GPS基本工作原理基本常識

1、1 / 12 GPS 基本工作原理及基本常識 (2008-07-10 11:20:44 轉載 玄標簽： 汽車 GPS系統(tǒng)是由美國軍方建立起來的。利用圍繞地球的 24顆衛(wèi)星發(fā)射信 號進行經(jīng)緯度和高度的定位。最早是為了應用在海軍軍艦進行海上定位使用。 GPS實際上是Global Positioning System 的縮寫。意思是全球定位系統(tǒng)，圍 繞地球的24顆衛(wèi)星成互差120度的平面排列。也就是說理想狀態(tài)下我們同時應 該能夠接受到12顆衛(wèi)星所傳來的信號。 GPS衛(wèi)星同時發(fā)射兩種碼，一種為 P碼，我們稱之為細碼，一種是 C/A 碼，我們稱之為粗碼。P碼的精度非常高，通?？梢钥刂圃谡`差 3M以內(nèi)，但

2、只 為軍方服務。而我們使用的為 C/A碼，精度在14M以內(nèi)。 我們知道，如果知道兩個坐標點，我們可以確定一個平面內(nèi)的一點，女口 果知道三個坐標點我們就能夠知道空間當中的任意一點位置。而 GPS可以利用 三顆衛(wèi)星進行經(jīng)緯度X，丫的定位，而四顆衛(wèi)星可以進行經(jīng)緯度和高度 X，丫，Z 三維定位，四顆衛(wèi)星三顆進行坐標定位，一顆衛(wèi)星進行時鐘矯正。 很多朋友問，買了 GPS有沒有后續(xù)費用問題，國外購買能不能在國內(nèi)使 用的問題等等。首先GPS是沒有后續(xù)費用的，這并不是說 GPS是免費的，而是 在你購買的時候購買費用里的一部分費用已經(jīng)包括了你的使用費。因此購買 GPS后續(xù)可以一直使用下去，直到有一天美國軍方宣布

3、廢氣這套衛(wèi)星。另外， GPS本身是衛(wèi)星接收產(chǎn)品，因此不牽扯到國內(nèi)國外的兼容問題。就像衛(wèi)星電話 一樣，走到只要沒有遮擋的地方就能接受到衛(wèi)星信號，能接受到信號就能夠正 常使用。 只是部分地區(qū)可能會受到國家安全等因素而打開干擾信號從而影響定 位精度問題，譬如前幾年美國打阿富汗的時候，阿富汗地區(qū)的 GPS信號一度誤 差非常大，但是誤差大也不過是又原來的 30M左右的精度變成了兩三百 M的精 度誤差。還是能夠正常使用的。 GPS除了具備測量經(jīng)緯度和高度的作用以外， GPS還具有其他一些功 能，比如利用上一次定位的坐標和這次定位的坐標差進行測速，利用兩次坐標 差進行方向的定位，利用行進軌跡進行里程的計算和

4、面積的計算等等。還有包 括計算地理位置的月相，日初日落時間，潮汐，太陽月亮的方位，有些 GPS內(nèi) 2 / 12 置電子氣壓計，還能計算大氣壓并且預測天氣。 GPS是需要和衛(wèi)星進行聯(lián)系才能夠定位的，城市里的水泥混凝土，樹 木，高架橋，天線，電線等都是干擾信號。因此城市里使用有時候會信號接受 不到的情況發(fā)生。 選擇GPS手持接受機時候我們應該注意哪些呢 第一， 應該注意GPS的通道數(shù)量， 一般民用 GPS通道數(shù)量在2-8之間, 專業(yè)GPS擁有12-14個通道。每與一顆衛(wèi)星聯(lián)系需要占用一個通道，也就是說 通道數(shù)越多，在信號好的情況下你能聯(lián)系到的衛(wèi)星越多，自然定位精度也就越 第二，注意GPS的天線類型

5、，傳統(tǒng)GPS天線主要有兩類，一類是平板天 線，一類是螺旋天線，平板天線是有接受面的，最佳方式應該使得 GPS水平放 置，屏幕朝上以獲得最佳信號。而螺旋天線則方便得多。只需要將 GPS垂直放 置，天線成螺旋柱狀， 360 度全方位接收。 第三，注意GPS的冷熱啟動時間和刷新頻率。冷啟動是指在一個陌生 的環(huán)境下啟動GPS直到GPS和周圍衛(wèi)星聯(lián)系并且計算出坐標的時間。熱啟動是 指在上次關機的地方?jīng)]有過多移動啟動 GPS計算出結果的時間。冷啟動一般在 10分鐘左右，熱啟動一般在兩分鐘左右，時間越短證明 GPS的計算能力和信號 接收能力越好。刷新頻率是指 GPS重新定位一次的時間。一般刷新頻率盡量選 擇

6、每秒 /1 次的，刷新頻率越塊越好。 第四，查看GPS的存儲能力。一般GPS的存儲能力會告訴你可以儲存多 少個航點，多少條航跡。航點就是位置點，儲存該點的坐標值，高度值，并且 可以編輯該點的名稱，類型等。航跡是用來儲存路線的。航跡其實是由多個航 點構成，只不過此時的航點只儲存坐標值而已。 第五，查看GPS的物理參數(shù)。比如防水認證，抗干擾認證等。好的 GPS 應該抗干擾并且防水達到IPX-7級別的比較好。這個級別是指1M深的水中防水 半小時。另外GPS最好具備能夠漂浮的能力。否則一旦落水如果不漂浮，再防 水也白搭了。 3 / 12 現(xiàn)在國際有兩家公司是GPS比較專業(yè)的生產(chǎn)商，一個是麥哲倫公司，-

7、 個是高明公司。兩家公司都是美國的。GPS在國際上占有的份額比較大。因此 選擇GPS時候盡量考慮這兩家公司的產(chǎn)品比較合適。 第一節(jié)GPS的產(chǎn)生背景和歷史演變 那么GPS全球定位系統(tǒng)究竟是什么東西呢？它是一套美國軍方設計的，以 航天技術為基礎的導航與定位系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可以使美軍士兵獨立測定精度為 10M以下的自己的位置。這個“獨立測定”非常重要：在實際使用中，如果這 套系統(tǒng)需要士兵發(fā)射電波確定自己位置的話，會很容易地被敵方偵測到自己的 實際位置，所以整個地面接收系統(tǒng)需要完全被動接收信號。 現(xiàn)在我們國家的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)還不能做到這一點：北斗衛(wèi)星的用戶需 要通過無線電發(fā)射位置請求信息到衛(wèi)星，并從衛(wèi)

8、星接收自己的位置信息。 因為美國全球戰(zhàn)略的需要，這套系統(tǒng)需要覆蓋全世界，并且的用戶接收端 的成本要非常低，因為系統(tǒng)的設計要求是每個士兵、每臺軍車都要安裝接收系 統(tǒng)。 1 、 頻率與定位精度 GPS并不是世界上第一個無線電導航系統(tǒng)，早在第二次世界大戰(zhàn)以前，就 已經(jīng)出現(xiàn)了無線電導航系統(tǒng)。 最早人們采用的是長波信號，波長長達 26 公里，因為長波信號可以輕易地 被電離層反射，所以美國的OMEG系統(tǒng)用了八個發(fā)射器就把信號覆蓋了全球。 不過因為信號波長比較長，定位精度受到很大影響： OMEG系統(tǒng)的精度只有六 公里。 4 / 12 為提高定位精度，只有提高無線電信號頻率，但是借助電離層反射的全球 覆蓋就受

9、到了影響：波長越短的信號，直線傳輸特性越強，同時不能被電離層 反射：通過把波長減小到2.6公里，LORA系統(tǒng)倒是把定位精度提高到 450M 了，可全球只有 10%的面積被信號覆蓋。 自從 1957 年有了衛(wèi)星，科學家的興趣自然就轉到這上面來了：衛(wèi)星可以發(fā) 射短波長信號，穿透電離層覆蓋半個地球的面積。 從 20世紀 60 年代開始，美軍就不斷地實驗并改進以衛(wèi)星為基礎的無線電 導航系統(tǒng)，從最早的TRANSIT到NAVSTAR一步一步地把GPS系統(tǒng)進行完善并 降低接收系統(tǒng)成本。隨著接收系統(tǒng)的成本不斷降低， 很多有商業(yè)頭腦的人預見 到了 GPS系統(tǒng)的民用市場的廣大，把 GPS擴展到民用的呼吁在美國國內(nèi)

10、越來越 不過最終促成此事的是一樁悲劇：1983年，韓國的KAL-007航班因為迷航 誤入前蘇聯(lián)領空，被前蘇聯(lián)戰(zhàn)斗機擊落，機上乘客和機組人員無一生還。那會 兒GPS還沒有投入民用，民用航班的導航主要*無線電信標，萬一地面信標站或 機上系統(tǒng)有故障，那麻煩就大了。于是美國前總統(tǒng)里根于 1984年正式宣布：開 放GPS信號的民間使用，無償提供服務。 從1989年2月開始，真正用于實用的BLOCK II衛(wèi)星開始發(fā)射升空。到 1993年12月，美國國防部宣布 GPSS統(tǒng)初步完成，由24顆BLOCK I和BLOCK II衛(wèi)星組成。1995年7月，美國國防部宣布GPSS統(tǒng)完全完成，由24顆 BLOCK II

11、衛(wèi)星組成。 2、GPS系統(tǒng)組成 整個GPS系統(tǒng)由三部分組成：控制部分，空間部分，用戶端 空間部分和控制部分由美國軍方維護，主要是保證衛(wèi)星正常工作及其發(fā)送 的信號準確無誤。 用戶端就是大家平常用的GPS接收機，雖然形式多種多樣，但基本操作都 是接收衛(wèi)星信號并計算接收機所在位置 5 / 12 在空間部分， 美軍布置了 24顆BLOCK II衛(wèi)星， 由ROCKWELL司制造， 星 重700-900公斤，包含太陽能極板為5M寬，設計使用壽命為7.5年。衛(wèi)星軌道 距地面 20200公里，軌道面與地球赤道面夾角為 55度，軌道面之間在赤道面投 影的夾角為 60度，每個軌道面布置 4顆衛(wèi)星，所以總衛(wèi)星數(shù)是

12、6個軌道面乘以 4為 24顆。其中 21顆正式使用， 3顆備用。每顆衛(wèi)星每 12個小時繞地球一 周。這樣算下來，在任何時刻、地球的任意地方，基本都能“看到” 12顆左右 的衛(wèi)星。 3、GPS定位原理 GPS8收機的定位實際是就是通過計算接收機距不同衛(wèi)星的距離來完成 的： 如果接收機知道它離第一顆衛(wèi)星的距離，接收機在宇宙中可能的位置就是 一個球；如果接收機同時知道它離第二顆衛(wèi)星的距離，接收機可能的位置就是 兩個球的交線；如果接收機同時知道它離第三顆衛(wèi)星的距離，那么接收機的可 能位置就是三個球的兩個交點。那這兩個交點到底哪個是真正的位置點呢，其 實非常好判斷：一個點在距離地表 10 公里之內(nèi)，一個

13、點在距離地表幾千公里以 外，你說哪個是？ 那么大家都知道， 回事呢？ GPS需要至少四顆衛(wèi)星來定位，那這第四顆衛(wèi)星是怎么 4、第四顆衛(wèi)星的用處 高中地理學到：光速為 3030 萬公里/ /秒300000M/300000M/秒）。一秒繞地球 7 7 圈半。太陽發(fā)出來 的光到達地球需要 8 8分鐘。 無線電波以每秒30萬公里傳輸， 從衛(wèi)星發(fā)射信號到接收機收到信號， 只需 要大概0.06秒。如果接收機的時間精度是百萬分之一秒，那末折算出來的距離 誤差就是 300000000M/100000000秒 =300M 在衛(wèi)星上的鐘是四個原子鐘，精確地同步到精度為幾十億分之一秒。可接 收機的時鐘是普通石英鐘，

14、精度遠達不到百萬分之一秒，如果也用原子鐘的 話，重量咱們先不說，每個原子鐘造價是二十萬美金，那還有誰用的起呀？ 所以，第四顆衛(wèi)星的信號實際上是提供時間基準，給 GPS接收機用來計算 接收機距6 / 12 離其他三顆衛(wèi)星的距離：有了時間基準，接收機就可以測量從其他三 顆衛(wèi)星到達接收機的時間，然后把時間轉換成距離。 第二節(jié)基本的信號結構及準確率 1、基本的信號結構 一般民用GPS使用的是GPS系統(tǒng)的L1載波，頻率為1575.42 MHz。在這個 載波頻率上面以調(diào)相方式加載了兩種不同的偽隨機噪聲碼： C/A碼和P碼。C/A 碼是用于民用的測距碼，碼長為1023個碼元，即1023次從數(shù)字零到數(shù)字1的

15、跳動，這1023個碼元每秒重復1000次，即1.023M Hz,或每一百萬分之一秒跳 動一次。P碼是軍用碼，碼長非常長，碼速為 10.23MHz即每千萬分之一秒跳 動一次。 因為GPS接收機通過對比碼元的跳動來計算從衛(wèi)星到接收機的時間，然后 再轉換成距離，顯而易見，P碼的時間精度高了 10倍，距離精度也就高了 10 倍：現(xiàn)代信號處理技術計算碼元跳動的時間精度是碼寬的百分之一，一百萬分 之一秒折合出來的距離是300M它的百分之一就是3M而P碼的精度是這個數(shù) 值的十分之一，即0.3M。換句話說，在計算某個衛(wèi)星距離接收機的實際距離的 時候， C/A 碼的理論精度是 3M。 接收機“知道”了自己與衛(wèi)星

16、的距離，并不能計算出自己的位置，因為它 不知道衛(wèi)星在發(fā)射電波時的位置，因此在衛(wèi)星載波上面，還加載了一個 50Hz的 導航電文，這個導航電文包括了：衛(wèi)星的軌道參數(shù)、時鐘參數(shù)、軌道修正參 數(shù)、大氣對GPS信號折射的修正值等等。GPSS收機就是通過這些參數(shù)計算出 某一時刻某顆衛(wèi)星在空間中的位置，然后再確定自己與衛(wèi)星的距離，然后再計 算自己的實際位置。導航電文總長 1500比特，在50Hz發(fā)送的情況下，每一個 循環(huán)周期是 30 秒。 可能大家覺得這個比較枯燥，可這正是隱藏在各個 GPS技術參數(shù)后面的無 數(shù)個“為什么”之一。大家比較一下 GARMIN和MAGELLAN!各個型號GPS接收 機的技術參數(shù)，

17、就會發(fā)現(xiàn)：所有型號的的 GPS接收機的冷啟動時間 即GPM衛(wèi) 星及自己所在地一無所知）都是 45秒左右，不是廠商懶不想改進 GPS性能，而 是已經(jīng)快到技術極限啦： 45秒里面的 30秒是用來接收導航電文的，剩下 15秒 鐘是計算接收機位置的 如果你看到某款GPS接收機標稱冷啟動時間是30秒，趕緊走開不要再看第 二眼：廠家連這個數(shù)據(jù)都敢拿出來騙你，他們的接收機的定位數(shù)據(jù)你還敢用 嗎？當然GPS系統(tǒng)是不7 / 12 斷在改進的，也許將來的導航電文用一秒鐘就發(fā)過來 了，不過現(xiàn)在的數(shù)據(jù)還是需要 30秒才能發(fā)過來。 其實每個GPS的技術參數(shù)都是有學問的，不過限于本文篇幅及技術復雜 性，不能一一介紹。最根

18、本的原因是我現(xiàn)學現(xiàn)賣，還沒有鉆研到那么深呢。呵 呵。不過我不是專業(yè)搞這個的，只是在使用 GPS的時候愛問個為什么，然后去 查資料找答案，請大家不要用刁鉆古怪的問題難為我，我還想省出時間去爬山 以及自制地圖呢，嘻嘻。 還有一個問題是關于GPS接收機算方向和速度的：大家都知道一般 GPS接 收機每秒鐘計算一次位置，把前一秒鐘的位置和這一秒鐘的位置比較，接收機 就可以算出自己的前進方向和速度，對吧？ 錯！實際上GPS接收機在計算前進速度的時候，用的是多普勒效應：在扣 除衛(wèi)星相對于接收機移動的多普勒效應以后，多出來的部分就是接收機移動的 部分了，把這部分進行計算，就可以算出接收機的前進速度了。這種計算

19、方法 要比直接計算每秒鐘的前進速度準，準確程度是每小時 0.5 公里，想想一般人 散步的速度還有每小時三公里以上，不由得不佩服那些研究這個的科學家。不 信你自己可以作個實驗：在走路或開車的時候走一些迷惑 GPS的蛇行路線或8 字形路線，看看GPS的速度顯示是否連續(xù)并準確，一般這種情況下 GPS的方向 顯示會略有延遲，因為它每一秒鐘才算一次，而且方向的計算是要和前幾秒鐘 的方向進行加權平均。 2、準確率 岡財咱們講的是在“完美”的世界里面的 GPS原理， 現(xiàn)在到了現(xiàn)實中這個 “不完美”的世界，問題就來了，有很多種因素會影響到 GPS的準確率： 以下是一個GPS誤差引入簡表: 衛(wèi)星時鐘誤差： 0-

20、1.5M 衛(wèi)星軌道誤差： 1-5M 8 / 12 電離層引入的誤差： 0-30M 大氣層引入的誤差： 0-30M 接收機本身的噪音： 0-10M 多路反射： 0-1M 總定位誤差：大約 28M 大家先別急著砸自己的GPSS收機，等我把話說完：這些誤差這是告訴你 一個最好和最壞情況下的誤差范圍，在現(xiàn)實世界中，最好的情況不會同時發(fā) 生，最壞的情況也不會同時發(fā)生，而且科學家一直在致力于消除這些誤差，所 以你用的GPS還沒有這么壞，呵呵。 大家可以看出，主要GPS定位誤差來自于電離層和大氣層，是因為電離層 中的氣體分子和大氣層中的水蒸汽分子會折射 GPS勺微波信號，使其在從衛(wèi)星 到接收機的路線中會稍微

21、彎曲一下，導致接收機把彎曲的路徑來當作直線路 徑，從而引入誤差。這種現(xiàn)象在微波信號斜斜地穿越電離層和大氣層時更明 顯， 因為微波信號在其中穿越的時間和距離更長。 說句笑話，自從來了綠野， 要是我三句話中沒有提到“穿越”這個詞，我就不知道怎么說第四句話了，呵 呵）。 不過在衛(wèi)星的導航電文中，已經(jīng)包含了大氣層的修正參數(shù)，能夠消除 50% 到 70%的誤差。 第三節(jié) 數(shù)據(jù)糾正技術 說到這里，可能大家都著急想知道：到底我的 GPS接收機有多準？ 一個準 確的回答是：不知道！因為 GPS的準確率每秒鐘都在變化：衛(wèi)星軌道在不斷變 化，電離層在不斷變化 白天和黑夜能差幾倍），大氣層的溫度、濕度和氣壓也 在不

22、斷變化，所以這些因素引入的誤差也是在每一秒鐘都在變化的。 如果大家非要一個答案的話，那么一般 GPS我指的是著名廠商的各種手持 機）的誤9 / 12 差的大致范圍是10M現(xiàn)在GARMIN口 MAGELLA手持機的標稱精度是 7皿在95%勺情況下），不過我個人認為在大家的日常使用中精度還是 10M- 這個標稱值是在最好的條件下算出來的，就象汽車的百公里油秏指標一樣。 換句話說，GPS合你的位置數(shù)據(jù)是相對位置數(shù)據(jù)，你需要在這個數(shù)據(jù)點周 圍畫一個半徑是10M的圓圈，你的絕對位置肯定在這里面，但具體在哪里，只 能用更高級的手段測量了。 所以： 第一，不要太相信GPS合你的數(shù)據(jù)，在野外要和實際現(xiàn)場的地標

23、相結合 第二，現(xiàn)有精度已經(jīng)不錯了，當初美國人開 SA為降低精度）的時候, GPS的精度是100M大家還不是照用不誤？ 第三，追求超高精度沒有意義：如果現(xiàn)在給你個精度是 0.1M的GPS接收 機，你敢閉著眼睛去爬小五臺？ 當然在可能的情況下，精度越高當然越好，現(xiàn)在一般實時提高精度的方法 是差分法：利用兩臺GPS,同時觀測衛(wèi)星信號，在一臺 GPS位置已知的情況 下，可以算出當時那個時刻那一區(qū)域的 GPS信號修正值，然后想辦法通知另外 一臺GPS,那末另外一臺GPS就可以算出一個準確程度非常高的位置了。因為 現(xiàn)在在中國民用GPS的差分修正還很少有機會被大家用到，所以在這里我就不 介紹了，將來會在綠野

24、通訊版里面合大家另外寫一篇文章。 第四節(jié)使用GPS的注意事項 1、GPS的能與不能 第一，GPS能為你提供定位服務，但不能永遠工作。這是非常重要的一 點，在野外的時候有無數(shù)種情況會使 GPS接收機停止工作，所以一定要有備用 手段：指南針和紙地圖是必不可少的裝備，學會使用它們也是 GPS機友應有的 基本技能。關于GPS接收機對衛(wèi)星信號的依賴，我在下面介紹。 第二，GPS能告訴你應該向那里走，但不能替你走。聽著像傻子說的話， 是吧？不過這個在實際野外應用中經(jīng)常發(fā)生：不要以為帶了 GPS不會迷路就萬 事大吉了，在很多種情況下，你明明知道應該向某個方向走，可就是過不去， 所以野外的實際經(jīng)驗非常重要，G

25、PS只是輔助指路的手段。 第三，GPS能告訴你當前的位置，但不能告訴你周圍的地形狀況。在知道 自己的位置以后，周圍的地形狀況就需要地圖的支持了：無論是紙地圖還是 PDA中的電子掃描地圖還是手持機中的矢量地圖，這些都是獲得地形信息的來 源。 第四，GPS能幫助你記走過的路，但不能完美地再現(xiàn)。在你爬山的時候， 你走過的路線在GPS中是按航跡記錄的，航跡可能由幾十上百個航跡點 vTRACK POINT組成，如果半路上你迷路了，需要順原路摸回去的時候， GP列以把這 些航跡點轉換成航點（WAYPOINT然后指導你一段一段地摸回出發(fā)地。因為 GPS的限10 / 12 制，轉換成的航點只能有 30個或更少

26、，所以航點組成的航線vROUTE 要比原始航跡粗糙得多。這個我在下面再強調(diào)。 2、GPS衛(wèi)星信號的遮閉 基于GPS系統(tǒng)的原理，GPS接收機強烈依賴于直接接收到衛(wèi)星信號，換句 話說，嚴重依賴于接收機“看到”的天空的范圍天空范圍越大， 接收機收 到的來自不同衛(wèi)星的衛(wèi)星信號就越多，就越能準確地定位。 GPS接受機接收的是從衛(wèi)星來的1575.42 MHz微波信號，所有的自然天氣 現(xiàn)象不會遮閉GPS信號，當然對定位精度有影響。因為衛(wèi)星發(fā)射功率及距離原 因，該信號比同頻率的背景噪聲小 100倍，比現(xiàn)在穿過你身體的廣播信號小上 千倍。GPS手持機使用復雜的數(shù)字信號技術把真正有用的信號過濾出來。所以 一般的無

27、線電干擾對GPS接收機并不構成威脅，真正有威脅的是物體的遮擋。 GPS微波信號的穿透能力: 1. 所有金屬實體會完全遮閉GPS信號。注意含有金屬涂層的汽車貼膜對 GPS也有遮閉作用。 2. 厚度為1厘M以上的水體 液態(tài)）會完全衰減GPS信號至不可用 3. 玻璃和塑料對GPS信號有輕度衰減，所以你可以把 GPS放在衣服口袋里 面，或汽車風檔下，或插入腰間的護套。 4. 不過厚重的非金屬物體也會完全遮擋信號，幾厘 M的木頭會完全遮閉 GPS信 號。 5. 1575.42MHz的微波信號波長是19厘M所以理論上可以透過孔徑（直 徑大于19厘M的金屬網(wǎng)，或普通金屬絎架結構，比如輸電鐵塔。 樹冠對GPSB號的影響： 樹冠對GPSB號的衰減主要是來自于： 1. 樹葉中含有的水分，以及樹葉上面的水