GPS知识库：导航仪的定位原理
2008-03-03 PChome.net 类型: 转载
作者: Xphone 责编: 李汝欣 买手机到[上海隆信行],上海首选诚信人气品牌
GPS 的定位是利用卫星基本三角定位原理，GPS 接收装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离，以距离来判定卫星在太空中的位置，这是一种高轨道与精密定位的观测方式。假设卫星在11,000英哩高处，测量我们的距离，首先以11,000英哩为半径，以此卫星为圆心画一圆，而我们位置正处于球面上。 再假设第二颗卫星距离我们12,000英哩，而我们正处于这二颗球所交集的圆周上。现在我们再以第三颗卫星做精密定位，假设高度13,000 英哩，我们即可进一步缩小范围到二点位置上，但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点，因此，我们舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点。
如果要获得更精确的定位，则必定要再测量第四个颗卫星，从基本物理的观念上来说，以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离，我们将此测得的距离称为虚拟距离，在 GPS 的测量上，我们测的是无线信号，速度几乎达18万6千英哩/Sec的光速，而时间却短的惊人，甚至只要0.06秒，时间的测量需要二个不同的时表，一个时表装置于卫星上以记录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然卫星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接收器同时发出声音给我们，我们会听到二种不同的声音，这是因为卫星从11,000英哩远的地方传来，所以会有延迟的时间，因此，我们可以延迟接收器的时间，从此延迟的时间╳速度，就是接收器到卫星的距离，此即为 GPS 的基本定位原理。
伪随机码 (Pseudo Random Code）
在一般状况下，卫星传送伪随机码(Pseudo Random Code.) 信号，伪随机码是GPS最基本部份，其实它是最复杂的，它是一串 0 与 1 的脉冲讯号，由于他是如此复杂，以致于看起来像杂乱的讯号一般，这也就是我们称为伪随机码的原因。
我们为什么要将编码设计如此复杂呢?让我们为您说明如下:
复杂的格式能让我们确定接收器所得的讯号并不会碰巧与一些不相干的讯号同步，也就是说这种复杂的讯号格式不可能与存在于大自然中的杂散讯号相同，每个卫星都有其独一无二的伪随机码(PRC)，此种编码方式才不致与其他讯号相混淆，事实上，PRC也给了美国国防部 (DoD)控制此系统的方法，而为什么将PRC设计的如此复杂还有一个重要的原因，就是为了使GPS变得更经济，这种码利用信息论放大GPS讯号，而不需要如同电视天线般的大碟天线来接收卫星讯号，您可能好奇为什么电视天线不也如此设计，来舍弃这种大碟天线呢?其中的原因便在于速度，GPS信号所含的信息量极低，基本上它只是一个时间脉冲，所以我们可以一再地比较它的讯号，但电视讯号传送了许多信息量，而且变化极快，若是利用这样的比较系统的话，速度必会变得太慢而且更麻烦，关于伪随机码的数据，我们将另辟一章为您说明。
一般而言，GPS卫星传送两种频率的载波， L1 (Link 1) 载波的频率为1575.42 MHZ，L2 (Link 2)载波的频率为1227.60MHZ。
这两种载波可修正电离层迟滞效应的误差，在载波上除了状态消息之外，并调制了 2个供定时的伪乱码(PRC):
1.C/A码 (Coarse Acqusition Code)，频率为 1.023 MHZ，仅在L1载波上作调变，每1023位重复一次，以 1 MHZ 的数据作调变，提供给一般民间使用。但基于国家安全的考虑，美国国防部刻意以无线电讯号干扰卫星上的原子钟，并宣告一些不准确的轨道参数来造成定位误差。这即是所谓的SA (Selective Availability)效应。
2.P码 (Precise Code)，频率为10.23MHZ，每七天重复一次可同时采用L1及L2载波调变，主要提供军事用途，P码的频率大约是C/A码的10倍不但更为精确，也更不易被干扰，另外美国国防部增加了一种 A.S.码 (Anti - Spoofing)，以将 P码加密之后转换成Y码，一般用户无法译码，因此必须加装译码器，才可取得较高精度的观测量，况且使用P(Y) 码必须经过相关单位的核准，因此，这种伪乱码大部份只提供军方来使用
GPS 全球卫星定位系统及定位原理
来源： 录入时间：07-06-04 00:33:26 English version
>GPS全球卫星定位导航系统(Global Positioning System-GPS)是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，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。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，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。
GPS系统的特点:
1、全球，全天候工作：
能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。
2、定位精度高：
单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。
3、功能多，应用广：
随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。
GPS:
在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统。
1、无线电导航系统
● 罗兰--C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200-300M。
● Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。
● 多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。
缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。
2、卫星定位系统
最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。
为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。
3、GPS发展历程
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。
GPS原理
1、GPS系统的组成
GPS由三个独立的部分组成：
● 空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。
● 地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。
● 用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。
GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。
2、GPS定位原理
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。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：
上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)
di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
c为GPS信号的传播速度（即光速）。
四个方程式中各个参数意义如下：
x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。
xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，
可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。
Vto为接收机的钟差。
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 。
DGPS原理
目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。
差分GPS分为两大类：伪距差分和载波相位差分。
1． 伪距差分原理
这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。
这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”
2．载波相位差分原理
载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。
载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。
人生定位系统
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定位原理的应用解决了人们生活的许多难题，但人生的定位却无法用一个发明，一个系统就能解决的。但我们必须追问，我从哪里来？我到哪里去?我为什么来到这里？哪里才是我的归宿？哪里最适合我的发展？哪里有我一生的幸福？怎样的人生才有价值？什么样的生活值得追求？
定位物理方位需要卫星的支持，定位人生的方位，需要哪些支持呢？
教育， 技能， 信息， 判断， 才华， 引导, 预测， 策划......
有一种说法比较靠谱：人生定位是个系统工程，要依靠懂得新物质秩序的大脑才能完成！
但是，这个大脑在哪里？
-------一般的老师做不到，
-------一般的父母做不到，
-------- 一般的信息做不到，
----------一般的判断做不到，
--------一一般的才华做不到，
---------一般的引导做不到，
----------一般的预测做不到，
。。。。。。。
如果你有幸遇到一个好的导师；如果你有幸读到一本好书；如果你有幸听到一个声音；如果你有幸遇到一个机会；如果你有幸进入一个磁场；如果你有星火的一些思想。。。。。。那你就会找到答案。
人生定位是一个幸运者的游戏，你要努力参与进去，相信自助者天助！
那个智慧的头脑卫星在你的命运里！
理 想
作者 言鸽
理想如果是柴
那一定要遇到火
把火的颜色穿在身上
燃烧自己
化成灯油
点一盏心灯
照亮眼前的黑暗
这火，就是你
忘我的诱饵
理想如果是海
那一定要有船
去丈量海的宽度
拥抱波涛
相伴危难
葬身咸苦滋味
起锚潜海的船
这海，就是你
自由的家园
如果理想是钻石
那一定要拥包钻石
钻石研磨钻石
切割血肉
雕刻精神
舍去原本的形态
只留灵魂精粹
那痛，就是你
闪光的必须
