控系统、用户部分-GPS信号接收机三大部分组成。空间部分——GPS卫星GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上，轨道倾角为55°。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，并能在卫星中预编的码识别其所属轨道和卫星编号。编号共三位，第一、二位为轨道号，第三位为卫星在该轨道上的编号。目前GPS的24颗卫星分别为4种型号，即BlockⅠ（第Ⅰ型）、BlockⅡ（第Ⅱ型）、BlockⅡA（第ⅡA型）、BlockⅢ（第Ⅲ型）。其中第Ⅰ型已全部退役；第Ⅱ型是1973年发射的试验型，共发射4颗，目前也全部退役；第ⅡA型是1989年后发射的，共21颗，其中2颗为备用卫星；第Ⅲ型卫星又称为新一代GPS卫星，美国从1997年开始发射，计划用它逐步替换第ⅡA型卫星。地面控制部分-地面监控系统地面监控系统由监测站（Monitor Station）、主控制站（Master Control Station）、地面天线（Ground Antenna）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之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。用户部分-GPS信号接收机GPS信号接收机是其主要设备，GPS接收机结构一般由主机、天线和电源组成。它可由测量员携带，也可安装在汽车、飞机、轮船等交通工具上甚至卫星上。这种仪器采用多通道结构，可以同时接收多颗卫星的信号，具有自动跟踪、识别和存储功能；它通过处理这些数据，经软件解算，即可输出用户的三维位置，三维速度，运动方向以及时间等数据。目前GPS接收机已小型化、低功耗化、高度集成化。最小的单机接收系统只有几十克，可持续工作数十天，并可将定位数据通过无线电传输设备实时发送给用户。由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成的GPS数据处理系统，可按照定位的要求进行数据处理工作。GPS定位原理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。假设t时刻在地面待测量点P的位置上一台GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机所需要的时间△t，再加上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：上述四个方程式中待测量点P的坐标(X,Y,Z)和Vto为未知参数，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机P的距离。△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机P所需要的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数都是已知数，所以这是一个四元一次方程组，将这四个方程放在一起，形成GPS定位的基本方程组，从而可求解出待测量点的坐标(X,Y,Z)以及接收机的钟差Vto。GPS特点全球，全天候工作全球覆盖由于GPS卫星数量较多，且分布合理，地球上任何地方均可接收到至少4颗以上的卫星信号，从而保证了实现全球、全天候连续的导航定位服务（除两极和高山峡谷等少数地区外）定位精度高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10-6，100km-500km可达10-7，1000km以上可达10-9。在300m-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实时定位根据接收到的卫星信号，能实时地计算出用户的三维位置，以及速度、时间等相关参数观测时间短随着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。测站间无需通视GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，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，也可省去经典大地测量中的传算点、过渡点的测量工作。操作简便GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其他观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。结束观测时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。如果在一个测区有很多待测点，还可以将GPS接收机安置在测区中央的高点上，并连续进行数小时甚至数十小时的观测，称为“中继法”或“准动态”观测，将整个测区的待测点测定完毕在迁站。提供三维坐标经典大地测量将平面位置与大地高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定待测点的三维坐标位置。操作灵活，适应性强GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。仪器体积小，重量轻，便于携带随着GPS接收机不断改进，其体积越来越小，重量越来越轻。目前，最小的接收机单机重量已不到100g，加上天线和电池后也不足300g，携带十分方便。GPS的应用军事应用GPS的首要目的是为陆、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，是美国国防现代化建设的重要组成部分。民用领域在民用方面，GPS技术正在以很快的速度被各个领域广泛应用：汽车导航和交通管制；农业方面，用于拖拉机自动驾驶、无人驾驶飞机播种等；测量领域，主要用于大地测量、摄影测量、野外测量、水下测量；航空领域，用于飞机导航、初始对准、飞行姿态和应急备份等方面。GPS未来发展随着科技的不断进步和应用需求的增加，GPS系统也在不断发展和完善。未来的GPS技术将在多个方面实现显著进步。更高的精度和可靠性通过改进卫星和接收机的设计，以及优化数据处理算法，未来的GPS系统将能够提供更高的定位精度和可靠性。这将使得GPS在需要高精度定位的领域，如自动驾驶、无人机导航、精准农业等方面发挥更大的作用。更强的抗干扰能力随着电磁环境的日益复杂，GPS系统需要具备更强的抗干扰能力。未来的GPS系统将采用更先进的信号处理技术，以应对各种干扰和噪声，保证定位的稳定性和准确性。更广泛的覆盖范围目前的GPS系统主要覆盖地球表面，但随着人类探索太空的步伐加快，未来的GPS系统可能需要覆盖更广泛的区域，包括近地轨道、月球、火星等。这将为太空探索、星际导航等领域提供有力支持。更智能的服务未来的GPS系统将更加注重用户体验和服务智能化。通过集成人工智能、大数据等技术，GPS系统将能够提供更个性化、更智能的服务，如智能路线规划、实时交通信息、位置分享等。更强的安全性随着GPS在军事、金融等领域的应用越来越广泛，其安全性问题也日益突出。未来的GPS系统将采用更先进的安全技术，如加密通信、访问控制等，以确保用户数据的安全性和隐私性。总之，随着科技的不断进步和应用需求的增加，未来的GPS技术将在多个方面实现显著的进步，为各个领域提供更加精准、可靠、智能和安全的定位服务。无论是在民用领域还是军事领域，GPS都将发挥越来越重要的作用，成为现代社会不可或缺的一部分。集成化与多功能性未来的GPS技术可能会更加集成化，将多种功能和技术融合到一个平台上。例如，GPS可以与惯性测量单元（IMU）、高清摄像头、激光雷达（LiDAR）等传感器集成，形成一个多功能的定位系统。这样的系统不仅可以提供高精度的位置信息，还可以获取更多的环境信息，如地形、障碍物、道路状况等，从而提供更加全面的导航和感知能力。互联网与物联网的融合随着物联网技术的快速发展，未来的GPS技术将更加注重与互联网和物联网的融合。通过与互联网相连，GPS系统可以实时接收和发送数据，实现全球范围内的信息共享和协同工作。同时，通过与物联网设备的连接，GPS可以实现对各种物体的精准定位和跟踪，为物流管理、智能仓储等领域提供更加高效和可靠的解决方案。自动化与智能化未来的GPS系统将更加注重自动化和智能化的应用。通过与机器学习、深度学习等技术的结合，GPS系统可以自主学习和优化定位算法，提高定位精度和效率。同时，通过集成自动驾驶技术，GPS可以实现对车辆、无人机等设备的自主导航和控制，为交通出行、航空航天等领域带来更加安全和便捷的解决方案。可持续发展与环保未来的GPS技术将更加注重可持续发展和环保。在卫星制造和运营过程中，将采用更加环保的材料和技术，减少对环境的污染和破坏。同时，通过优化定位算法和减少能耗等措施，可以降低GPS系统的能源消耗和碳排放量，为实现绿色发展做出贡献。综上所述，未来的GPS技术将在多个方面实现显著的进步和发展。随着科技的不断进步和应用需求的增加，GPS将不断满足各个领域的需求，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。同时，我们也需要关注GPS技术的可持续发展和环保问题，为实现绿色发展和可持续发展做出努力。
