GPS技术 简介GPS技术简介
【 作者：佚名 转贴自：中国农业生态环境网 点击数：132 更新时间：2006-2-13 文章录入：admin 】
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GPS又称为全球定位系统（Global Positioning SystemGPS）是美国从上世纪70年代开始研制历时20年耗资200亿美元于1994年3月完成其整体部署实现其全天候、高精度和全球的覆盖能力现在GPS于现代通信技术相结合使得测定地球表面三维坐标的方法丛静态发展到动态丛数据后处理发展到实时的定位与导航极大地扩展了它地应用广度和深度。载波相位差分法GPS技术可以极大提高相对定位精度。在小范围内可以达到厘米级精度。此外由于GPS测量技术对测点间地通视和几何图形等方面地要求比常规测量方法灵活、方便已完全可以用来施测各种等级地控制网。GPS全站仪的反展在地形和土地测量以及各种工程、变形、；地表沉陷监测中已经得到广泛应用在精度、效率、成本等方面显示出巨大的优越性。
（1）GPS系统的组成
GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。
GPS卫星星座：
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内轨道倾角为55度各个轨道平面之间相距60度即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。
在两万公里高空的GPS卫星当地球对恒星来说自转一周时它们绕地球运行二周即绕地球一周的时间为12恒星时。这样对于地面观测者来说每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同最少可见到4颗最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时为了结算测站的三维坐标必须观测4颗GPS卫星称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时甚至不能测得精确的点位坐标这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。
地面监控系统：
对于导航定位来说GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作以及卫星是否一直沿着预定轨道运行都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间求出钟差。然后由地面注入站发给卫星卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
GPS信号接收机：
GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号并跟踪这些卫星的运行对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间解译出GPS卫星所发送的导航电文实时地计算出测站的三维位置位置甚至三维速度和时间。
GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。
静态定位中GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变接收机高精度地测量GPS信号的传播时间利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰空中的飞机行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说两个单元一般分成两个独立的部件观测时将天线单元安置在测站上接收单元置于测站附近的适当地方用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体观测时将其安置在测站点上。
GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电以防止丢失数据。
近几年国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时其双频接收机精度可达5MM+1PPM.D单频接收机在一定距离内精度可达10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。
目前各种类型的GPS接收机体积越来越小重量越来越轻便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
（2）GPS的定位原理
GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息。
（3）GPS系统的特点
GPS系统具有以下主要特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。
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10-6100-500KM可达10-71000KM可达10-9。在300-1500M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。
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。
测站间无须通视GPS测量不要求测站之间互相通视只需测站上空开阔即可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网中的传算点、过渡点的测量工作。
可提供三维坐标经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。
操作简便随着GPS接收机不断改进自动化程度越来越高有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小重量越来越轻极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。
全天候作业目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响功能多、应用广。
从这些特点中可以看出GPS系统不仅可用于测量、导航还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初设计GPS系统的主要目的是用于导航收集情报等军事目的。但是后来的应用开发表明GPS系统不仅能够达到上述目的而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位米级至亚米级精度的动态定位亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此GPS系统展现了极其广阔的应用前景。
（4）GPS的用途
GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标给海中的军舰导航为军用飞机提供位置和导航信息等。
目前GPS系统的应用已将十分广泛我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航导弹的制导大地测量和工程测量的精密定位时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。
许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置这一般需要借助无线通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。
由于多元化空间资源环境的出现 使得GPSGLONASSINMARSAT等系统都具备了导航定位功能形成了多元化的空间资源环境。这一多元化的空间资源环境促使国际民间形成了一个共同的策略即一方面对现有系统充分利用一方面积极筹建民间GNSS系统待到2010年前后GNSS纯民间系统建成全球将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势才能从根本上摆脱对单一系统的依赖形成国际共有、国际共享的安全资源环境。世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。国际民间的这一策略反过来有影响和迫使美国对其GPS使用政策作出更开放的调整。总之由于多元化空间资源环境的确立给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境。
近年来，3S技术(遥感技术，地理信息系统，GPS)在甘...在20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。农业是应用遥感信息技术的主要领域，在农业资源调查和变化监测、农作物估产、农业灾害监测和评估等方面的应用成效显著。在解决了技术和组织管理等方面的问题后，遥感信息技术在农业领域的应用前景将更加广阔。
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GPS和GIS怎么配合工作?农业生产中增加产量和提高效益是根本目的。要达到增产高效的目的，除了适时种植高产作物， 加强田间管理等技术措施外，弄清土壤性质，检测农作物产量、分布、合理施肥以及播种和喷撒 农药等也是农业生产中重要的管理技术。尤其是现代农业生产走向大农业和机械化道路， 大量采用飞机撒播和喷药，为降低投资成本，如何引导飞机作业做到准确投放，也是十分重要的。
利用GPS技术，配合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS），能够做到监测农作物产量分布、 土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药，节约费用、降低成本、达到增加产量提高效益 的目的。利用差分GPS技术可以做到：
1.1 土壤养分分布调查
在播种之前，可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。车辆上配置有 GPS接收机和计算机，计算机中配置地理信息系统软件。采集样品时，GPS接收机把样品采集 点的位置精确地测定出来，将其输入计算机，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出 一幅土壤样品点位分布图。
1.2 监测作物产量
在联合收割机上配置计算机、产量监视器和GPS接收机，就构成了作物产量监视系统。对 不同的农作物需配备不同的监视器。例如监视玉米产量的监视器，当收割玉米时，监视器 记录下玉米所接穗数和产量，同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处位置，通过计算机最终绘制出 一幅关于每块土地产量的产量分布图。通过和土壤养分含量分布图的综合分析，可以找出 影响作物产量的相关因素，从而进行具体的田间施肥等管理工作。
1.3 合理施肥，精确农业管理
依据农田土壤养分含量分布图，设置有GPS接收机的“受控应用”的喷施器，在GPS的控制下， 依据土壤养分含量分布图，能够精确地给田地的各点施肥，施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量 分布图控制。
在作物生长期的管理中，利用遥感图象并结合GPS可绘出作物色彩变化图。利用GPS定位采集一定数量 的土壤及作物样品进行分析，可以绘制出作物生长的不同时期的土壤含量的系列分布图。 这样可以做到精确地对作物生长进行管理。
利用飞机进行播种、施肥、除草等工作，作业费用昂贵。合理地布设航线和准确地引导飞机， 将大大节省飞机作业的费用。据国外介绍，利用差分GPS对飞机精密导航，估计会使投资 降低50%。具体应用中，利用GPS差分定位技术可以使飞机在喷洒化肥和除草剂时减少 横向重叠，节省化肥和除草剂用量，避免过多的用量影响农作物生长。还可以减少转弯重叠， 避免浪费，节省资源。对于在夜间喷施，更有其优越性。因为夜间蒸发和漂移损失小，另外夜间植物气孔 是张开的，更容易吸收除草剂和肥料，提高除草和施肥效率。依靠差分GPS进行精密导航， 引导农机具进行夜间喷施和田间作业，可以节省大量的农药和化肥。
GPS技术在农业领域中的应用不仅是大面积种植，在小面积的农田，特别是在格网种植的 小面积内，应用小型自动化设备，配合差分GPS导航设备、电子监测和控制电路，能够适应 科学种田的需要，作到精确管理。这种投资较低、安装方便、操作灵活。
总之，GPS技术在农业领域将发挥重要作用。在我国，尚需积极开展在农业中的应用研究 以及相关设备的研制，特别在大平原地区，利用大规模的机械化生产的地区，应当重视 GPS技术在农田作业和管理中的应用。
GPS在蝗虫防治及小麦锈病防治中的应用
1定位功能的应用
在勘查工作通过综合应用GPS和GIS两项先进技术，可望准确划定蝗虫宜发区及小麦锈病的准确位置、地形地貌，为飞机及人工防治时精准施药，高效防治，减少环境污染提供科学依据，从而使飞机治蝗及其他工作彻底摆脱了依靠地面人工信号的历史。
由于蝗虫属于迁飞类害虫，对于其迁飞路径，GPS的位置实时回传功能可以对确定其迁飞路径及科学的综合防治提供及时的准确的数据
2测面积功能的应用
