GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱，而其中文簡稱為“球位系”。GPS是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研製的新一代空間衛星導航定位系統 。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、 全天候和全球性的導航服務，並用於情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，經過20餘年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。在機械領域GPS則有另外一種含義：產品幾何技術規範(Geometrical Product Specifications)-簡稱GPS。另外一種解釋為G/s（GB per s）
基本介紹
- 中文名：全球定位系統
- 外文名：Global Positioning System
- 簡稱：GPS
簡介,GPS導航技術知識,GPS導航儀技術的套用,GPS套用,GPS導航技術4大原則,
簡介
美國的全球定位系統（GPS）導航衛星正在逐步現代化。GPS從美國空軍的導航輔助設備開始，逐漸發展成軍民兩用的一種重要技術。GPS的精確位置與定時信息，已成為世界範圍各種軍民用、科研和商業活動的一種重要資源
GPS衛星的發展及信號的改進 GPS導航衛星自1978年發射以來，其型別已由第Ⅰ，Ⅱ和ⅡA批次發展到ⅡR批次。第Ⅰ，Ⅱ和ⅡA批次衛星共有40顆，是由羅克韋爾公司製造的，而20顆ⅡR批次衛星則由洛克希德·馬丁公司製造。波音公司在1996年收購了羅克韋爾的航空航天和防務業務，目前正在製造33顆更先進的ⅡF批次衛星。美國還在考慮發展採用點波束的新一代GPS衛星（GPS-Ⅲ）。
GPS從1994年全面工作以來，改進工作一直在進行中。這是因為民用用戶要求GPS具有更好的抗干擾和干涉性能、較高的安全性和完整性；軍方則要求衛星發射較大的功率和新的同民用信號分離的軍用信號；而對採用GPS導航的"靈巧"武器，加快信號捕獲速度更為重要。
民用GPS導航精度迄今的最大改進發生在2000年5月2日，美國停止了故意降低民用信號性能（稱為選擇可用性，即S/A）的做法。在S/A工作時，民用用戶在99%的時間只有100米的精度。但當S/A切斷後，導航精度上升，95%的位置數據可落在半徑為6.3米的圓內。
GPS衛星傳送兩種碼：粗捕獲碼（C/A碼）和精碼（P碼）。前者是民用的，後者只限於供美軍及其盟軍以及美國政府批准的用戶使用。這些碼以擴頻方式調製在兩種不同的頻率上發射：L1波段以1575.42兆赫發射C/A和P碼；而L2波段只以1227.6兆赫發射P碼。
GPS衛星導航能力最重大的改進將從2003年發射洛克希德·馬丁首批ⅡR-M(修改的ⅡR)衛星開始。ⅡR-M衛星將發射增強的L1民用信號，同時發射新的L2民用信號和軍用碼（M碼）。進一步的改進將從發射波音ⅡF批次衛星的2005年開始，ⅡF批次衛星除發射增強的L1、L2民用信號和M碼外，將在1176.45兆赫增加第3個民用信號（L5）。在ⅡF發射以前，M碼將從發展型過渡到工作型。因為導航衛星星座的發射需要有一段時間，故在軌道上獲得全工作能力則要在2007年發射18顆L2民用信號和M碼衛星後才能實現。18顆衛星組成的第三個民用信號（L5）的星座預計要到2011年才能發射完。
此後，美軍將得到抗干擾能力有所增強的新信號--M碼。它能傳送更大的功率，而不干涉民用接收機。M碼還給軍方一種新的能力，以干擾敵方對信號的利用，但其細節是保密的。
L2民用信號即第二個民用信號稱為L2C，使民用用戶也能補償大氣傳輸不定性誤差，從而使民用導航精度提高到3～10米。而美軍及其盟軍因一開始就能接收L1和L2中的P碼，故一直具有這種能力。
對L2的設計約束是它必須與新的M碼兼容。為避免對軍用L2 P（Y）接收機的任何損害，新的民用L2應具有與現有C/A碼相同的功率和頻譜形狀。這裡，括弧中的Y碼是P碼的加密型。實際上，民用L2信號將比現有的L1 C/A信號低2.3分貝。功率較低的問題將由現代的多相關器技術加以克服，以便迅速捕獲很微弱的信號。
GPS衛星發射的信號必須現代化，同時又要保持向後兼容性。組合的民用信號與軍用信號必須放在現有頻帶中，而且具有足夠的隔離，以防互相干涉。美國決定將C/A碼信號放在L1頻帶和新的L2頻帶的中部，供民用使用，而保留Y碼信號。
M碼將採用一種裂譜調製法，它把其大部分功率放在靠近分配給它的頻帶的邊緣處。抗干擾能力主要來自不干涉C/A碼或Y碼接收機的強大的發射功率。
M碼信號的保密設計基於下一代密碼技術和新的密鑰結構。為進一步分離軍用和民用碼，衛星對於M碼將具有單獨的射頻鏈路和天線孔徑。當衛星能工作時，每顆衛星可能在每個載波頻率上發射兩個不同的M碼信號。即使由同一顆衛星以同一載波頻率發射，信號將在載波、擴散碼、數據信息等方面不同。
M碼的調製將採用二進制偏置載波（BOC）信號，其子載波頻率為10.23兆赫，擴碼率為每秒5.115百萬擴散位，故稱為BOC（10.23，5.115）調製，簡稱BOC（10，5）。因為BOC（10，5）調製與Y和C/A碼信號相分離，故可以較大的功率發射，而不降低Y或C/A碼接收機的性能。BOC（10，5）對於針對C/A碼信號的干擾不敏感，而且與用來擴展調製的二進制序列的結構難以分辨。
L5將位於960～1215兆赫頻段，而地面測距儀/塔康（DME/TACAN）導航台和軍用數據鏈（Link 16）已大量使用這個頻段，但這只會對歐洲中部和美國高空飛行的飛機產生干擾。美國計畫對在L5±9兆赫以內的DME頻率進行重新分配，以便L5信號在美國的所有高度都能良好地接收。
由於GPS衛星發射的導航信號比較微弱，而且以固定的頻率發射，因此軍用GPS接收機很容易受到敵方的干擾。
美國國防預研計畫局（DARPA）正在發展一種新的抗干擾方法，採用戰場上空的無人機來創造偽GPS星座，使其信號功率超過敵方干擾信號的功率。
所謂偽衛星，就是將GPS導航信號發射機裝在飛機或地面上，頂替GPS衛星來進行導航。DARPA用無人機做偽衛星的研究，稱為GPX偽衛星概念，旨在使己方的部隊在受干擾的戰場環境中具有精確的導航能力。其方法是由飛行中無人機上的4顆偽衛星廣播大功率信號，這樣在戰場區域上空產生一個人工GPS星座。4架"獵人"無人機就可覆蓋300千米見方的戰區。
只要對現有GPS接收機的軟體作些改變就可使用偽衛星發射的信號。當用實際GPS星座導航時，接收機開始需要知道衛星位置，即星曆的情況，故偽衛星概念面臨的挑戰是採用可用的低數據率信息把4顆運動的偽衛星的位置告訴接收機。因此，DARPA和柯林斯公司設計人員的關鍵任務是在可用的50比特/秒信息中傳送偽衛星星曆。無人機的穩定性相當好，不會像戰鬥機那樣機動；但任何運動都會使位置有點不確定。因而與採用衛星星座的導航比較，其定位總誤差將增長約20%。DAPRA已用在7500米高度上的公務機上以及約3000米高度上的"獵人"無人機上試驗了單顆偽衛星，導航精度從採用真衛星時的2.7米下降到4.3米。
當然，偽衛星不一定要全部機載，也可採用地面和機載發射機混合的方案。將某些偽衛星設在地面上的缺點是減少了覆蓋範圍，但提高了導航精度。為了克服干擾，偽衛星可發射100瓦信號，使地面接收機處的信號強度比來自衛星的信號強度增加45分貝。
諾斯羅普·格魯門公司正在研製可提供30～40分貝抗干擾改進的GPS接收機。這種稱為"反干擾自主完整性監控外推"的抗干擾方法將由慣性導航和GPS接收機在載波相位級進行全耦合來實現。全耦合濾波器將減小GPS跟蹤迴路的頻寬，從而減少干擾信號進入GPS接收機的機會。
柯林斯公司和洛克希德·馬丁公司聯合為JASSM空面飛彈研製的G-STAR高反干擾GPS接收機採用了調零和波束操縱的方法。該接收機重11.3千克，採用了一個空間時間適配器，適配器探測出一個威脅，便將其信號調到零，並在發射導航信號的衛星方向增加增益。
這種反干擾技術以數字方式實現，故稱為數字波束成形器，它比常規的模擬調零法更為精確，同時可將接收機的波束調整到朝向可用的導航衛星。數位訊號處理可通過動態移動零位來抵消噪聲，增加增益，並通過一個6元天線陣來操縱波束。
民用GPS接收機也有抗干擾的問題，但民用GPS接收機用戶更關心非故意干擾。非故意干擾基本上為寬波段類型，與干擾機將其功率集中於GPS頻率不同。與軟體有密切關係的數位訊號處理方法，在對付寬波段干擾方面是很理想的。
美國Electro-Radiation（ERI）公司指出，常規抗干擾方法的是採用相控陣天線組成的零位操縱天線，這不僅要增加重量，且成本較高，而在接收機上實現的抗干擾技術通常只有有限的干擾剔除能力或者是專為對付某種干擾而特地設計的抗干擾能力。
這家公司已研製出能有效地對付所有已知類型干擾的一種干擾抑制裝置（ISU），它不需要昂貴和笨重的天線，可以低成本、高效的方式加裝到新的和現有的GPS接收機中，既適合軍用，也適合民用。
這種干擾抑制裝置包括補釘天線以及可插入任何GPS接收機天線接口的電子裝置，用來抑制寬頻噪聲和窄帶干擾。它使GPS接收機增加20分貝的抗寬頻噪聲能力和35分貝的抗窄帶干擾能力。
GPS在飛機著陸中的套用
美國海軍試飛員已駕駛F/A-18飛機在羅斯福號航母上利用GPS系統做了首批自動著艦。據稱這種系統的性能相當於或超過目前自動著艦系統的性能。
美國海軍在發展的著艦系統是雷神公司聯合精密進近與著陸系統（JPALS）的海軍型，它在JPALS的基礎上作了修改。雷神公司正按美國空軍的契約為所有軍種的飛機研製JPALS系統，系統將採用局域差分GPS修正，為固定翼飛機和旋翼機在陸上機場提供Ⅰ類和Ⅱ類儀表進近。
美國海軍牽頭的艦載GPS（SRGPS）系統將取代艦載的塔康系統。它將在JPALS上增加一個單向低截獲機率（LPI）數據鏈，為370海里範圍內的飛機提供艦的位置。
而在92.5千米半徑的範圍內，雙向LPI數據通信採用與民航空中交通管制（ATC）現代化計畫所使用的自動相關監視-廣播（ADS-B）類似的位置報告將使航母跟蹤多達100架飛機。
在裝有SRGPS的情況下，航母和其他艦船將能更隱蔽地與飛機聯繫，不必使用塔康系統和一次或二次雷達信號，並把話音通信減到最小程度。與塔康的15赫的更新率比，LPI鏈路將以很低的數據率（0.2赫）工作。
FAA的GPS廣域增強系統（WAAS）的發展因一再遇到問題而推遲。該系統是由雷神公司製造的，試圖用赤道上空的地球同步通信衛星把完整性告警信息，以及差分修正量等其他數據傳送給GPS用戶，提高GPS的導航精度，以滿足Ⅰ類進近的要求。
原來對WAAS的計畫是要在1999年12月開始進行60天的試驗，然後在2000年晚些時候投入使用。但這些試驗在2000年1月被撤消，撤消原因是由於信號中斷以及誤警率太高。然而，WAAS表明其精度可達到3米，遠比試驗所要求的7.6米要好，因而其發展工作仍在繼續。據估計，安全性得到認證的WAAS將於2003年年初投入工作。
WAAS使用日期的延誤可能還會對其後的局域增強系統（LAAS）產生影響，LAAS將為機場提供精密的GPS儀表進近能力，還有能力跟蹤地面上滑行的飛機。LAAS預定2002年在美國46個Ⅰ類機場和114個Ⅱ/Ⅲ類機場投入使用。聯邦快遞公司的一架波音727-200貨機率先在商業運營中採用具有LAAS能力的衛星著陸系統（SLS）進行了精密進近。
GPS的微小型化及其在炮彈制導中的套用
隨著GPS/慣性制導系統成本的降低和體積的減小，現在甚至連一些炮彈也將採用GPS/慣性制導。美國英特斯台特電子公司（IEC）已研製了一種炮彈制導用微小型GPS接收機，裝在美國海軍和陸軍的火箭助推的127毫米炮彈的尖頭部。這種GPS接收機能承受炮彈發射時的12500g以上的過載，並能迅速截獲GPS信號。這種接收機採用快速截獲/直接Y碼處理，不到6秒就能截獲信號，並將跟蹤多達8顆衛星。為抑制干擾信號，它被設計成與慣性測量裝置緊耦合工作，並採用某種窄帶跟蹤迴路技術。其制導系統中的慣性感測器採用了矽微機電系統（MEMS）技術，因而體積小，成本低。為減輕GPS時鐘振盪器在長期儲存中的相位不穩定的問題，採用了一種先進的相關器，對GPS信號進行時域搜尋以及數據變換，用來搜尋時鐘振盪器產生的不定性，從而能直接捕獲Y碼。
GPS汽車導航是近一年來有車一族的熱點話題，估計很多人都不知道，其實GPS導航技術在國外已經被研發和使用將近20年，在經濟發達的國家，GPS汽車導航被廣泛使用，據有關資料顯示在日本汽車GPS的使用率高達80%，在歐洲和美洲的一些國家也超過60%。在全球，擁有最雄厚GPS導航技術的公司非美國GARMIN莫屬，自從1989年美國開放GPS系統後，GARMIN公司就率先將GPS導航技術開發於民用，1991年發明了第一台攜帶型導航GPS，2000年發明了第一台攜帶型、彩色、航空GPS，2002年發明了第一台融合PDA功能的手持GPS、、、、、、近20年期間開發了數以千計的GPS專利技術。目前，GARMIN在GPS領域幾乎占據了全球市場的半辟江山，產品涵蓋了飛機、輪船、野外、汽車等使用的GPS，最足以稱道的是美國空軍和海軍使用的GPS大部分也出自該公司。據稱，美國當年打伊拉克的時候就是它的GPS技術。
GPS導航技術知識
民用導航系統的前身是美國軍方於上世紀60年代研製的子午儀衛星定位系統，1991年的海灣戰爭被首次軍事套用。2001年美國全面開放了GPS系統民用，使其成為樂國際性導航系統，並鼓勵國際套用。從那時起，導航系統開始在世界範圍內發展和普及，方便著人們的生活。
目前GPS有兩套編碼存在，分別為精碼和粗碼，精碼誤差再1米以內，粗碼誤差則要在3-5米左右。出於安全方面的考慮，民用的GPS均為粗碼，精碼只有美國軍方和最高級別的合作夥伴才被允許使用，即便是北約這樣的戰略夥伴也只能使用粗碼。 當然，包括我國在內一些國家也有衛星導航系統存在，但從發展和先進程度上均不及美國的GPS導航系統，因此最終並沒有普及來開。
“電子地圖”不是“導航”
提起導航地圖，不少朋友會和電子地圖混淆。電子地圖是早年間紙質地圖的電子版本，只是查看更加方便，但並不具備導航功能。導航電子地圖則是再電子地圖的基礎上附加道路，興趣點等信息，通過內置的軟體系統進行讀取，檢索，路線規劃以及導航和語音提示等功能。
籠統的來說，一個導航產品由軟體和硬體兩個部分，任何一方出現問題都會導致使用感受上的缺失。軟體主要是指地圖所包含的內容，比如商場，酒店，加油站等等信息源是否全面，比如道路信息的更新是否及時，興趣點的檢索方法是否豐富，路線的規劃引導是否合理。所以綜合起來，才能提供一個好用的軟體內容。當軟體提供商將地圖提供給硬體商後，硬體方面開始將地圖與硬體進行匹配，比如使用多大的顯示屏，觸控螢幕反應是否靈敏及時，界面的功能分布是否合理好用，最終配合軟體所綜合來看，才能決定一個導航產品是否好用。
GPS導航儀技術的套用
1.船舶遠洋導航和進港引水
2.飛機航路引導和進場降落
3.汽車自主導航
4.地面車輛跟蹤和城市智慧型交通管理
5.緊急救生
6.個人旅遊及野外探險
7.個人通訊終端（與手機，PDA，電子地圖等集成一體）
8.電力，郵電，通訊等網路的時間同步
9.準確時間的授入
10.準確頻率的授入
11.各種等級的大地測量，控制測量
12.道路和各種線路放樣
13.水下地形測量
14.地殼形變測量，大壩和大型建築物變形監測
15.GIS套用
16.工程機械（輪胎吊，推土機等）控制
17.精細農業
◆GPS在道路工程中的套用
GPS在道路工程中的套用，目前主要是用於建立各種道路工程控制網及測定航測外控點等。隨著高等級公路的迅速發展，對勘測技術提出了更高的要求，由於線路長，已知點少，因此，用常規測量手段不僅布網困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，國內已逐步採用GPS技術建立線路首級高精度控制網，然後用常規方法布設導線加密。實踐證明，在幾十公里範圍內的點位誤差只有2厘米左右，達到了常規方法難以實現的精度，同時也大大提前了工期。GPS技術也同樣套用於特大橋樑的控制測量中。由於無需通視，可構成較強的網形，提高點位精度，同時對檢測常規測量的支點也非常有效。GPS技術在隧道測量中也具有廣泛的套用前景，GPS測量無需通視，減少了常規方法的中間環節，因此，速度快、精度高，具有明顯的經濟和社會效益。
◆GPS在汽車導航和交通管理中的套用
GPS套用
型技術。汽車導航系統由GPS導航、自律導航、微處理機、車速感測器、陀螺感測器、CD-ROM驅動器、LCD顯示器組成。GPS導航系統與電子地圖、無線電通信網路、計算機車輛管理信息系統相結合，可以實現車輛跟蹤和交通管理等許多功能。
◆GPS在長途客運車輛管理中的套用（舉例）
以國內首套專業的GPS長途客運車輛管理系統——雅迅長途客運GPS智慧型管理系統為例，它就是結合了衛星定位技術、GPRS/CDMA通訊業務、GIS技術、圖像採集技術、計算機網路和資料庫等技術，在客運公司建立一個總控（C/S結構和B/S結構相結合），其它設為分控，公安部門和運管部門等各部門建立專控的中心繫統，系統由控制中心繫統、無線通信平台（GPRS/CDMA）、全球衛星定位系統（GPS）、車載設備四部分組成一個全天候、全範圍的駕駛員管理和車輛跟蹤的綜合平台；系統可對註冊車輛實施動態跟蹤、監控、拍照、行車記錄、管理、數據分析等功能，監控車輛可以在電子地圖上顯示出來，並保存車輛運行軌跡數據；操作終端可任意選擇伺服器內部區域網路或國際網際網路對中心進行訪問並可通過IE瀏覽器提供網上綜合客車管理數據分析控制系統（B/S結構）；且系統軟其容量可隨時根據中心伺服器和操作終端硬體配置進行擴展，最大為五十萬輛，入網車輛不僅可以是長途客運車輛，也可以旅遊車等社會車輛。同時系統還可以採用分組管理，不同類型的車輛歸入不同分組，便於管理人員的操作。
GPS導航技術4大原則
在面對變化莫測車用GPS市場，必須要在最快時間內推出新產品，配置多種新的附加功能，甚至增加新賣點，這將是GPS廠商要在最短時間內所要克服的問題。GPS晶片設計可以概括為成本、精確、干擾和訊號等4大原則。
從車載用GPS導航接收機模組設計來看，在技術能力的整合方面，最大的關鍵點在於，板卡及IC的設計朝精密化方向發展，如何解決電波互相干擾的問題？因此，許多導航廠商積極地開發出更好的技術。
舉例來說，日本GPS導航廠商在開發導航產品時，為了避免內外部所產生的電波、磁場等干擾，大都使用陶瓷機板當作關鍵零組件，以降低干擾問題的產生。相對來說，陶瓷機板價格較高，其產品成本也提高。因此，如何開發出不相互干擾的導航產品，同時降低零組件成本，使導航產品價格在市場上更具競爭力。
