浅谈GPS原理及其应用

浅谈GPS原理及其应用

随着科技和制造业的进步，众多科技含量较高的产品被越来越广泛地应用在生活中，卫星导航定位系统就是一个很好的应用实例，其中以美国的GPS系统应用最为普遍，常见的如：车载GPS导航仪、智能手机中的电子地图导航功能等。在本人的教学工作中，多次遇到学生询问于此相关的问题，本文就GPS的原理及应用进行简述。

1．卫星导航定位系统含义及概况

定位，顾名思义就是确定某一个目标的位置，就是要搞明白“我在哪里”的问题。导航，就是对某一目标（汽车或者飞机等）运动时的连续定位，就是搞明白“我走了哪些路”，或者“我将要走哪条路”。随着航天、通讯等科技的发展，人造卫星也被用来定位和导航，其能够提供全球性的，全天候的，高精度、实时的导航定位服务，以及授时服务。

全球卫星导航系统有好几种，美国的GPS 、俄罗斯的GLONASS、我国的Compass（北斗）、欧洲的伽利略（Galileo）系统，可用卫星数目达到100颗以上[1]。其中在全球范围内应用最成熟、最广泛的就是美国的GPS系统。GPS系统始于1973年的美国国防部批准的“导航卫星定时和测距/全球定位系统”，简称GPS（即Global Positioning System，全球定位系统），被誉为人类在20世纪仅次于计算机之后的最为重大的发明。

2．GPS系统的基本定位原理

GPS系统的基本配置是24颗卫星构成，卫星位于6个地心轨道上，每个轨道有4颗卫星，每个轨道接近于圆形，与赤道面的倾斜夹角为55°，沿赤道以60°间隔均匀分布[2]，形成了对地球的网络包围，图1表述了GPS卫星的星座分布。轨道的半径约为26600km，也就是高度大约离地面20200km，轨道的周期是半个恒星日，约11.976个小时。理论上，在地球表面的绝大多数地点都能观测到的有效卫星颗数≥4颗。而4颗或者更多的GPS卫星就能够确定每天24小时内地球表面上任何地点观测者（观测设备）的位置了。如图2所示。

图2 GPS定位示意图

每一颗GPS卫星都携带有铯原子钟和（或）铷原子钟，为发射信号提供高精度时间信息的，GPS卫星在工作时，以一定的频率（两个频率，1575.42MHz 和1227.6MHz）向地球发射无线电波信号，其报文的主要信息是该电波信号发出时刻的时间信息，用户接收机无源工作（即只接收信号），接收能观测到GPS卫星的电波信号，并标记出收到该电波信号的接收时刻，算出该电波从发射到被接收的传播时间，已知电波是以光速传播的，就可以用传播时间来计算出到接收机到GPS卫星的距离。

在以地心为坐标原点的WGS-84地心坐标系三维空间中，如果能够知道到达不在同一条直线上的3颗卫星的距离，那么就可以确定该接收机在地球附近所在的位置。在一段时间内连续观测，就可以得出接收机的经纬度和高度变化情况，于是就得出了接收机移动的方向和速度了。由于GPS定位是依靠时间差来实现距离计算的，所以必须需要第4颗卫星给接收装置提供时钟修正信息，使接收机时钟与卫星时钟同步。

实现定位之后，就可以在应用设备上记录目标移动时所经过的路径，并且可以经过估计和计算，对某预定地点提供导航服务。

当然，我国使用GPS时只能接收并解析其中的民用编码，定位精度的误差是29.3m到2.93米，现阶段一般单点接收精度在20米以内，经过差分或者其他的方式，可以大幅度提高定位精度。其军用编码只能由美国军方授权的使用者使用，定位精度更高，达到厘米级。

3．GPS的应用及前景

GPS卫星导航定位设备除了应用在汽车导航、手机电子地图之外还有很多领域。在民航领域，GPS卫星导航系统能为飞机提供精确的跑道位置信息，帮助飞机更准确更平稳地降落。在大地测绘领域，GPS更是发挥着卓越的优越性，实现了高精度测绘，应用在一般的城市测绘或者地形图测绘。由于，所以GPS的时间系统非常精确，所以可以提供高精度的授时信息。在航海上，可以在轮船的前后左右安装GPS接收机，每个接收机的位置信息计算出来，就可以确定轮船的姿态和方向，速度等信息了。

在军事上，被广泛应用在导弹等精确打击武器上，大幅度提高了导弹的打击精度，以及战场上的单兵作战定位系统，比如1991年海湾战争期间，大量装备了GPS轻型接收器，大大提高美军作战能力。

随着科技和社会的不断进步，GPS系统将在全球内不断加深应用层次，很可能在未来将会发展出依靠GPS的智能化城市交通系统等综合应用。

参考文献

[1]GPS惯性导航组合[美]Mohinder S.Grewal等

[2]GPS原理与应用[美]Elliott D.kaplan Christopher J.Hegarty主编