GPS基础知识.docx
《GPS基础知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS基础知识.docx（9页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
GPS基础知识
GPS基础知识
GPS定位系统概述及定位原理
定位系统概述
全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，还提供实时、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重要组成。
截止1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已经布设完成。
全球定位系统共由三部分构成：
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，向卫星注入导航电文）、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个轨道平面上；
3.用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。
全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。
21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。
卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。
这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
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、多机型的高新技术国际性产业。
目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
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。
给大家举例说明一下吧，假设恒星在17710米的高度，这是一种高轨道与精密定位的观测方式，以此恒星为圆心画一个圆，而我们位置正处于球上面。
再假设第二颗恒星距离大家19320米，而大家正处于处于这两颗球所交集的圆周上，现在大家在以第三恒星做精密定位，假设高度20930米，大家即可进一步缩小范围到二点位置上，但是其中一点为大家所在的位置极有可能在太空的某一点，因此，大家舍弃这一参考点选择另一点为位置参考点。
如果要获得更精确的定位，则必定要在测量第四颗恒星，从基本的物理观念上来说，以信号传输的时间乘以速度即是大家与恒星的距离，大家将此测得为虚拟距离。
在GPS的测量上，大家测的是无线信号，速度几乎达到光速，时间短的惊人，甚至只要0.06秒，时间的测量需要两个不同的时钟，一个时钟装置于恒星上以记录无线电信号传输的时间，另一个时钟则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然恒星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设恒星与接受器同时发出声音给大家，大家会听到两种不同的声音，这是因为恒星从17710米远的地方传来，所以会有延迟的是时间，因此，大家可以延迟接收器的时间，从延迟的时间×速度，就是接收器到恒星的距离，此即为GPS的基本定位原理。
GPS定位原理图解（一般了解）
如图所示：
假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：
上述四个方程式中x、y、z为待测点坐标，Vto为接收机的钟差为未知参数，其中di=c△ti，（i=1、2、3、4），di分别为卫星ｉ到接收机之间的距离，△ti分别为卫星ｉ的信号到达接收机所经历的时间，xi、yi、zi为卫星ｉ在t时刻的空间直角坐标，Vti为卫星钟的钟差，c为光速。
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。
这时候就有人说了，干嘛要四颗卫星呢，三颗不就够了吗？
想想还蛮有道理的，三个球面，交汇于一点，不就可以定出接收机所在的位置了吗？
但是实际上，GPS接收器在仅接收到三颗卫星的有效信号的情况下只能确定二维坐标即经度和纬度，只有收到四颗或四颗以上的有效GPS卫星信号时，才能完成包含高度的3D定位。
这是为什么呢？
原来，大家忽略了一件事情，那就是时间。
先来看一颗卫星，它在一个规定的时间发送一组信号到地面，比如说每天8：
00整开始发送一组信号，如果地面接收机就在8点零2秒收到了这一组信号，那么就是说信号从卫星到接收机的距离是电波花2秒能够跑到的距离，由于这颗卫星的位置和电波的速度已知，那么就可以肯定接收机就在以卫星为球心的一个球面上，那么再多测2个卫星的距离，就可以得到3个空间球，3个空间球的焦点只有2个，那么逻辑排出一个不在地球表面的，剩下的就是接收机的位置。
这就是我们所想象的三颗卫星可以定位的情形。
但是，这只是假象的情况，卫星和接收机的距离如此之近，以至于卫星和接收机的时钟必须完全同步和准确，否则距离偏差会很大。
实际上，如果接收机这端不配备一个銫原子钟的话，定出来的位置肯定差了个十万八千里。
銫原子钟的价格我也不太清楚，反正肯定是比你坐的汽车要贵了。
所以，由于时间需要校准，这就需要四颗卫星。
可以从方程里看到，时间都不是绝对时间，都是以卫星之间的钟差来计量的。
GPS常见术语解释（一般了解）
1.坐标
通常人们都习惯用2维、3维这两种坐标表示，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，但此时的数据是无效的。
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，这主要是由用户所使用的地图的坐标系统决定的。
坐标的精度在SelectiveAvailability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的指示则应该在大约一个足球场大小的面积内发现用户所指示的目标。
2.航点
GPS内存中保存的一个点的坐标值。
在有GPS信号时，用户可以存储成一个易认的名字，还可以给它选定一个图标。
航点是GPS数据核心，它是构成“航线”的基础。
标记航点是GPS主要功能之一，但是用户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，使之成为一个航点。
一个航点可以将来用于GOTO功能的目标，也可以选进一条航线Route，作为一个支点。
一般GPS能记录500个或以上的航点。
3.航线
航线是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"。
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航点中选择，或是手工/计算机输入数值，输入的路点同时做为一个航点保存。
实际上一条航线的所有点都是对某个航点的引用，比如在航点菜单下改变一个航点的名字或坐标，如果某条航线使用了它，用户会发现这条航线也发生了同样的变化。
可以有一条航线是"活跃"的。
“活跃”航线的路点是导向功能的目标。
4.前进方向
一般的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一一比较，就可以知道前进的方向，但是这里请大家注意这并不是GPS头指的方向，因为它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，所以除非哟凝固用户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用户会看到通过GPD显示出来的数值在不停的变化。
方向是以多少度显示的，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
导向功能在以下条件下起作用：
1）以设定"走向"目标。
"走向"目标的设定可以按"走向"键，然后从列表中选择一个航点。
以后"导向"功能将导向此航点。
2）目前有活跃航线。
活跃航线一般在设置->航线菜单下设定。
如果目前有活动航线，那么"导向"的点是航线中第一个路点，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。
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。
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
大多数GPS能够显示当地的日出、日落时间，这对于用户计划出发/宿营时间时是很有用的。
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，在设置菜单里可以设置本地的时间偏移，对中国来说，一般情况下都应设+8小时，而且这个数值只与时间的显示有关。
7.航迹
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，但是长距离直线行走时GPS是不记点；用户可以定时采样功能中提前规定采样时间间隔。
在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。
“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，它会把航迹转化为一条“路线”（ROUTE），路点的选择是由GPS内部程序完成的一般是选用航迹上大的转折点。
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，这时即使用户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。
GPS参数中的dBW和dBm
在GPS的说明书中我们常常可以看到类似于下面两张图一样的参数：
让我们看看信号灵敏度（TrackingSensitivity），哇～两个相差好多啊，再仔细一看，一个写的是dBW，一个写的是dBm，原来是这样啊。
但是，这是一项很关键的参数，对于不同的单位我们应该怎样换算呢？
这里我们就来谈谈射频电平单位dBW、dBm、dBmV、dBμV的关系
当需要表示系统中的一个功率（或电压）时，可利用电平来表示。
系统中某一点的电平是指该点的功率（或电压）对某一基准功率（或电压）的分贝比
显然，基准功率（即P=P0）的电平为零。
对同一个功率，选用不同基准功率P0（或电压U0）所得电平数值不同，后面要加上不同的单位。
若以1W为基准功率，功率为P时，对应的电平为10lg（P/1W），单位记为dBW（分贝瓦）。
例如功率为1W时，电平为0dBW；功率为100W时，电平为20dBW；功率为100dBW时，对应的电平为
已知系统中某点的电压，也可用dBW来表示该点的电平。
例如某输入端的电压为100mV，则其输入功率
对应的电平为
若以1mW为基准功率时，则功率为P时对应的电平为10lg（P/1mW），单位记为dBmW（分贝毫瓦）。
例如功率为1W时，电平为30dBm；功率为1mW时，电平为0dBm；功率为1uW时，电平为-30dBm；电压为1mV时，对应的功率
对应的电平为
若以1mV作为基准电压，则电压为U时对应的电平为20lg（U/1mV），单位记为dBmV（分贝毫伏）。
例如电压为1V时，对应的电平为60dBmV；电压为1uV时，对应的电平为-60dBmV；功率为1mW时，电压
对应的电平为
若以1uV为基准电压，则电压为U时对应的电平为20lg（U/1uV），单位记为dBuV（分贝微伏）。
例如电压为1mV时，电平为60dBuV；电压为100mV时，电平为100dBuV；功率为1mW时，电压
对应的电平为
上面的计算步骤是不是看了又点头大，实际上由上面的公式推导，我们可以知道电平的四个单位dBW、dBm、dBmV、dBμV之间有一定的换算关系，如下表所示，我们可以看到，左边的原单位变换为上边的新单位时，需要增加的数值。
利用表可以方便地把电平由一种单位化为另一种单位。
例如要把115dBuV化为其它单位表示，可利用表中最后一行：
化为dBW时用第一列数-138.75，即用原来的数加-138.75得-23.75，说明115dBμV相当于-23.75dBW；类似地，115dBuV相当于115-108.75=6.25dBm；相当于115-60=55dBmV。
若把dBmV化为其它单位，则应用第三行；若把dBm化为其它单位，则应用第二行；若把dBW化为其它单位，则应用第一行。
dBW（新单位）
dBm（新单位）
dBmV（新单位）
dBμV（新单位）
dBW（原单位）
0
+30
+78.75
+138.75
dBm（原单位）
-30
0
+48.75
+108.75
dBmV（原单位）
-78.75
-48.75
0
+60
dBμV（原单位）
-138.75
-108.75
-60
0
再回到开头的两幅GPS接收器技术规格的截图，我们再用上表的公式计算一下，-145dBm-30=-175dBW，由此可以得出，两个GPS的信号灵敏度其实是一样的。
全球卫星定位系统（GPS）和定位原理
GPS产生的背景
GPS是“GlobalPositioningSystem"即“GPS简介全球定位系统”的简称。
该系统是美国国防部为军事目的而于20世纪70年代初开始设计、研制，历经20年，于1993年全部建成。
其作用是为美军方在全球的舰船、飞机导航并指挥陆军作战。
该系统不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性，因此被视为20世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就。
现在正设计试验新的第二代工作卫星改进系统（BlockIIR）计划发射20颗，定位精度为1mm。
前苏联早在1978年就开始建立自己的全球卫星定位系统（Glonass系统）。
后来，俄罗斯继续执行这一系统工程计划，到1995年建成Glonass工作星座，它主要由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀分布在3个轨道平面上。
目前这套全球卫星导航系统只由俄罗斯控制使用，未向全世界提供服务。
欧洲空间局（ESA）考虑到全球卫星定位导航系统的应用前景，正在筹建民用导航卫星系统，包括在赤道平面上的6颗同步卫星（GEO）和12颗高椭圆轨道卫星（HEO）的GPS简介混合卫星星座。
中国也于2001年发射了自己的卫星导航系统——北斗导航系统，由2颗同步卫星确定平面位置，现在已发射了两颗。
目前德俄已联合生产了可以同时接收美国GPS和俄国Glonass信号的卫星定位接收器。
当前世界各国对全球卫星定位导航这一高新技术都非常重视，认为其对导航定位和大地勘测技术是一场革命，其民用潜力相当巨大，经济效益相当可观。
GPS实施计划共分三个阶段：
第一阶段为方案论证和初步设计阶段。
从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。
研制了地面接收机及建立地面跟踪网。
第二阶段为全面研制和试验阶段。
从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。
实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。
第三阶段为实用组网阶段。
1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。
1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。
1996年2月29日正式宣布开放军民两用系统，但仍采取限制政策。
2000年5月1日，美国总统宣布将可用性选择政策置零，这极大地促进了GPS民用的普及化，一个GPS应用的爆发性增长热潮由此而生。
GPS定位原理
GPS工作卫星共有24颗，均匀分布在倾角为55度的6个轨道上，各轨道升交点（与赤道交点）之间的角距为60度角，每个轨道分布4颗卫星，相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开40度角，以保证全球均匀覆盖的要求。
系统提供P码和C/A码两种定位服务，P码提供精确定位服务（PPS），其误差为米级，主要为美国军事服务；C/A码提供标准定位服务（SPS），主要应用于非军事项目，如航天、航空、航海、测量、勘探等诸多领域，这套系统现免费向全球开放，美国政府曾经许诺给用户至少十年的免费使用时间，即如果GPS简介美国政府2001年2月1日宣布要对用户收费，则收费的开始时间为2011年2月1日。
可提供全球范围从地面到9000公里高空之间任一载体的高精度的三维位置、三维速度和精确的时间信息。
安装在车辆上的车载单元只要能收到来自四颗卫星的定位信号，就可定出该辆车的经、纬度位置和时间信息。
也就是说GPS的卫星所发射的空间轨道信息覆盖着整个地球表面。
升级会员 