GPS技术的诞生及发展

姓名：杨汉雄

学号：19011210569

【嵌牛导读】GPS是全球定位系统的简称，是美国军方研制的一套卫星导航系统。GPS卫星可以向地面广播的GPS导航定位信号，在美国军方开放民用频段后，其成为一种可供无数用户分享的信息资源。GPS接收机能对GPS卫星进行观测及追踪，在成功捕获卫星后GPS接收机就能接收不同卫星的GPS导航信号并进行定位解算，用户只需要要拥有GPS接收机及有关配套产品就能够满足地面、海面和太空空间的广大的定位需求。

【嵌牛正文】

1 历史上的测量技术

        近代人们广泛采用的仪器设备尺：直尺，卷尺来进行距离观测，采用光学仪器：经纬仪，水准仪来进行方位观测，到了现代，随着电磁理论的提出，出现了电磁波或激光测距仪，以及综合多种技术的仪器：全站仪等设备。这些设备在使用时具有一定的局限性，比如光学仪器受到地面测站间通视的因素的限制，电磁波设备和全站仪无法同时精确确定点的三维坐标，以及地面测量设备容易受气候等条件的限制。

近现代地面测量设备

        随着航空航天技术、遥感测绘技术的发展及经济全球化的世界贸易需求，新形势下的定位技术要求：（1）提供精确的地心坐标(卫星和弹道导弹)；（2）提供全球统一的坐标；（3）适应长距离高精度定位；（4）全天候、快速精确、操作简便。于是在人造卫星的发射、计算机技术的发展、现代电子技术的发展、通信技术的发展的大背景下，美国于1958年提出了第一代卫星定位技术——子午卫星系统。

2 GPS的诞生及发展

        GPS最早出现于1958年美国军方的子午卫星军用导航系统项目，于1964年正式投入使用。到了20世纪70代，美国在旧的军用导航系统的基础上进行了革新，并将新系统正式命名为GPS即全球定位系统，到1994年，GPS全面建成为一套能够实时、全天候、全球范围内的,为陆地、海上、空中的各类用户目标提供连续、实时的三维定位、三维速度及精确时间的信息系统。GPS系统具有三大特点:(1)全球、全天候工作;(2)定位精度高;(3)功能多,应用广。GPS系统由以下三大部分组成:(1)空间部分—由21颗工作卫星和三颗在轨备用卫星组成GSP星座。(2)地面监控系统—由主控站、注人站及监测站组成。(3)用户设备—GPS接收机。

GPS系统的组成

3 GPS的现代化发展

        GPS现代化的提法是1999年1月25日美国副总统戈尔以文告的形式发表的。文告只提出了几项民用GPS导航技术的改进和发展，但其整个GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。随后美国军方和波音公司（GPS系统主要制造商）发表的文章都阐明了他的内涵：一是保护，即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；二是阻止：即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；三是保持，即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。

         美国政府指定的GPS现代化计划更新阶段为2000-2030年，主要包含以下三个部分：

        （1）防止敌方破坏，增加GPS军用信号的抗干扰能力，增加GPS的军用无线电信号的强度。

        （2）防止敌方利用，设计新的GPS卫星型号（ⅡF），设计新的GPS信号结构，将民用频道L1、L2、L5，和军用频道L3、L4分开。

        （3）改进定位精度，在L2中增加CA码（2005年），增加L5民用频道（2007年）。

        GPS现代化第一阶段，发射12颗改进型的GPS BLOCK ⅡR型卫星，它们具有一些新的功能。使其能发射第二民用码，即在L2上加载CA码；在L1和L2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；ⅡR型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高。

        GPS现代化第二阶段，发射6颗GPS BLOCK ⅡF。GPS BLOCK ⅡF型卫星除了有上面提到的GPS BLOCK ⅡR型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频道。GPS ⅡF型卫星的第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗 ⅡF型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以ⅡF卫星运行，共计24+3颗。

        GPS现代化计划的第三阶段，发射GPS BLOCK Ⅲ 型卫星，在2003年前完成代号为GPS Ⅲ的 GPS完全现代化计划设计工作。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPS 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，计划在2008年要发射GPS Ⅲ 的第一颗实验卫星。计划用近20年的时间完成GPS Ⅲ 计划，取代目前的GPS Ⅱ。

GPS卫星星座图

        在全球科技全面发展的当下，GPS卫星导航技术也被应用到了各个领域，GPS定位能结合地图系统进行车辆的道路交通的导航；建立全球的GPS框架，从而对远洋航行、国际航班、航空航天等进行实时的监控及导航；板块运动和监测；布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量等；在时下热门的无人机技术中，GPS定位技术在整个无人机系统中也起着至关重要的作用；2017年我国卫星导航及其有关产业总体产值已超过2000亿元，卫星导航技术定位技术是实施“中国制造2025”强国战略计划的关键一环。以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。

GPS在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用

4 我国卫星定位技术的发展

        中国北斗卫星导航系统（英文名称：BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

        北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。北斗卫星导航系统是全球四大卫星导航核心供应商之一，目前在轨卫星已达39颗。从2017年底开始，北斗三号系统建设进入了超高密度发射。目前，北斗系统正式向全球提供RNSS服务，在轨卫星共39颗。2019年还将再发射5-7颗，2020年再发射2-4颗卫星后，北斗全球系统建设将全面完成。

        随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

        卫星导航系统是全球性公共资源，多系统兼容与互操作已成为发展趋势。中国始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗”的发展理念，服务“一带一路”建设发展，积极推进北斗系统国际合作。与其他卫星导航系统携手，与各个国家、地区和国际组织一起，共同推动全球卫星导航事业发展，让北斗系统更好地服务全球、造福人类。

北斗卫星星座图