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GPS基础知识
一、是GPS
全球定位系统（GPS）是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。
其主要目的是为陆、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，是美国独霸全球战略的重要组成。
经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
全球定位系统由三部分构成：
（1）地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；
（2）空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；（3）用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。
全球定位系统的主要特点：
（1）全天候；
（2）全球覆盖；（3）三维定速定时高精度；（4）快速省时高效率：
（5）应用广泛多功能。
全球定位系统的主要用途：
（1）陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；
（2）海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；（3）航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。
经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。
GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
二、GPS原理
24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。
为提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。
接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。
实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。
三、GPS前景
由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。
据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。
可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。
四、GPS入门术语大全
GPS作为野外定位的最佳工具，在户外运动中有广泛的应用，在国内也可以越来越经常地看见有人使用了。
GPS不象电视或收音机，打开就能用，它更象一架相机，你需要有一定的知识。
首先大家要弄清使用GPS时常碰到的一些术语：
1.坐标（coordinate）
有2维、3维两种坐标表示，当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3微坐标：
经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：
精度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。
大部分GPS不仅能以经/纬度（Lat/Long）的方式，显示坐标，而且还可以用UTM（UniversalTransverseMercator）等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。
坐标的精度在SelectiveAvailability（美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施）打开时，GPS的水平精度在100-50米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。
在SA关闭时，精度能达到15米左右。
高度的精确性由于系统结构的原因，更差些。
经纬度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择，一般有\"hddd.支持168论坛d\",\"hddd*mm.mmm\"\"，\"hddd*mm\"ss.s\"\"\"（其中的“*”代表“度”，以下同）地球子午线长是39940.67公里，纬度改变一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地区纬在北纬40度左右，纬度圈长为40075*sin（90-40）,此地经度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住，这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。
大部分GPS都有计算两点距离的功能，可给出两个坐标间的精确距离。
高度的显示会有英制和公制两种方式，进GPS的SETUP页面，设置成公制，这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。
2.路标（LandmarkorWaypoint）
GPS内存中保存的一个点的坐标值。
在有GPS信号时，按一下\"MARK\"键，就会把当前点记成一个路标，它有个默认的一般是象\"LMK04\"之类的名字，你可以修改成一个易认的名字（字母用上下箭头输入），还可以给它选定一个图标。
路标是GPS数据核心，它是构成“路线”（见3）的基础。
标记路标是GPS主要功能之一，但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标，手工或通过计算机接口输入GPS，成为一个路标。
一个路标可以将来用于GOTO功能（见5）的目标，也可以选进一条路线Route，见3.）作为一个支点。
一般GPS能记录500个或以上的路标。
3.路线（ROUTE）
路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫一条\"腿\"（leg）。
常见GPS能存储20条线路，每条线路30条\"腿\"。
各坐标点可以从现有路标中选择，或是手工/计算机输入数值，输入的路点同时做为一个路标（Waypoint/Landmark）保存。
实际上一条路线的所有点都是对某个路标的引用，比如你在路标菜单下改变一个路标的名字或坐标，如果某条路线使用了它，你会发现这条线路也发生了同样的变化。
可以有一条路线是\"活跃\"（Activity）的。
“活跃”路线的路点是导向（见5）功能的目标。
4.前进方向（Heading）
GPS没有指北针的功能，静止不动时它是不知道方向的。
但是一旦动了起来，它就能知道自己的运动方向。
GPS每隔一秒更新一次当前地点信息，每一点的坐标和上一点的坐标一比较，就可以知道前进的方向，请注意这并不是GPS头指的方向，它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。
不同GPS关于前进方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前进方向，所以除非你已经走了一段并仍然在走直线，否则前进方向是不准确的，尤其是在拐弯的时候你会看到数值在变个不停。
方向的是以多少度显示的，这个度数是手表表盘朝上，12点指向北方，顺时针转的角度。
有很多GPS还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。
一般同时还显示前进平均速度，也是根据最近一段的位移和时间计算的。
5.导向（Bearing）
导向功能在以下条件下起作用：
1.）以设定\"走向\"（GOTO）目标。
\"走向\"目标的设定可以按\"GOTO\"键，然后从列表中选择一个路标。
以后\"导向\"功能将导向此路标。
2.）目前有活跃路线（Activityroute）。
活跃路线一般在设置->路线菜单下设定。
如果目前有活动路线，那么\"导向\"的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下一个路点。
在\"导向\"页面上部都会标有当前导向路点名称（\"ROUTE\"里的点也是有名称的）。
它是根据当前位置，计算出导向目标对你的方向角，以与\"前进方向\"相同的角度值显示。
同时显示离目标的距离等信息。
读出导向方向，按此方向前进即可走到目的地。
有些GPS把前进方向和导向功能结合起来，只要用GPS的头指向前进方向，就会有一个指针箭头指向前进方向和目标方向的偏角，跟着这个箭头就能找到目标。
6.日出日落时间（Sunset/raisetime）
大多数GPS能够显示当地的日出、日落时间，这在计划出发/宿营时间时是有用的。
这个时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间，在山区因为有山脊遮挡，日照时间根据情况要早晚各少半个小时以上。
GPS的时间是从卫星信号得到的格林尼制时间，在设置（setup）菜单里可以设置本地的时间偏移，对中国来说，应设+8小时，此值只与时间的显示有关。
7.足迹线（Plottrail）
GPS每秒更新一次坐标信息，所以可以记载自己的运动轨迹。
一般GPS能记录1024个以上足迹点，在一个专用页面上，以可调比例尺显示移动轨迹。
足迹点的采样有自动和定时两种方式自动采样由GPS自动决定足迹点的采样方式，一般是只记录方向转折点，长距离直线行走时不记点；定时采样可以规定采样时间间隔，比如30秒、一分钟、5分钟或其他时间，每隔这么长时间记一个足迹点。
在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。
你可以开始记录、停止记录、设置方式或清空足迹线。
“足迹”线上的点都没有名字，不能单独引用，查看其坐标，主要用来画路线图（计算机下载路线?
）和“回溯”功能。
很多GPS有一种叫做“回溯”（Traceback）的功能，使用此功能时，它会把足迹线转化为一条“路线”（ROUTE），路点的选择是由GPS内部程序完成的一般是选用足迹线上大的转折点。
同时，把此路线激活为活动路线，用户即可按导向功能原路返回。
要注意的是回溯功能一般会把回溯路线放进某一默认路线（比如route0）中，看你GPS的说明书，使用前要先检查此线路是否已有数据，若有，要先用拷贝功能复制到另一条空线路中去，以免覆盖。
回溯路线上的各路点用系统默认的临时名字如\"T001\"之类，有的GPS定第二条回溯路线时会重用这些名字，这时即使你已经把旧的路线做了拷贝，由于路点引用的名字被重用了，所以路线也会改变，不是原来那条回溯路线了。
请查看你GPS的使用说明书，并试用以明确你的情况。
有必要的话，对于需要长期保存的TraceBack路线，要拷贝到空闲路线，并重命名所有路点名字。
五、Gps应用知识1
1．GPS系统组成
GPSgloabalPositioningSystem,这玩意是美国人搞的。
主要分三大块，地面的控制站、天上飞的卫星、咱们手里拿的接收机。
简单唠叨唠叨
先说说设备，当然大个的都是老美给咱准备好的，
地上，有一个主控制站，当然在老美的本土了，在科罗拉多。
三个地面天线，五个监测站，分布在全球。
主要是收集数据，计算导航信息，诊断系统状态，调度卫星这些杂事。
天上，有27颗卫星，距离地面20200公里。
27颗卫星有24颗运行，3颗备用。
这些卫星已经更新了三代五种型号。
卫星发射两种信号：
L1和L2。
L1:
1575.42MHZ,L2:
1227.60MHZ。
卫星上的时钟采用铯原子钟或铷原子钟，计划未来用氢原子钟，比我的手表准。
手里，就是接收机了。
大大小小，千姿百态，有袖珍式、背负式、车载、船载、机载什么的。
一般常见的手持机接收L1信号，还有双频的接收机，做精密定位用的。
2．关于GPS接收机
GPS现在一般都是12通道的，可以同时接收12颗卫星。
早期的型号，比如GARMIN45C就是8通道。
GPS接收机收到3颗卫星的信号可以输出2D（就是2维）数据，只有经纬度，没有高度，如果收到4颗以上的卫星，就输出3D数据，可以提供海拔高度。
但是因为地球自己的问题，不是太标准的圆，所以高度数据有一些误差。
现在有些GPS接收机内置了气压表，比如etrex的SUMMIT和VISTA，这些机器根据两个渠道得到的高度数据综合出最终的海拔高度，应该比较准确了。
GPS接收机的第一次开机，或者开机距离里上次关机地点超过800KM以上，因为接收机里存储的星历都对不上了，所以要在接收机上重新定位。
GPS接收机的使用要在开阔的可见天空下，所以，屋里就不能用了。
手持GPS的精度一般是误差在10米左右，就是说一条路能看出走左边还是右边。
精度主要依赖于卫星的信号接收，和可接收信号的卫星在天空的分布情况，如果几颗卫星分布的比较分散，GPS接收机提供的定位精度就会比较高。
3．定位精度
谈到定位精度，就得说说SA和AS.
什么是SA，AS呢？
别急，这还得从头说起，要不然你也不好明白。
GPS的信号有两种C/A码，P码。
C/A码的误差是29.3m到2.93米。
一般的接收机利用C/A码计算定位。
美国在90代中期为了自身的安全考虑，在信号上加入了SA（SelectiveAvailability），令接收机的误差增大，到100米左右。
在2000年5月2日，SA取消，所以，咱们现在的GPS精度应该能在20米以内。
P码的误差为2.93米到0.293米是C/A码的十分之一。
但是P码只能美国军方使用，AS（Anti-Spoofing），是在P码上加上的干扰信号。
总之，老美也是挺累的。
发了一大堆卫星用于军用定位。
然后觉得不值，想赚点钱，于是开发信号给民用，精度还不能太高，可精度低了大家又骂娘。
因为GPS掌握在老美的手中，虽说免费使用，可是其他国家用着也不踏实，前两天打阿富汉是，美国就把该地区的GPS信号做了处理，定位精度变低。
俄罗斯有自己的卫星定位系统，全球导航卫星系统（GLObalNAvigationSatelliteSystem）。
欧洲也要发展自己的定位系统NAVSAT。
中国也有自己的卫星定位，叫北斗，是双星系统，只能定位自己国家和附近的地区，而且目前只用于军方。
六、GPS应用知识2
今天讲的东西比较枯燥，但是有用啊，可以拿去和别人神侃。
1.GPS的设置
GPS拿到手，如果是新机器要定位，上次已经提到了。
另外，还有一些设置，常用的有坐标系、地图基准、参考方位、公制/英制、数据接口格式什么的。
坐标系：
常用的是LAT/LON和UTM。
LAT/LON就是经纬度表示，UTM在这里就不管他了。
地图基准：
一般用WGS84。
参考方位：
就是北在哪里。
北在哪里呢？
实际上有两个北，磁北和真北呀（简称CB和ZBY）。
指南针指的北就是磁北，北斗星指的北就是真北。
两者在不同地区相差的角度不一样的，地图上的北是真北。
公制/英制：
自己选吧，我用公制。
数据接口格式：
这得细谈谈。
GPS可以输出实时定位数据让其他的设备使用，这就牵扯到了数据交换协议。
几乎现在所有的GPS接收机都遵循美国国家海洋电子协会（NationalMarineElectronicsAssociation）所指定的标准规格，这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准，其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。
NMEA协议有0180、0182和0183三种，0183可以认为是前两种的超集，现在正广泛的使用，0183有几个版本，V1.5V2.1。
所以，如果大家的GPS接收机如果要联上笔记本里通用的GPS导航程序，比如OZIEXPLORER和俺的GPSRECEIVER，就应该选择NEMAV2.0以上的协议。
NMEA规定的通讯速度是4800b/S。
现在有些接收机也可以提供更高的速度，但说实话，没有什么用，4800就足够了。
象GARMIN，自己有一个mapsource软件，为了不让其他品牌的GPS使用该软件，就设计了私有的GARMIN协议，只有GARMIN的机器才能输出这种数据，而MAPSOURCE只能接收GARMIN协议，这样一来MAPSOURCE就只能让GARMIN的机器使用，打倒打倒！
！
！
2.经纬度的表示
再讲讲数据表示吧。
一般从GPS得到的数据是经纬度。
经纬度有多种表示方法。
1.）ddd.支持168论坛d，度.度的十进制小数部分（5位）
2.）ddd.mm.mmm，度.分.分的十进制小数部分（3位）
3.）ddd.mm.ss,度.分.秒
不是所有的GPS都有这几种显示，我的GPS315只能选择第二种和第三种
一度是多远呢？
如果这么问，可就太外行了。
在LAT/LON坐标系里，纬度是平均分配的，从南极到北极一共180个纬度。
地球直径12756KM，周长就是12756*PI，一个纬度是12756×PI/360=111.133KM（先说明白，不精确啊）。
经度就不是这样啦，只有在纬度为零的时候，就是在赤道上，一个经度之间的距离是111.319KM，经线随着纬度的增加，距离越来越近，最后交汇于南北极。
大家想想，没错吧。
所以经度的单位距离和确定经度所在的纬度是密切相关的，简单的公式是：
经度1°长度=111.413cosφ，在纬度φ处。
（这个公式也不精确呀，蒙人还可以）
做题：
北京的经度119度，纬度40度。
单位经度，单位纬度各是多少？
答：
单位纬度111.133KM单位经度111.413×COS40=85.347KM
讲这些的用途就是容易理解经纬度的表示。
1.）ddd.支持168论坛d，在北京，纬度最后一位小数增1，实际你走了多少？
大约1.1M
经度最后一位小数增1，实际你走了多少？
大约0.85M
2.）ddd.mm.mmm，在北京，纬度最后一位小数增1，实际你走了多少？
大约1.85M
经度最后一位小数增1，实际你走了多少？
大约1.42M
3.）ddd.mm.ss，在北京，纬度秒增1，实际你走了多少？
大约30.9M
经度秒增1，实际你走了多少？
大约23.7M
今天说的都不是精确的公式，一般估计大致的数字没有问题。
3、GPS导航技术的新进展
美国的全球定位系统（GPS）导航卫星正在逐步现代化。
GPS从美国空军的导航辅助设备开始，逐渐发展成军民两用的一种重要技术。
GPS的精确位置与定时信息，已成为世界范围各种军民用、科研和商业活动的一种重要资源
GPS卫星的发展及信号的改进GPS导航卫星自1978年发射以来，其型别已由第Ⅰ，Ⅱ和ⅡA批次发展到ⅡR批次。
第Ⅰ，Ⅱ和ⅡA批次卫星共有40颗，是由罗克韦尔公司制造的，而20颗ⅡR批次卫星则由洛克希德·马丁公司制造。
波音公司在1996年收购了罗克韦尔的航空航天和防务业务，目前正在制造33颗更先进的ⅡF批次卫星。
美国还在考虑发展采用点波束的新一代GPS卫星（GPS-Ⅲ）。
GPS从1994年全面工作以来，改进工作一直在进行中。
这是因为民用用户要求GPS具有更好的抗干扰和干涉性能、较高的安全性和完整性；军方则要求卫星发射较大的功率和新的同民用信号分离的军用信号；而对采用GPS导航的"灵巧"武器，加快信号捕获速度更为重要。
民用GPS导航精度迄今的最大改进发生在2000年5月2日，美国停止了故意降低民用信号性能（称为选择可用性，即S/A）的做法。
在S/A工作时，民用用户在99%的时间只有100米的精度。
但当S/A切断后，导航精度上升，95%的位置数据可落在半径为6.3米的圆内。
GPS卫星发送两种码：
粗捕获码（C/A码）和精码（P码）。
前者是民用的，后者只限于供美军及其盟军以及美国政府批准的用户使用。
这些码以扩频方式调制在两种不同的频率上发射：
L1波段以1575.42兆赫发射C/A和P码；而L2波段只以1227.6兆赫发射P码。
GPS卫星导航能力最重大的改进将从2003年发射洛克希德·马丁首批ⅡR-M（修改的ⅡR）卫星开始。
ⅡR-M卫星将发射增强的L1民用信号，同时发射新的L2民用信号和军用码（M码）。
进一步的改进将从发射波音ⅡF批次卫星的2005年开始，ⅡF批次卫星除发射增强的L1、L2民用信号和M码外，将在117**5兆赫增加第3个民用信号（L5）。
在ⅡF发射以前，M码将从发展型过渡到工作型。
因为导航卫星星座的发射需要有一段时间，故在轨道上获得全工作能力则要在2007年发射18颗L2民用信号和M码卫星后才能实现。
18颗卫星组成的第三个民用信号（L5）的星座预计要到2011年才能发射完。
此后，美军将得到抗干扰能力有所增强的新信号--M码。
它能发送更大的功率，而不干涉民用接收机。
M码还给军方一种新的能力，以干扰敌方对信号的利用，但其细节是保密的。
L2民用信号即第二个民用信号称为L2C，使民用用户也能补偿大气传输不定性误差，从而使民用导航精度提高到3～10米。
而美军及其盟军因一开始就能接收L1和L2中的P码，故一直具有这种能力。
对L2的设计约束是它必须与新的M码兼容。
为避免对军用L2P（Y）接收机的任何损害，新的民用L2应具有与现有C/A码相同的功率和频谱形状。
这里，括号中的Y码是P码的加密型。
实际上，民用L2信号将比现有的L1C/A信号低2.3分贝。
功率较低的问题将由现代的多相关器技术加以克服，以便迅速捕获很微弱的信号。
GPS卫星发射的信号必须现代化，同时又要保持向后兼容性。
组合的民用信号与军用信号必须放在现有频带中，而且具有足够的隔离，以防互相干涉。
美国决定将C/A码信号放在L1频带和新的L2频带的中部，供民用使用，而保留Y码信号。
M码将采用一种裂谱调制法，它把其大部分功率放在靠近分配给它的频带的边缘处。
抗干扰能力主要来自不干涉C/A码或Y码接收机的强大的发射功率。
M码信号的保密设计基于下一代密码技术和新的密钥结构。
为进一步分离军用和民用码，卫星对于M码将具有单独的射频链路和天线孔径。
当卫星能工作时，每颗卫星可能在每个载波频率上发射两个不同的M码信号。
即使由同一颗卫星以同一载波频率发射，信号将在载波、扩散码、数据信息等方面不同。
M码的调制将采用二进制偏置载波（BOC）信号，其子载波频率为10.23兆赫，扩码率为每秒5.115百万扩散位，故称为BOC（10.23，5.115）调制，简称BOC（10，5）。
因为BOC（10，5）调制与Y和C/A码信号相分离，故可以较大的功率发射，而不降低Y或C/A码接收机的性能。
BOC（10，5）对于针对C/A码信号的干扰不敏感，而且与用来扩展调制的二进制序列的结构难以分辨。
L5将位于960～1215兆赫频段，而地面测距仪/塔康（DME/TACAN）导航台和军用数据链（Link16）已大量使用这个频段，但这只会对欧洲中部和美国高空飞行的飞机产生干扰。
美国计划对在L5±9兆赫以内的DME频率进行重新分配，以便L5信号在美国的所有高度都能良好地接收。
一些新的抗干扰技术
由于GPS卫星发射的导航信号比较微弱，而且以固定的频率发射，因此军用GPS接收机很容易受到敌方的干扰
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