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GPS卫星定位系统原理是什么?是怎么工作的?

作者:admin 来源: 日期:2015-06-25 09:57

     关于GPS卫星定位系统的原理,百度百科己经说的非常详细了,但是百科所表达的太专业,下面讯拓科盛小编就用通俗易懂的语言诠释GPS卫星定位系统是怎么工作的。


    如果简单的来说的话意思就是:所有GPS的工作原理都是通过天上的24颗卫星接受信号,然后通过GPS特定的通道传输到GPS上,就可以了,我们所见到的GPS都是只能接受信号而不能本身发射信号!正常的定位要求是3颗星定位,5颗星导航,一般的话都可以搜到10颗左右,不会太多。下面对gps定位器做一个详细的剖析。


      所以我们要明白的是,全球定位系统的英文名是(Global Positioning System)同,其英文字母的简称为“GPS”,是由美国政府所发展的,整个系统分为以下三个部分:


     一.太空卫星部分

    它是由24颗绕极卫星组成,主要分成6个轨道,大概运行在20200公里的上空,围绕地球绕形一周大概12小时,每个卫星均持续着发射载 有卫星轨道数据及时间的无线电波,提供地球上的各种接收机来应用。

太空卫星部分


    二.地面管制部份

    它是为了控制及追踪上述卫星的运转,所设置的地面的一个管制站,其主要工作是为了负责修正与维护每个卫星能保持正常的运转速度及参数,以保证每个卫星都能提供正确有用的信号给使用者接收机来接收。


     三.使用者接收机

     它是为了追踪所有的GPS卫星,并能计算出接收机的移动位置,坐标、时间等参数。我们一般现在用的就是这一部分。


     计算原理:

     每个太空卫星在运行时,任一时刻都有一个坐标值来代表其位置所在(已知值),接收机所在的位置坐标为未知值,而太空卫星的讯息在传送过程中,所需耗费的时间,可经由比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之,将此时间差值乘以电波传送速度(一般定为光速),就可计算出太空卫星与使用者接收机间的距离,如此就可依三角向量关系来列出一个相关的方程式。


       一般我们使用的接收机就是依上述原理来计算出所在位置的坐标数据,每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式,因此在至少收到三卫星后,即可计算出平面坐标(经纬度)值,收到四颗则加上高程值,五颗以上更可提高准确度,这就是 GPS的基本定位原理。一般来说,使用者接收机每一秒钟的坐标数据都是最新的,也就是说接收机会自动不断地接收卫星讯息,并实时地计算其所在位置的坐标数据,如此使用者便不需担心是否接收机显示的数据太旧或是不准确了。


       由于卫星是处在相当高的运行轨道上,其传送的讯号是相当的微弱,因此它不像一般通讯无线电或大哥大等可在室内使用或收到讯号,在使用时需注意下列事项:

      1.需在室外及天空开阔度较佳之地方才能使用,否则若大部份之卫星信号被建筑物、金属遮盖物、浓密树林等所阻挡,接收机将无法获得足够的卫星讯息来计算出所在位置之坐标。

      2.请勿在具1.57GHz左右之强电波环境下使用,因此环境易将卫星讯号遮盖掉,造成接收机无法获得足够的卫星讯息来计算出所在位置之坐标,尤其是高压电塔下方。

     3.单纯 GPS 所计算出的高程值,并非是我们一般所说的海拔高度及气压计量测的飞行高度,原因在于所使用的海平面基准点不同,因此在使用时请务必注意此点。


      GPS 的基本应用就是导航与定位,定位方面在上文已描述过,而导航方面就是利用所求出的定位数据来计算。接收机所计算出的任何时刻坐标数据,在GPS里我们都称为一个航点(WAYPOINT),也就是说每个航点所表示的就是一个坐标值,比较重要的航点,我们就可以把它储存在接收机内,并编上一个名字,让我们可以辨别。


        由于在地球表面上的任何位置,都以不同的坐标值来表示,因此只要知道两个不同航点的坐标数据,接收机就可马上计算出两个航点间的直线距离、相对方位及航行速度,这就是 GPS 接收机导航数据的来源。


      说的比较官方,下面我打个很简单的比方就能很好理解了:

      我们在广州南沙港,希望往南行驶,第一个目的地是虎门,第二个目的地是香港为终站;从起点至终点,每站就都是一个航点,航点与航点间的行程称为航段(LEG),从起点依序经过各点至终点琉球等,整个行程我们称之为一条航线或是一条路径(ROUTE),图标如下: (航点) 航段 (航点) 航段 (航点)

广州南沙港 → 虎门 → 香港;全程称为:Route

      我们只要事先将各点的坐标数据(利用地图或查询相关数据)输入GPS接收机内,我们就可建立许多航点数据,要使用时候将其叫出,利用 GPS接收机的导航功能做各航段间的导航。而当进行导航时,为使我们的行进方向不致于偏移太多,有些 GPS 提供了航线宽度— CDI的设定功能,只要我们行进时偏离我们所设定的航线宽度限制,GPS 就会自动提示我们,这就是CDI的作用。由此可知,要利用 GPS 做导航功能,最基本的就是先建立航点的数据,然后储存在接收机内,如此不管是要做航点与航点间的导航,或是要编辑一条航线,就可直接利用内存内的航点数据了,也可以说″航点″是GPS 接收机导航功能所需最基本的数据了。


      GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以及GPS系统信息,如卫星状况等。GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距,精度约为20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢复载波。严格而言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。


       按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。


      在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高,双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显差别),应选用双频接收机。


      在定位观测时,若接收机相对于地球表面运动,则称为动态定位,如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位,或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位,或用于测量放样等的厘米级 的相位差分定位(RTK),实时差分定位需要数据链将 两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。 在定位观测时,若接收机相对于地球表面静止,则称为静态定位,在进行控制网观测时,一般均采用这种 方式由几台接收机同时观测,它能最太限度地发挥GPS的定位精度,专用于 这种目的的接收机被称为大地型接 收机,是接收机中性能最好的一类。目前,GPS已经能 够达到地壳形变观测的精度要求,IGS的常年观测台站已经能构成毫米级的全球坐标框架。



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