GPS（全球定位系統(tǒng)）詳解

　　全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System - GPS）是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。

　 全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,縮寫GPS)是美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。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，運行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（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，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(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)控部分包括四個監(jiān)控間、一個上行注入站和一個主控站。監(jiān)控站設有GPS用戶接收機、原子鐘、收集當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進行數(shù)據(jù)初步處理的計算機。監(jiān)控站的主要任務是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設在范登堡空軍基地。它對地面監(jiān)控部實行全面控制。主控站主要任務是收集各監(jiān)控站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設在范登堡空軍基地。它的任務主要是在每顆衛(wèi)星運行至上空時把這類導航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS衛(wèi)星每天進行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。

　 　全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應用廣的特點，是迄今最好的導航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領(lǐng)域正在不斷地開拓， 目前已遍及國民經(jīng)濟各種部門，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)自己的所需選購適合自己的GPS產(chǎn)品呢？讓我們一起來了解GPS的運行原理和GPS的分類。

　　1、 導航GPS是用于定位、導航產(chǎn)品。

　　按運載體分： 手持/車載、船載、航空機載、航天（彈載、箭載、星載）

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

　　按動態(tài)要求分： 低動態(tài)、中動態(tài)、高動態(tài)應該說GPS的應用是非常廣泛的，人們對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、 什么叫導航

　　導航是一個技術(shù)門類的總稱，它是引導飛機、船舶、車輛以及個人（總稱作運載體）安全、準確地沿著選定的路線，準時到達目的地的一種手段。導航的基本功能是回答：我現(xiàn)在在哪里？我要去哪里？如何去？

　　導航應由導航系統(tǒng)完成，包括裝在運載體上的導航設備以及裝在其他地方與導航設備配合使用的導航臺。從導航臺的位置來看，主要有：陸基導航系統(tǒng)： 即導航臺位于陸地上，導航臺與導航設備之間用無線電波聯(lián)系。

　　星基導航系統(tǒng)：導航臺設在人造衛(wèi)星上，擴大覆蓋范圍。導航是人類從事政治、經(jīng)濟和軍事活動所必不可少的信息技術(shù)。今天，隨著人類活動的發(fā)展，對導航的要求越來越高。



　　3、 導航的發(fā)展過程

　　人類最初的導航，只能通過石頭，樹，山脈等作為參照物，漸漸發(fā)展到天文觀測法，即通過天上的太陽，月亮和星星來判斷位置。而中國四大發(fā)明之一的指南針是人類導航領(lǐng)域的一個里程碑。

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

　　4、 GPS系統(tǒng)組成

　　GPS gloabal Positioning System,這玩意是美國人搞的。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。
簡單嘮叨嘮叨。

　　先說說設備， 當然大個的都是老美給咱準備好的，地上，有一個主控制站，當然在老美的本土了，在科羅拉多。三個地面天線，五個監(jiān)測站，分布在全球。主要是收集數(shù)據(jù)，計算導航信息，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顆運行，3顆備用。這些衛(wèi)星已經(jīng)更新了三代五種型號。衛(wèi)星發(fā)射兩種信號：L1和L2。L1:1575.42MHZ, L2:1227.60MHZ。衛(wèi)星上的時鐘采用銫原子鐘或銣原子鐘，計劃未來用氫原子鐘，比我的手表準。

　　手里，就是接收機了。大大小小，千姿百態(tài)，有袖珍式、背負式、車載、船載、機載什么的。一般常見的手持機接收L1信號，還有雙頻的接收機，做精密定位用的。

　　5、關(guān)于GPS接收機

　　GPS現(xiàn)在一般都是12通道的，可以同時接收12顆衛(wèi)星。早期的型號，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收機收到3顆衛(wèi)星的信號可以輸出2D（就是2維）數(shù)據(jù)，只有經(jīng)緯度，沒有高度，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。但是因為地球自己的問題，不是太標準的圓，所以高度數(shù)據(jù)有一些誤差�，F(xiàn)在有些GPS接收機內(nèi)置了氣壓表，比如etrex的SUMMIT和VISTA，這些機器根據(jù)兩個渠道得到的高度數(shù)據(jù)綜合出最終的海拔高度，應該比較準確了。

　　GPS接收機的第一次開機，或者開機距離里上次關(guān)機地點超過800KM以上，因為接收機里存儲的星歷都對不上了，所以要在接收機上重新定位。

　　6、定位精度

　　談到定位精度，就得說說SA和AS.

　　什么是SA，AS呢？別急， 這還得從頭說起，要不然你也不好明白。

　　GPS的信號有兩種C/A碼，P碼。

　　C/A碼的誤差是29.3m到2.93米。一般的接收機利用C/A碼計算定位。美國在90代中期為了自身的安全考慮，在信號上加入了SA (Selective Availability)，令接收機的誤差增大，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碼只能美國軍方使用，AS（Anti-Spoofing），是在P碼上加上的干擾信號。

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

　　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)，只能定位自己國家和附近的地區(qū)，而且目前只用于軍方。

二、GPS應用知識

　　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的設置

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

　　坐標系：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：一般用WGS84。
　　參考方位：就是北在哪里。北在哪里呢？實際上有兩個北，磁北和真北呀（簡稱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：這得細談談。GPS可以輸出實時定位數(shù)據(jù)讓其他的設備使用，這就牽扯到了數(shù)據(jù)交換協(xié)議。幾乎現(xiàn)在所有的GPS接收機都遵循美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association)所指定的標準規(guī)格，這一標準制訂所有航海電子儀器間的通訊標準，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可以認為是前兩種的超集，現(xiàn)在正廣泛的使用，0183有幾個版本，V1.5 V2.1。所以，如果大家的GPS接收機如果要聯(lián)上筆記本里通用的GPS導航程序，比如OZIEXPLORER和俺的GPSRECEIVER，就應該選擇NEMA V2.0以上的協(xié)議。NMEA規(guī)定的通訊速度是4800 b/S�，F(xiàn)在有些接收機也可以提供更高的速度，但說實話，沒有什么用，4800就足夠了。

　　象GARMIN，自己有一個mapsource軟件，為了不讓其他品牌的GPS使用該軟件，就設計了私有的GARMIN協(xié)議，只有GARMIN的機器才能輸出這種數(shù)據(jù)，而MAPSOURCE只能接收GARMIN協(xié)議，這樣一來MAPSOURCE就只能讓GARMIN的機器使用，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 . 度的十進制小數(shù)部分（5位）
　　2.） ddd.mm.mmm，度 . 分 . 分的十進制小數(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呢？如果這么問，可就太外行了。

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

　　經(jīng)度就不是這樣啦，只有在緯度為零的時候，就是在赤道上，一個經(jīng)度之間的距離是111.319KM，經(jīng)線隨著緯度的增加，距離越來越近，最后交匯于南北極。大家想想，沒錯吧。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，簡單的公式是：
經(jīng)度1°長度=111.413cosφ，在緯度φ處。 （這個公式也不精確呀，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，實際你走了多少？大約1.1M經(jīng)度最后一位小數(shù)增1，實際你走了多少？大約0.85M
　　2.) ddd.mm.mmm，在北京，緯度最后一位小數(shù)增1，實際你走了多少？大約1.85M經(jīng)度最后一位小數(shù)增1，實際你走了多少？大約1.42M
　　3.) ddd.mm.ss，在北京，緯度秒增1，實際你走了多少？大約30.9M經(jīng)度秒增1，實際你走了多少？大約23.7M

　　今天說的都不是精確的公式，一般估計大致的數(shù)字沒有問題。