GPS导航系统的工作原理

本人急需要知道GPS导航系统的工作原理

2024-11-24 01:49:30

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回答1：

全球卫星定位系统（Global Position System, GPS）为美国国防部开发，利用规模遍及全球的人造卫星之航法系统，由24颗人造卫星所构成，其中包括三颗预备卫星。利用对民间开放的C/A码标准测法，能得到数十米的精度，为无线电定位法的一种。

卫星定位系统整体运作上可分成三部份：太空部分、地面部分以及讯号部分。

太空部分
N'K.c"jb~ i0目前GPS卫星已发展至Block II型式的定位卫星，由Rockwell International制造，在轨道上重量约1,900磅，太阳能接收板长度约17呎，预期寿命为7.5年，于1994年完成第24颗卫星的发射，整个GPS系统正式宣告建构完成。因此目前太空中有24颗GPS卫星可供定位运用，它们平均分布于6个轨道面，每个轨道面上各有4颗，距离地面高度约10,900海浬(大约20,000公里)，呈55°角倾斜绕行地球运转，绕行地球一周需12恒星时，每日可绕行地球2周，这也就是说，不论任何时间，任何地点，包含北极,南极，至少有4颗以上的卫星出现在我们的上空。
信号部分100GPS－中国最大的GPS网|导航地图软件下载|报价|手机PDA车载蓝牙GPS#d.J F#F C(zd
GPS卫星产生两组随机电码，一组称为C/A码，一组称为P码。C/A码主要开放给民间使用，因此在精度上刻意降低，P码则是美国国防部保留为其军事用途的电码，精度比C/A码高很多，因此设有密码，一般民间使用者无法解读。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。
地面部分100GPS－中国最大的GPS网|导航地图软件下载|报价|手机PDA车载蓝牙GPSKMb;K2@z
地面设施部分主要包含GPS监控站与使用者接收设备两部份。
监控站100GPS－中国最大的GPS网|导航地图软件下载|报价|手机PDA车载蓝牙GPS z;?3G3\ |E4OA2k
包括一个主要控制站（Master Control Station）、五个监测站（Monitor Station）－分布于夏威夷、亚森欣岛、迪亚哥加西亚、瓜加林岛、科罗拉多州、三个地面控制站（Ground Control Station）等。监测站主要负责追踪所有卫星的运行位置、时间、气象数据及电离层数据等，将每15秒观测到所有数据，计算出每15分钟一组的平滑化数据（Smoothed Data），传送到主控制站后，由主控制站加以统合，计算出卫星星历、时表修正量、电离层改正系数，再转换成导航讯息，以维护卫星系统的精度与正常运作，此部份由美国国防部负责，使用者无从了解也毋需了解此部份的技术。

主要是一个卫星信号接收器，依照不同的目的而有不同的定位能力，基本的功能是接收L1载波，分离出C/A电码，进行最简单的虚拟距离定位，也是一般车辆定位所使用的机型。其中必须注意的是：GPS卫星产生两种不同的载波来承载所有电码与讯息，其中C/A码仅调置在L1载波上，P码则分别调置在L1与L2载波上，并区别为P1与P2电码，但美国军方目前仅开放C/A码仅民间使用。而一般间使用之接收机可经由差分修正(DGPS差分定位)达15呎或更加之准确度。但使用DGPS讯号需付费，一般使用者应考虑成本及使用目地是否需要到如此精准。如做汽车导航您所需要知道的是您的相对位置配合您所使用之电子地图，无需使用到那么高精度之定位。

　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。
GWMU }A0　　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。100GPS－中国最大的GPS网|导航地图软件下载|报价|手机PDA车载蓝牙GPS0SBauTJ k0^ K/x!xm
　　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。

那么GPS卫星究竟传输那些数据呢？卫星所传输的讯号包含有伪乱码(Pseudo random code)、星历数据(Ephemeris:英语发音为ee-fem-er-is)及Almanac。

1、伪乱码(详细请参见"GPS测距码的作用")可帮助我们知道卫星讯号是由那一颗卫星所传输下来，所以伪乱码即是一颗卫星的身份证(ID code)。其卫星编码从1至32。因此我们可从GPS接收机上看到所接收到的卫星编号。但为何超过24个伪乱码呢？这是因为当有新的替代卫星发射启用时，可马上给与这颗替代卫星一个新编号，当真正被淘汰的卫星不能使用时，就取代淘汰的卫星。

2、星历数据含有卫星是否健康或不健康之信息、现在日期、时间，这些数据使您的接收机知道现再时间日期其决定您目前的位置。

3、Almanac传输轨道信息告知接收机各卫星所在天空之位置。

简单的说GPS时如何运作：每一颗卫星会告诉您使用的接收机三件事，我是第几号卫星，我现位置在那里，我什么时候送这讯息给您。当您的GPS接收机接收到这些数据后会将星历数据及Almanac存起来使用，这些数据也用做修正GPS接收机上的时间。

GPS接收机比较每一卫星讯号接收到的时间及本身接收机的时间的不同，而计算出每一卫星道接收机的距离。接收机若在接收到更多卫星时，它可利用三角公式计算出接收机所在位置。三颗卫星可做所谓2D定位(经度及纬度)，四颗或更多卫星可做所谓3D定位(经度、纬度及高度)

回答2：

GPS的主要原理比较简单，只涉及基本的地理和数学知识，但由于种种因素的干扰，完全搞明白GPS的原理就比较复杂了。我们这里只讲述最基本的知识，以便大多数读者能够理解。

　　首先我们假定GPS卫星的位置为已知，而我们又能准确测定所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置，因为这两点相差很远，可能在地球之外和地心某处，所以通过GPS内置的逻辑系统可以很容易的排除掉。

　　为了担保不会有意外发生，GPS通常会测量第4颗卫星的位置，这样4个虚拟的圆形相交的点就是我们的精确位置了。

　　综合所述，想gps定位需要具备两个重要条件：

　　1、其一是要确知卫星的准确位置

　　2、其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离

　　具体来讲，实现第一点的方法是通过精确的控制。首先要优化设计卫星运行轨道，而且，要由监测站通过各种手段，连续不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历（相当于火车时刻表），注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。

导航卫星的飞行轨迹有严格的限制，每颗都必须按照时刻表运行

　　第二点解决原理，只要知道卫星发射的信号到地面的距离就能准确知道卫星的距离，其中原理是最简单的物理公式：距离=速度*时间。GPS接收机计算卫星信号之间的间隔时间，乘上电磁波的速度就是准确的距离乐。但是这其中涉重要问题：卫星时间和GPS时间要同步，GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间（GPS自身的时钟采用廉价的石英钟）。所以，GPS接收机除了能准确定位之外，还可产生精确的时间信息。

GPS的核心装配——原子钟（当然这个不是GPS用的）

　　知道了距离和卫星的位置后,GPS就可以开始工作了。当然这其中还涉及相当复杂的知识，包括大气的干扰；时间的校对；卫星的控制；容错功能；提高精度的差分技术等等，足可以让你学上好几年。当然，作为普通用户，我们只知道简单原理就成了。

回答3：

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