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GPS基本工作原理及基本常识

(2008-07-10 11:20:44)

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GPS系统是由美国军方建立起来的。利用围绕地球的24颗卫星发射信号进行经纬度和高度的定位。最早是为了应用在海军军舰进行海上定位使用。GPS实际上是Global Positioning System的缩写。意思是全球定位系统，围绕地球的24颗卫星成互差120度的平面排列。也就是说理想状态下我们同时应该能够接受到12颗卫星所传来的信号。

GPS卫星同时发射两种码，一种为P码，我们称之为细码，一种是C/A码，我们称之为粗码。P码的精度非常高，通常可以控制在误差3米以内，但只为军方服务。而我们使用的为C/A码，精度在14米以内。

我们知道，如果知道两个坐标点，我们可以确定一个平面内的一点，如果知道三个坐标点我们就能够知道空间当中的任意一点位置。而GPS 可以利用三颗卫星进行经纬度X，Y的定位，而四颗卫星可以进行经纬度和高度X，Y，Z三维定位，四颗卫星三颗进行坐标定位，一颗卫星进行时钟矫正。

很多朋友问，买了GPS有没有后续费用问题，国外购买能不能在国内使用的问题等等。首先GPS是没有后续费用的，这并不是说GPS是免费的，而是在你购买的时候购买费用里的一部分费用已经包括了你的使用费。因此购买GPS后续可以一直使用下去，直到有一天美国军方宣布废气这套卫星。另外，GPS本身是卫星接收产品，因此不牵扯到国内国外的兼容问题。就像卫星电话一样，走到只要没有遮挡的地方就能接受到卫星信号，能接受到信号就能够正常使用。只是部分地区可能会受到国家安全等因素而打开干扰信号从而影响定位精度问题，譬如前几年美国打阿富汗的时候，阿富汗地区的GPS信号一度误差非常大，但是误差大也不过是又原来的30米左右的精度变成了两三百米的精度误差。还是能够正常使用的。

GPS除了具备测量经纬度和高度的作用以外，GPS还具有其他一些功能，比如利用上一次定位的坐标和这次定位的坐标差进行测速，利用两次坐标差进行方向的定位，利用行进轨迹进行里程的计算和面积的计算等等。还有包括计算地理位置的月相，日初日落时间，潮汐，太阳月亮的方位，有些GPS内置电子气压计，还能计算大气压并且预测天气。

GPS是需要和卫星进行联系才能够定位的，城市里的水泥混凝土，树木，高架桥，天线，电线等都是干扰信号。因此城市里使用有时候会信号接受不到的情况发生。

选择 GPS手持接受机时候我们应该注意哪些呢。

第一，应该注意GPS的通道数量，一般民用GPS通道数量在2-8

之间，专业GPS拥有12-14个通道。每与一颗卫星联系需要占用一个通道，也就是说通道数越多，在信号好的情况下你能联系到的卫星越多，自然定位精度也就越高。

第二，注意GPS的天线类型，传统GPS天线主要有两类，一类是平板天线，一类是螺旋天线，平板天线是有接受面的，最佳方式应该使得GPS水平放置，屏幕朝上以获得最佳信号。而螺旋天线则方便得多。只需要将GPS垂直放置，天线成螺旋柱状，360度全方位接收。

第三，注意GPS 的冷热启动时间和刷新频率。冷启动是指在一个陌生的环境下启动GPS直到GPS和周围卫星联系并且计算出坐标的时间。热启动是指在上次关机的地方没有过多移动启动GPS计算出结果的时间。冷启动一般在10分钟左右，热启动一般在两分钟左右，时间越短证明GPS 的计算能力和信号接收能力越好。刷新频率是指GPS重新定位一次的时间。一般刷新频率尽量选择每秒/1次的，刷新频率越块越好。

第四，查看GPS的存储能力。一般GPS的存储能力会告诉你可以储存多少个航点，多少条航迹。航点就是位置点，储存该点的坐标值，高度值，并且可以编辑该点的名称，类型等。航迹是用来储存路线的。航迹其实是由多个航点构成，只不过此时的航点只储存坐标值而已。

第五，查看GPS 的物理参数。比如防水认证，抗干扰认证等。好的GPS应该抗干扰并且防水达到IPX-7级别的比较好。这个级别是指1米

深的水中防水半小时。另外GPS最好具备能够漂浮的能力。否则一旦落水如果不漂浮，再防水也白搭了。

现在国际有两家公司是GPS比较专业的生产商，一个是麦哲伦公司，一个是高明公司。两家公司都是美国的。GPS在国际上占有的份额比较大。因此选择GPS时候尽量考虑这两家公司的产品比较合适。

第一节 GPS的产生背景和历史演变

那么GPS全球定位系统究竟是什么东西呢？它是一套美国军方设计的，以航天技术为基础的导航与定位系统。这套系统可以使美军士兵独立测定精度为10米以下的自己的位置。这个“独立测定”非常重要：在实际使用中，如果这套系统需要士兵发射电波确定自己位置的话，会很容易地被敌方侦测到自己的实际位置，所以整个地面接收系统需要完全被动接收信号。

现在我们国家的北斗卫星导航系统还不能做到这一点：北斗卫星的用户需要通过无线电发射位置请求信息到卫星，并从卫星接收自己的位置信息。

由于美国全球战略的需要，这套系统需要覆盖全世界，并且的用户接收端的成本要非常低，因为系统的设计要求是每个士兵、每台军车都要安装接收系统。

1、频率与定位精度

GPS并不是世界上第一个无线电导航系统，早在第二次世界大战以前，就已经出现了无线电导航系统。

最早人们采用的是长波信号，波长长达26公里，因为长波信号可以轻易地被电离层反射，所以美国的OMEGA系统用了八个发射器就把信号覆盖了全球。不过因为信号波长比较长，定位精度受到很大影响：OMEGA系统的精度只有六公里。

为提高定位精度，只有提高无线电信号频率，但是借助电离层反射的全球覆盖就受到了影响：波长越短的信号，直线传输特性越强，同时不能被电离层反射：通过把波长减小到2.6公里，LORAN系统倒是把定位精度提高到450米了，可全球只有10%的面积被信号覆盖。

自从1957年有了卫星，科学家的兴趣自然就转到这上面来了：卫星可以发射短波长信号，穿透电离层覆盖半个地球的面积。

从20世纪60年代开始，美军就不断地试验并改进以卫星为基础的无线电导航系统，从最早的TRANSIT，到NAVSTAR, 一步一步地把GPS系统进行完善并降低接收系统成本。随着接收系统的成本不断降低，很多有商业头脑的人预见到了GPS系统的民用市场的广大，把GPS扩展到民用的呼吁在美国国内越来越高。

不过最终促成此事的是一桩悲剧：1983年，韩国的KAL-007航班因为迷航误入前苏联领空，被前苏联战斗机击落，机上乘客和机组人员无一生还。那会儿GPS还没有投入民用，民用航班的导航主要*无线电信标，万

一地面信标站或机上系统有故障，那麻烦就大了。于是美国前总统里根于1984年正式宣布：开放GPS信号的民间使用，无偿提供服务。

从1989年2月开始，真正用于实用的BLOCK II 卫星开始发射升空。到1993年12月，美国国防部宣布GPS系统初步完成，由24颗BLOCK I 和BLOCK II 卫星组成。1995年7月，美国国防部宣布GPS系统完全完成，由24颗BLOCK II卫星组成。

2、 GPS系统组成

整个GPS系统由三部分组成：控制部分，空间部分，用户端

空间部分和控制部分由美国军方维护，主要是保证卫星正常工作及其发送的信号准确无误。

用户端就是大家平常用的GPS接收机，虽然形式多种多样，但基本操作都是接收卫星信号并计算接收机所在位置。

在空间部分，美军布置了24颗BLOCK II卫星，由ROCKWELL公司制造，星重700-900公斤，包含太阳能极板为5米宽，设计使用寿命为7.5年。卫星轨道距地面20200公里，轨道面与地球赤道面夹角为55度，轨道面之间在赤道面投影的夹角为60度，每个轨道面布置4颗卫星，所以总卫星数是6个轨道面乘以4为24颗。其中21颗正式使用，3颗备用。每颗卫星每12个小时绕地球一周。这样算下来，在任何时刻、地球的任意地方，基本都能“看到”12颗左右的卫星。

3、 GPS定位原理

GPS接收机的定位实际是就是通过计算接收机距不同卫星的距离来完成的：

如果接收机知道它离第一颗卫星的距离，接收机在宇宙中可能的位置就是一个球；如果接收机同时知道它离第二颗卫星的距离，接收机可能的位置就是两个球的交线；如果接收机同时知道它离第三颗卫星的距离，那么接收机的可能位置就是三个球的两个交点。那这两个交点到底哪个是真正的位置点呢，其实非常好判断：一个点在距离地表10公里之内，一个点在距离地表几千公里以外，你说哪个是？

那么大家都知道，GPS需要至少四颗卫星来定位，那这第四颗卫星是怎么回事呢？

4、第四颗卫星的用处

高中地理学到：光速为30万公里/秒（300000米/秒）。一秒绕地球7圈半。太阳发出来的光到达地球需要8分钟。

无线电波以每秒30万公里传输，从卫星发射信号到接收机收到信号，只需要大概0.06秒。如果接收机的时间精度是百万分之一秒，那末折算出来的距离误差就是300000000米/100000000秒=300米。

在卫星上的钟是四个原子钟，精确地同步到精度为几十亿分之一秒。可接收机的时钟是普通石英钟，精度远达不到百万分之一秒，如果也用原

子钟的话，重量咱们先不说，每个原子钟造价是二十万美金，那还有谁用的起呀？

所以，第四颗卫星的信号实际上是提供时间基准，给GPS接收机用来计算接收机距离其他三颗卫星的距离：有了时间基准，接收机就可以测量从其他三颗卫星到达接收机的时间，然后把时间转换成距离。

第二节基本的信号结构及准确率

1、基本的信号结构

一般民用GPS使用的是GPS系统的L1载波，频率为1575.42 MHz。在这个载波频率上面以调相方式加载了两种不同的伪随机噪声码：C/A码和P码。C/A码是用于民用的测距码，码长为1023个码元，即1023次从数字零到数字1的跳动，这1023个码元每秒重复1000次，即1.023MHz, 或每一百万分之一秒跳动一次。P码是军用码，码长非常长，码速为10.23MHz，即每千万分之一秒跳动一次。

由于GPS接收机通过对比码元的跳动来计算从卫星到接收机的时间，然后再转换成距离，显而易见，P码的时间精度高了10倍，距离精度也就高了10倍：现代信号处理技术计算码元跳动的时间精度是码宽的百分之一，一百万分之一秒折合出来的距离是300米，它的百分之一就是3米。而P码的精度是这个数值的十分之一，即0.3米。换句话说，在计算某个卫星距离接收机的实际距离的时候，C/A码的理论精度是3米。

接收机“知道”了自己与卫星的距离，并不能计算出自己的位置，因为它不知道卫星在发射电波时的位置，因此在卫星载波上面，还加载了一个50Hz的导航电文，这个导航电文包括了：卫星的轨道参数、时钟参数、轨道修正参数、大气对GPS信号折射的修正值等等。GPS接收机就是通过这些参数计算出某一时刻某颗卫星在空间中的位置，然后再确定自己与卫星的距离，然后再计算自己的实际位置。导航电文总长1500比特，在50Hz 发送的情况下，每一个循环周期是30秒。

可能大家觉得这个比较枯燥，可这正是隐藏在各个GPS技术参数后面的无数个“为什么”之一。大家比较一下GARMIN和MAGELLAN的各个型号GPS接收机的技术参数，就会发现：所有型号的的GPS接收机的冷启动时间（即GPS对卫星及自己所在地一无所知）都是45秒左右，不是厂商懒不想改进GPS性能，而是已经快到技术极限啦：45秒里面的30秒是用来接收导航电文的，剩下15秒钟是计算接收机位置的。

如果你看到某款GPS接收机标称冷启动时间是30秒，赶紧走开不要再看第二眼：厂家连这个数据都敢拿出来骗你，他们的接收机的定位数据你还敢用吗？当然GPS系统是不断在改进的，也许将来的导航电文用一秒钟就发过来了，不过现在的数据还是需要30秒才能发过来。

其实每个GPS的技术参数都是有学问的，不过限于本文篇幅及技术复杂性，不能一一介绍。最根本的原因是我现学现卖，还没有钻研到那么深呢。呵呵。不过我不是专业搞这个的，只是在使用GPS的时候爱问个为什