GPS（全球定位系統(tǒng)）詳解

　　全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System - GPS）是美國(guó)從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國(guó)測(cè)繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測(cè)繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。

　 全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,縮寫GPS)是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。



　　按目前的方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用24顆高度約2.02萬(wàn)千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為11小時(shí)58分，分布在六個(gè)軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時(shí)間都可觀測(cè)到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?br />
　　地面監(jiān)控部分包括四個(gè)監(jiān)控間、一個(gè)上行注入站和一個(gè)主控站。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對(duì)地面監(jiān)控部實(shí)行全面控制。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天進(jìn)行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。

　 　全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓， 目前已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。

一、GPS掃盲

　　什么是GPS呢？我想大家都知道它是一種衛(wèi)星定位系統(tǒng)，但是怎樣才能根據(jù)自己的所需選購(gòu)適合自己的GPS產(chǎn)品呢？讓我們一起來(lái)了解GPS的運(yùn)行原理和GPS的分類。

　　1、 導(dǎo)航GPS是用于定位、導(dǎo)航產(chǎn)品。

　　按運(yùn)載體分： 手持/車載、船載、航空機(jī)載、航天（彈載、箭載、星載）

　　按精度分：普通導(dǎo)航（10米以內(nèi)精度）、精密導(dǎo)航（米級(jí)精度）高精度導(dǎo)航（厘米極精度）

　　按動(dòng)態(tài)要求分： 低動(dòng)態(tài)、中動(dòng)態(tài)、高動(dòng)態(tài)應(yīng)該說(shuō)GPS的應(yīng)用是非常廣泛的，人們對(duì)其需求也是多種多樣的，我們將提供您全面的最佳解決方案。

　　2、 什么叫導(dǎo)航

　　導(dǎo)航是一個(gè)技術(shù)門類的總稱，它是引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個(gè)人（總稱作運(yùn)載體）安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地的一種手段。導(dǎo)航的基本功能是回答：我現(xiàn)在在哪里？我要去哪里？如何去？

　　導(dǎo)航應(yīng)由導(dǎo)航系統(tǒng)完成，包括裝在運(yùn)載體上的導(dǎo)航設(shè)備以及裝在其他地方與導(dǎo)航設(shè)備配合使用的導(dǎo)航臺(tái)。從導(dǎo)航臺(tái)的位置來(lái)看，主要有：陸基導(dǎo)航系統(tǒng)： 即導(dǎo)航臺(tái)位于陸地上，導(dǎo)航臺(tái)與導(dǎo)航設(shè)備之間用無(wú)線電波聯(lián)系。

　　星基導(dǎo)航系統(tǒng)：導(dǎo)航臺(tái)設(shè)在人造衛(wèi)星上，擴(kuò)大覆蓋范圍。導(dǎo)航是人類從事政治、經(jīng)濟(jì)和軍事活動(dòng)所必不可少的信息技術(shù)。今天，隨著人類活動(dòng)的發(fā)展，對(duì)導(dǎo)航的要求越來(lái)越高。



　　3、 導(dǎo)航的發(fā)展過(guò)程

　　人類最初的導(dǎo)航，只能通過(guò)石頭，樹，山脈等作為參照物，漸漸發(fā)展到天文觀測(cè)法，即通過(guò)天上的太陽(yáng)，月亮和星星來(lái)判斷位置。而中國(guó)四大發(fā)明之一的指南針是人類導(dǎo)航領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。

　　無(wú)線電導(dǎo)航的發(fā)明，使導(dǎo)航系統(tǒng)成為航行中真正可以依賴的工具，因此具有劃時(shí)代的意義。

　　4、 GPS系統(tǒng)組成

　　GPS gloabal Positioning System,這玩意是美國(guó)人搞的。主要分三大塊，地面的控制站、天上飛的衛(wèi)星、咱們手里拿的接收機(jī)。
簡(jiǎn)單嘮叨嘮叨。

　　先說(shuō)說(shuō)設(shè)備， 當(dāng)然大個(gè)的都是老美給咱準(zhǔn)備好的，地上，有一個(gè)主控制站，當(dāng)然在老美的本土了，在科羅拉多。三個(gè)地面天線，五個(gè)監(jiān)測(cè)站，分布在全球。主要是收集數(shù)據(jù)，計(jì)算導(dǎo)航信息，診斷系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度衛(wèi)星這些雜事。

　　天上，有27顆衛(wèi)星，距離地面20200公里。27顆衛(wèi)星有24顆運(yùn)行，3顆備用。這些衛(wèi)星已經(jīng)更新了三代五種型號(hào)。衛(wèi)星發(fā)射兩種信號(hào)：L1和L2。L1:1575.42MHZ, L2:1227.60MHZ。衛(wèi)星上的時(shí)鐘采用銫原子鐘或銣原子鐘，計(jì)劃未來(lái)用氫原子鐘，比我的手表準(zhǔn)。

　　手里，就是接收機(jī)了。大大小小，千姿百態(tài)，有袖珍式、背負(fù)式、車載、船載、機(jī)載什么的。一般常見(jiàn)的手持機(jī)接收L1信號(hào)，還有雙頻的接收機(jī)，做精密定位用的。

　　5、關(guān)于GPS接收機(jī)

　　GPS現(xiàn)在一般都是12通道的，可以同時(shí)接收12顆衛(wèi)星。早期的型號(hào)，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收機(jī)收到3顆衛(wèi)星的信號(hào)可以輸出2D（就是2維）數(shù)據(jù)，只有經(jīng)緯度，沒(méi)有高度，如果收到4顆以上的衛(wèi)星，就輸出3D數(shù)據(jù)，可以提供海拔高度。但是因?yàn)榈厍蜃约旱膯?wèn)題，不是太標(biāo)準(zhǔn)的圓，所以高度數(shù)據(jù)有一些誤差。現(xiàn)在有些GPS接收機(jī)內(nèi)置了氣壓表，比如etrex的SUMMIT和VISTA，這些機(jī)器根據(jù)兩個(gè)渠道得到的高度數(shù)據(jù)綜合出最終的海拔高度，應(yīng)該比較準(zhǔn)確了。

　　GPS接收機(jī)的第一次開機(jī)，或者開機(jī)距離里上次關(guān)機(jī)地點(diǎn)超過(guò)800KM以上，因?yàn)榻邮諜C(jī)里存儲(chǔ)的星歷都對(duì)不上了，所以要在接收機(jī)上重新定位。

　　6、定位精度

　　談到定位精度，就得說(shuō)說(shuō)SA和AS.

　　什么是SA，AS呢？別急， 這還得從頭說(shuō)起，要不然你也不好明白。

　　GPS的信號(hào)有兩種C/A碼，P碼。

　　C/A碼的誤差是29.3m到2.93米。一般的接收機(jī)利用C/A碼計(jì)算定位。美國(guó)在90代中期為了自身的安全考慮，在信號(hào)上加入了SA (Selective Availability)，令接收機(jī)的誤差增大，到100米左右。在2000年5月2日，SA取消，所以，咱們現(xiàn)在的GPS精度應(yīng)該能在20米以內(nèi)。

　　P碼的誤差為2.93米到0.293米是C/A碼的十分之一。但是P碼只能美國(guó)軍方使用，AS（Anti-Spoofing），是在P碼上加上的干擾信號(hào)。

　　總之，老美也是挺累的。發(fā)了一大堆衛(wèi)星用于軍用定位。然后覺(jué)得不值，想賺點(diǎn)錢，于是開發(fā)信號(hào)給民用，精度還不能太高，可精度低了大家又罵娘。因?yàn)镚PS掌握在老美的手中，雖說(shuō)免費(fèi)使用，可是其他國(guó)家用著也不踏實(shí)，前兩天打阿富漢是，美國(guó)就把該地區(qū)的GPS信號(hào)做了處理，定位精度變低。所以說(shuō)，還是要盡快開發(fā)出自己的GPS系統(tǒng)。這樣才不能時(shí)刻受到老美的管制。

　　俄羅斯有自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLObal NAvigation Satellite System)。歐洲也要發(fā)展自己的定位系統(tǒng)NAVSAT。中國(guó)也有自己的衛(wèi)星定位，叫北斗，是雙星系統(tǒng)，只能定位自己國(guó)家和附近的地區(qū)，而且目前只用于軍方。

二、GPS應(yīng)用知識(shí)

　　今天講的東西比較枯燥，但是有用啊，可以拿去和別人神侃。

　　1. GPS的設(shè)置

　　GPS拿到手，如果是新機(jī)器要定位，上次已經(jīng)提到了。另外，還有一些設(shè)置，常用的有坐標(biāo)系、地圖基準(zhǔn)、參考方位、公制/英制、數(shù)據(jù)接口格式什么的。

　　坐標(biāo)系：常用的是LAT/LON和UTM。LAT/LON就是經(jīng)緯度表示，UTM在這里就不管他了。
　　地圖基準(zhǔn)：一般用WGS84。
　　參考方位：就是北在哪里。北在哪里呢？實(shí)際上有兩個(gè)北，磁北和真北呀（簡(jiǎn)稱CB和ZBY）。
　　指南針指的北就是磁北，北斗星指的北就是真北。兩者在不同地區(qū)相差的角度不一樣的，地圖上的北是真北。
　　公制/英制：自己選吧，我用公制。

　　數(shù)據(jù)接口格式：這得細(xì)談?wù)�。GPS可以輸出實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)讓其他的設(shè)備使用，這就牽扯到了數(shù)據(jù)交換協(xié)議。幾乎現(xiàn)在所有的GPS接收機(jī)都遵循美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association)所指定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，這一標(biāo)準(zhǔn)制訂所有航海電子儀器間的通訊標(biāo)準(zhǔn)，其中包含傳輸資料的格式以及傳輸資料的通訊協(xié)議。NMEA協(xié)議有0180、0182和0183三種，0183可以認(rèn)為是前兩種的超集，現(xiàn)在正廣泛的使用，0183有幾個(gè)版本，V1.5 V2.1。所以，如果大家的GPS接收機(jī)如果要聯(lián)上筆記本里通用的GPS導(dǎo)航程序，比如OZIEXPLORER和俺的GPSRECEIVER，就應(yīng)該選擇NEMA V2.0以上的協(xié)議。NMEA規(guī)定的通訊速度是4800 b/S�，F(xiàn)在有些接收機(jī)也可以提供更高的速度，但說(shuō)實(shí)話，沒(méi)有什么用，4800就足夠了。

　　象GARMIN，自己有一個(gè)mapsource軟件，為了不讓其他品牌的GPS使用該軟件，就設(shè)計(jì)了私有的GARMIN協(xié)議，只有GARMIN的機(jī)器才能輸出這種數(shù)據(jù)，而MAPSOURCE只能接收GARMIN協(xié)議，這樣一來(lái)MAPSOURCE就只能讓GARMIN的機(jī)器使用，打倒打倒！��！

　　2.經(jīng)緯度的表示

　　再講講數(shù)據(jù)表示吧。一般從GPS得到的數(shù)據(jù)是經(jīng)緯度。經(jīng)緯度有多種表示方法。
　　1.） ddd.ddddd， 度 . 度的十進(jìn)制小數(shù)部分（5位）
　　2.） ddd.mm.mmm，度 . 分 . 分的十進(jìn)制小數(shù)部分（3位）
　　3.) ddd.mm.ss, 度 . 分 . 秒



　　不是所有的GPS都有這幾種顯示，我的GPS315只能選擇第二種和第三種一度是多遠(yuǎn)呢？如果這么問(wèn)，可就太外行了。

　　在LAT/LON坐標(biāo)系里，緯度是平均分配的，從南極到北極一共180個(gè)緯度。地球直徑12756KM，周長(zhǎng)就是12756*PI，一個(gè)緯度是 12756×PI /360 = 111.133 KM (先說(shuō)明白，不精確啊)。

　　經(jīng)度就不是這樣啦，只有在緯度為零的時(shí)候，就是在赤道上，一個(gè)經(jīng)度之間的距離是111.319KM，經(jīng)線隨著緯度的增加，距離越來(lái)越近，最后交匯于南北極。大家想想，沒(méi)錯(cuò)吧。所以經(jīng)度的單位距離和確定經(jīng)度所在的緯度是密切相關(guān)的，簡(jiǎn)單的公式是：
經(jīng)度1°長(zhǎng)度=111.413cosφ，在緯度φ處。 （這個(gè)公式也不精確呀，蒙人還可以）

　　做題：北京的經(jīng)度119度，緯度40度。單位經(jīng)度，單位緯度各是多少？
　　答： 單位緯度111.133KM 單位經(jīng)度111.413×COS 40 = 85.347KM

　　講這些的用途就是容易理解經(jīng)緯度的表示。
　　1.）ddd.ddddd，在北京，緯度最后一位小數(shù)增1，實(shí)際你走了多少？大約1.1M經(jīng)度最后一位小數(shù)增1，實(shí)際你走了多少？大約0.85M
　　2.) ddd.mm.mmm，在北京，緯度最后一位小數(shù)增1，實(shí)際你走了多少？大約1.85M經(jīng)度最后一位小數(shù)增1，實(shí)際你走了多少？大約1.42M
　　3.) ddd.mm.ss，在北京，緯度秒增1，實(shí)際你走了多少？大約30.9M經(jīng)度秒增1，實(shí)際你走了多少？大約23.7M

　　今天說(shuō)的都不是精確的公式，一般估計(jì)大致的數(shù)字沒(méi)有問(wèn)題。