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GPS基本原理和常识


专业术语
GPS—(Global Position System,全球定位系统),全称为NAVSTAR GPS(NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System,导航星测时与测距全球定位系统)。GPS是一个由美国国防部开发的空基全天侯导航系统,它用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。

DGPS—(Differential Global Positioning System,差分全球定位系统),在一个精确的已知位置(基准站)上安装GPS监测接收机,计算得到基准站与GPS卫星的距离改正数。

SBAS—(Satellite-Based Augmentation System,星基增强系统),通过地球静止轨道(GEO)卫星搭载卫星导航增强信号转发器,可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息,实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进,从而成为各航天大国竞相发展的手段。(包括WAAS、SDCM、EGNOS、MSAS和GAGAN)

AGPS—(Assisted Global Positioning System,辅助全球卫星定位系统),是一种GPS的运行方式。它可以利用手机基地站的资讯,配合传统GPS卫星,让定位的速度更快。

C/A码—GPS卫星发出的一种伪随机码,用于粗测距和捕获GPS卫星,其实是一种Gold码,即由2个10级反馈移位寄存器构成的G码产生。精度在14米以内。

P码—GPS卫星发出的一种伪随机码,是和C/A码对应的精测码,码率为10.23MHZ。其由2个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积所得。可以控制在误差3米以内,但只为军方服务。
GPS发展历程
1957年10月第一颗人造地球卫星SputnikⅠ发射成功,空基导航定位由此开始;
1958年开始设计NNSS-TRANSIT,即子午卫星系统;
1964年该系统正式运行;
1967年该系统解密以供民用;
1973年,美国国防部批准研制GPS;
1991年海湾战争中,GPS首次大规模用于实战;
1994年,GPS全部建成投入使用;
2000年,克林顿宣布,GPS取消实施SA(对民用GPS精度的一种人为限制策略)。
GPS服务策略
两种GPS服务:
SPS--标准定位服务,民用,精度约为100M;
PPS--精密定位服务,军用和得到特许的民间用户使用,精度高达10M。
两种限制民用定位精度的措施(保障国家利益不受侵害):
SA--选择可用性,认为降低普通用户的测量精度,限制水平定位精度100M,垂直157M(已于2005年5月1日取消);
AS--反电子欺骗。
GPS系统构成
GPS系统=空间部分+控制部分+用户部分

1. 空间部分
GPS空间部分主要由24颗GPS卫星构成,其中21颗工作卫星,3颗备用卫星。24颗卫星运行在6个轨道平面上,运行周期为12个小时。保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都能够观测到4颗以上的卫星。
主要作用:发送用于导航定位的卫星信号。
构成:24颗卫星=21颗工作卫星+3颗备用卫星

2. 控制部分
GPS控制部分由1个主控站,5个检测站和3个注入站组成。
组成:GPS控制部分=主控站(1个)+监测站(5个)+注入站(3个)
作用:监测和控制卫星运行,编算卫星星历(导航电文),保持系统时间。
主控站:从各个监控站收集卫星数据,计算出卫星的星历和时钟修正参数等,并通过注入站注入卫星;向卫星发布指令,控制卫星,当卫星出现故障时,调度备用卫星。
监控站:接收卫星信号,检测卫星运行状态,收集天气数据,并将这些信息传送给主控站。
注入站:将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。

分布情况:
主控站:位于美国科罗拉多州(Calorado)的法尔孔(Falcon)空军基地。
注入站:阿松森群岛(Ascendion),大西洋;迭戈加西亚(Diego Garcia),印度洋;卡瓦加兰(Kwajalein),东太平洋。
监控站:1个与主控站在一起;3个与注入站在一起;另外一个在夏威夷(Hawaii),西太平洋。

3. 用户部分
 GPS用户设备部分包含GPS接收器及相关设备。GPS接收器主要由GPS芯片构成。
 如车载、船载GPS导航仪,内置GPS功能的移动设备,GPS测绘设备等都属于GPS用户设备。
 组成:主要为GPS接收器
 作用:接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备,GPS系统的消费者。
GPS定位原理

    24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
    由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。
    事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。
    由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,使得民用GPS的定位精度只有10米。为提高定位精度,普遍采用差分GPS(DGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。

    利用GPS进行定位的方法有很多种。
    若按照参考点的位置不同,则定位方法可分为: 
(1)绝对定位。即在协议地球坐标系中,利用一台接收机来测定该点相对于协议地球质心的位置,也叫单点定位。这里可认为参考点与协议地球质心相重合。GPS定位所采用的协议地球坐标系为WGS-84坐标系。因此绝对定位的坐标最初成果为WGS-84坐标。 
(2)相对定位。即在协议地球坐标系中,利用两台以上的接收机测定观测点至某一地面参考点(已知点)之间的相对位置。也就是测定地面参考点到未知点的坐标增量。由于星历误差和大气折射误差有相关性,所以通过观测量求差可消除这些误差,因此相对定位的精度远高于绝对定位的精度。 
    按用户接收机在作业中的运动状态不同,则定位方法可分为:
(1)静态定位。即在定位过程中,将接收机安置在测站点上并固定不动。严格说来,这种静止状态只是相对的,通常指接收机相对与其周围点位没有发生变化。 
(2)动态定位。即在定位过程中,接收机处于运动状态。 
    GPS绝对定位和相对定位中,又都包含静态和动态两种方式。即动态绝对定位、静态绝对定位、动态相对定位和静态相对定位。若依照测距的原理不同,又可分为测码伪距法定位、测相伪距法定位、差分定位等。
GPS启动方式
首先普及两个概念:星历(Ephemeris)与历书(Almanac)
为了缩短卫星锁定时间,GPS接收机需利用历书、当地位置的时间来预报卫星运行状态。
历书与星历都是表示卫星运行的参数。历书包括全部卫星的大概位置,用于卫星预报;星历只是当前接收机观测到的卫星的精确位置,用于定位。
一般冷启动比热启动时间要长很多,以信号足够好为例,SirFIII的热启动为15秒以内,冷启动则需要42秒以内;在信号弱的情况下则需要更长时间。
1)cold(冷启动):没有之前的位置信息,没有星历,没有时间的估算。
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启动过程。以下几种情况开机均属冷启动:1、初次使用时;2、电池耗尽导致星历信息丢失时;3、关机状态下将接收机移动1000公里以上距离。也就是说冷启动是通过硬件方式的强制性启动,因为距离上次操作GPS已经把内部的定位信息清除掉,GPS接收机失去卫星参数,或者已经存在的参数和实际接收到卫星参数相差太多,导致导航仪无法工作,必须从新获得卫星提供的坐标数据,所以说车辆从地库里启动导航百分百算冷启动,这也是从地库出来搜星时间长的原因。

2)warm(温启动):有历书信息,大致的位置和时间可知,没有星历信息。
温启动是指距离上次定位时间超过2个小时的启动,搜星定位时间介于冷启动和热启动之间。如果您前一日使用过GPS定位,那么次日的第一次启动就属于温启动,启动后会显示上次的位置信息。因为上次关机前的经纬度和高度已知,但由于关机时间过长,星历发生了变化,以前的卫星接受不到了,参数中的若干颗卫星已经和GPS接收机失去了联系,需要继续搜星补充位置信息,所以搜星的时间要长于热启动,短于冷启动。

3)hot(热启动):有星历信息,大致的时间和位置可知,通常比温启动的时间和位置信息精确。
热启动是指在上次关机的地方没有过多移动启动GPS,但距离上次定位时间必须小于2个小时,通过软件的方式,进行一些启动前的保存和关闭等准备工作后的启动。
GPS频段
1、L1波段-1.57542GHz。
2、L2波段-1.22760GHz。
3、L3波段-1.38105GHz。
4、L4波段-1.84140GHz(预计将在2017年开始使用)。
GPS信号结构及准确率
1. 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。
    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。
    GPS接收机在计算前进速度的时候,用的是多普勒效应:在扣除卫星相对于接收机移动的多普勒效应以后,多出来的部分就是接收机移动的部分了,把这部分进行计算,就可以算出接收机的前进速度了。这种计算方法要比直接计算每秒钟的前进速度准,准确程度是每小时0.5公里。你自己可以作个试验:在走路或开车的时候走一些迷惑GPS的蛇行路线或8字形路线,看看GPS的速度显示是否连续并准确,一般这种情况下GPS的方向显示会略有延迟,因为它每一秒钟才算一次,而且方向的计算是要和前几秒钟的方向进行加权平均。
2. 准确率
有很多种因素会影响到GPS的准确率:
以下是一个GPS误差引入简表:   
卫星时钟误差:0-1.5米   
卫星轨道误差:1-5米   
电离层引入的误差:0-30米   
大气层引入的误差:0-30米   
接收机本身的噪音:0-10米
多路反射:0-1米
总定位误差:大约28米
    可以看出,主要GPS定位误差来自于电离层和大气层,是因为电离层中的气体分子和大气层中的水蒸汽分子会折射GPS的微波信号,使其在从卫星到接收机的路线中会稍微弯曲一下,导致接收机把弯曲的路径来当作直线路径,从而引入误差。这种现象在微波信号斜斜地穿越电离层和大气层时更明显,因为微波信号在其中穿越的时间和距离更长。
GPS系统特点
(1)全天候;
(2)全球覆盖;
(3)三维定速定时高精度;
(4)快速省时高效率;
(5)应用广泛多功能。
其他卫星导航系统
GLONASS(全球轨道导航卫星系统,俄罗斯格洛纳)
—由24颗卫星组成,精度在10米左右,军民两用,设计2009年底服务范围拓展到全球。

Galileo-ENSS(欧洲导航卫星系统,欧洲伽利略计划)
—由30颗卫星组成,定位误差不超过1米,主要为民用。2005年首颗试验卫星已成功发射。已经于2008年开通定位服务。

COMPASS(北斗导航系统,中国)
—由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,中国计划2012年左右,“北斗”系统将覆盖亚太地区,2020年左右覆盖全球,现已成功发射十六颗北斗导航卫星。


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