全球定位系统 (Global Positioning System- - GPS)是美国国防部研制组建的新一代军民两用卫星导航定位系统。该系统于 70年代初开始研制 ,1 994年初全部建成 ,1 995年正式投入运行。随着时间的推移 ,人们越来越意识到 GPS的重大作用和广阔的应用领域 ,它不仅使导航技术和定位技术产生根本的变革 ,而且对水土保持、交通运输、空间技术、地学研究等诸多领域及社会生活的各个方面都将产生重大影响 ,其影响可以和时钟、电灯、电话和计算机问世一样 ,给人类生活带来巨大的、不可估量的经济效益和社会效益。1 GPS系统简介1 .1 GPS的组成部分。全球定位系统包括卫星、地面控制和用户 3个组成部分 ,其关系构成如图 1。1 .1 .1 卫星部分 (Space Segment)。GPS卫星星座由 2 1颗工作卫星和 3颗在轨的备用卫星组成 ,考虑到无论使用与否 ,卫星将具有大致相同的寿命 ,因而 ,这 3颗备用卫星也将处于工作状态。工作卫星均匀分布在太空中 6个轨道平面上。轨道高度距地面约 2 0 2 0 0 km,轨道的长半径 2 6 5 6 0 km,轨道平面的倾角为 5 5°,运行周期为 1 2恒星时。该布局保证接收机在地球上任何地方、任何时刻都能接收到 4颗以上的卫星信号。当工作卫星发生故障时 ,备用卫星能及时按照地面控制站的指令 ,进入指定的空间轨道。1 .1 .2 地面控制部分 (Control Segment)。包括 1个主控站 (位于美国加州范登堡空军基地 )、 4个跟踪站 (分别位于阿拉斯加、关岛、夏威夷及范登堡 )及地面控制站 3大部分。跟踪站是无人管理的数据收集中心 ,对进入其测量范围的卫星进行运行位置和时间的观测和追踪。跟踪站有与主控站原子钟同步的原子钟 ,并对所收集和测量的数据处理后送至主控站 ,主控站控制地面工作 ,设有与各跟踪站同步的原子钟 ,收集跟踪站测得的各个卫星与各跟踪站之间的距离数据加以转换为导航信息 ,传递给地面控制站。地面控制站随时接收主控站的导航信息 ,以每天为基准单元向太空发射 ,并储存在卫星记忆磁体中 ,利用这些信息可以推算出各个卫星的运行位置 ,并估计出计时误差 ,使各卫星都能保持在精确的位置上。1 .1 .3 用户部分 (User Segment)。用户设备主要指
GPS接收机、微机和气象仪器等。GPS接收机通常是由天线及前置放大器、接收设备、微处理器和输入、输出设备等组成 ,其功能是接收并处理卫星信号 ,取出卫星星历、卫星钟校正参数和测量距离、距离变化率等 ,结合用户的估计位置 ,可解算出用户的精确位置和相应的时间 ,并显示在显示器上 ,提供有关定位导航信息。图 1 GPS组成部分关系示意图1 .2 GARMIN GPS1 2 XL C性能特点。GPS1 2 XL C是 GARMIN公司在 1 998年推出的全新汉化机型 ,是目前唯一投入实际应用的并行 1 2通道接收机 ,具有如下特点 :1 .2 .1 全球性 ,全天候工作 ,能为用户提供连续实时的三维速度和精确时间 ;1 .2 .2 快速定位。定位是 GPS接收机的主要功能 ,热启动定位时间少于 1 5 s,冷启动的定位时间少于 30 s;自动定位时间少于 75 s,重新捕获信号时间少于 1 s,具有快速定位的功能。1 .2 .3 功能多 ,精度高。GPS1 2 XL C为高精度图形 ,1 0 1× 6 5密集点阵 ,卫星状态直观生动 ,航迹画面上预定航线行走航迹 ,航点分布一清二楚 ,比例尺 0 .5～ 6 0 0 km任意调节 ,实时动态画面 ,人动画动 ;环形图可帮助估算距离 ,全背景光均匀照明 ,夜间操作方便。其三维定位精度优于 2 5 m,三维速度优于 0 .3m/ s,采用载波测距和事后处理定位精度可达 cm级。1 .2 .4 Trace Back功能 ,永不迷航。 GPS 1 2 XL C中加上了 traceback功能 ,即由航迹自动生成的航线功能 ,只需几步操作 ,原来所走的航迹立刻被激活 ,原路返回 ,永不迷航。1 .2 .5 坐标系统丰富 ,满足各种需要。GPS 1 2 XLC有 WGS- 84坐标及各种地方坐标包括北京 5 4坐标 ,同时 ,坐标输出格式有 Lat/ L on、UTM/ UPS、T6 7,用户自己编辑可直接得到直角坐标输出。1 .2 .6 抗干扰性能好 ,保密性强。由于 GPS采用数字式的通讯编码技术——伪随机噪声声码技术 ,具有良好的抗干扰性和保密性。1 .2 .7 免费、容易。GPS除购买其机身费用外 ,每次使用不须另外交费 ;接收机自动化程度高 ,操作方便 ,易于携带 ,对使用者无数量上的限制。1 .3 定位原理。GPS是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统 ,接收机接收卫星的导航信号 ,经解析、解调和译码 ,得到卫星星历 ,根据星历算出卫星发射信号时刻在空间的位置(X1 ,Y1 ,Z1 )。接收机还以自己的时钟为基准 ,测量信号的到达时间 T。用户钟和卫星钟是独立钟 ,两者间有钟差设为△T,因此 ,测得的时间 T为 :T =t+△ T电波的传播速度就是光速 C,因此 ,距离 R为 :R =C× T =R1 +C×△ T此时 R并非卫星和接收机的真实距离 ,因此称为伪距离。 R1 同时可表示为 :R1 =〔(X - X1 ) 2 +(Y - Y1 ) +(Z - Z1 ) 2 〕1 / 2R =〔(X - X1 ) 2 +(Y - Y1 ) +(Z - Z1 ) 2 〕1 / 2 +C△ T上式中 (X1 ,Y1 ,Z1 )可由卫星星历求得 ,(X,Y,Z)是接收机在宇宙中的空间坐标 ,R通过测量 T得到 ,因此 ,只有 4个未知数 X、 Y、 Z、△ T,如测量用户得到 4颗卫星的伪距离 ,即可得到 4个未知数的解。因此 ,当收到的卫星多于 4颗时 ,就可选取能解得最精确用户位置的 4颗卫星进行定位。GPS导航是通过测量多颗卫星信号到达接收机的时间 T相应于卫星到用户间的伪距离 ,测量多颗卫星导航信号的多卜勒频移 ,相当于卫星到用户间的经向速度 ,经解算同时得到用户的三维位置分量、三维速度分量和精确时间。1 .4 误差来源及其修正。GPS接收机导航定位误差主要来源于 4个方面 :1 .4.1 可选择性 (简称 SA) :美国军方在卫星位置和时钟上人为设置误差 ;1 .4.2 卫星方面 :主要有位置误差和时钟误差 ;1 .4.3 信号传输方面 :主要是信号在大气电离层和对流层中造成的误差 ;1 .4.4 接收机方面 ,主要是信号接收机本身的多径反射、噪声和内部时钟造成的误差 ,上述误差影响及修正方法见表 1。表 1 民用 GPS误差、来源、范围及修正方法一览表来 源误差影响 (m)修正方法(1)可选择性 (SA)人为 (美国 ) 10～ 10 0 2 0 0 6年前取消(2 )卫星位置卫星 +SA 10～ 50差分改正时钟卫星 +SA 50～ 70差分改正、
模型修正(3)信号传输对流层对流层 2～ 30差分改正、模型修正电离层电离层 0～ 50差分改正、模型修正(4)接收机多径反射周围地物 0 .5～ 2 0调整天线、重复观测噪声接收机 1～ 3选择适宜接收机时钟接收机 10～ 10 0差分改正、计算修正总计 0～ 10 0 0～ 10 (m) 差分改正定位 (简称 DGPS)是最常用的误差修正方法 ,利用两个 GPS接收机 ,一个放在已知坐标点上 (参考点 ) ,另一个放在欲测点上 (野外点 ) ,参考站观测的位置与已知位置相比较 ,求算出改正值 ,此改正值应用到野外点观测值上 ,即可求算出野外站的实际位置。差分改正定位又可分为几何改正和伪距离改正 ,前者求算位置改正值 ,后者求算伪距离改正值 ,然后对接收机的定位数据进行修正。采用差分 GPS技术可以把一般用户的实时定位精度提高到 2～ 5 m或更好 ,采用载波相位观测值的情况下 ,若用户离基准站在 2 0 km以内 ,可获厘米级的实时定位精度 (RTK技术 )。2 GPS在水土保持中的应用由于全球定位系统具有精度高、速度快、全天候、自动化程度高等优点 ,所以在水土保持调查、监测等方面得到广泛应用。2 .1 在土壤工程侵蚀调查中的应用。在土壤工程侵蚀调查中 ,利用 GPS进行测量定位 ,可以快速、高效、方便地把调查的样本单元落实到地面上进行测量和调查。同时 ,贮存在 GPS接收机中的样地坐标及调查数据还可以通过数据转化直接形成数据库 ,从而有利于内业数据的汇总统计。如在我市 1 999年 6月 1～ 1 8日的土壤工程侵蚀普查中 ,利用 GPS1 2 XL C接收机对全市 5 7个乡 (镇 ) 1 90个土壤工程侵蚀点 (包括部分的线对象看成点对象 )的成因和面积调查 ,结果表明 :因工矿、交通、城建等人为造成的土壤侵蚀面积达 1 32 5 .6 4hm2 (详见表 2 )。表 2 漳州市土壤工程侵蚀调查县 (市、区 )芗城龙文龙海漳浦云霄诏安东山长泰华安平和南靖合计乡 (镇 )数 (个 ) 3 16 10 10 6 3 4 743 57样点数 (个 ) 141142 7412 2 2 4 2 3 16 13 5 190面积 (hm2 ) 19.773.33 599.33176.33140 .33 41.6763.0 752 .6 89.0 755.4784.67132 5.642 .2 在水土保持监测中的作用。利用 GPS导航功能 ,输入固定监测样地坐标 ,由 GPS接收机引导调查员到达监测点 ,不仅定位速度快、精
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