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全球定位系統(tǒng)，又稱GPS（Global Positioning System），是新一代的導航定位系統(tǒng)。它能夠為全球任意地點、任意多個用戶同時提供高精度、全天候、連續(xù)、實時的三維定位、測速和時間基準，它在測繪和導航方面具有廣泛的應用。在實際應用中，往往需要將GPS定位信息進行分解并提取出我們所需要的有用數(shù)據(jù)。一個典型應用是這樣的：通過RS232串口將GPS輸出的數(shù)據(jù)傳遞給計算機，計算機主程序獲得目標當前的位置（經(jīng)緯度坐標、海拔），然后再將當前位置顯示在電子地圖上。在此，如何獲得當前的位置是系統(tǒng)的關鍵。在實際開發(fā)中，需要將接收機獲得的GPS數(shù)據(jù)進行分解從中得到目標當前的位置和格林威治時間（該時間加上8小時即為我國標準時），由于GPS使用的坐標系WGS－84與我國采用的坐標系不同，因此還需要將經(jīng)緯度坐標進行坐標變換使其適應當?shù)刈鴺讼怠?
GPS接收機原理
GPS接收機主要由GPS接收機天線、GPS接收機主機及電源組成。接收機主機由變頻器、信號通道、微處理器、存儲器及顯示器組成。圖1為GPS接收機原理圖。
圖1 GPS接收機原理圖
1. 變頻及中頻放大器
經(jīng)過GPS前置放大器后的信號仍然很微弱，為了使接收機通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使L頻段的射頻信號變成低頻信號，必須采用變頻器。
2. 信號通道
信號通道是GPS接收機的核心部分，GPS信號通道是軟、硬件結合的電路，不同類型的接收機其通道是不同的。GPS信號通道的作用可概括如下：
（１）搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；
（２）對基準信號，即廣播電文數(shù)據(jù)信號實行解擴、解調得到廣播電文；
（３）進行偽碼測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。
從衛(wèi)星接收到的信號是擴頻的調制信號，要經(jīng)過解擴、解調才能得到導航電文。為達到此目的，在信號通道電路中設有偽碼跟蹤環(huán)和載波相位跟蹤環(huán)。
3. 存儲器
接收機內設有存儲器以存儲一小時一次的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、接收機采集到的碼相位偽距觀察值、載波相位觀察值及多普勒頻移。目前，GPS接收機都裝有半導體存儲器（簡稱內存），如Trimble 4000 SSE帶有8M內存，以15秒1次的數(shù)據(jù)采樣率可以存儲5顆衛(wèi)星、雙頻觀測19小時的數(shù)據(jù)，若1秒1次數(shù)據(jù)采樣率可以存儲2小時的數(shù)據(jù)。接收機內存儲的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)接口傳到微機上，以便進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。在存儲器內還裝有多種工作軟件，如：自測試軟件，天空衛(wèi)星預報軟件，導航電文解碼軟件，GPS單點定位軟件等。
4. 微處理器
微處理器是GPS接收機工作的靈魂，接收機工作都是在微處理器統(tǒng)一協(xié)同下進行的。其主要工作步驟為：
⑴接收機開機后首先對整個接收機工作狀況進行自檢，并測定、校正、存儲各通道的時延值。
�、平邮諜C對衛(wèi)星進行搜索、捕捉衛(wèi)星。當捕捉到衛(wèi)星后，即對信號進行牽引和跟蹤，并由基準信號譯碼得到GPS衛(wèi)星星歷。當同時鎖定4顆衛(wèi)星時，將C/A碼偽距觀測值連同星歷一起計算測站的三維坐標，并按預制位置更新率計算新的位置。
�、歉鶕�(jù)機內存儲的衛(wèi)星星歷書（若是新的接收機，機內無歷書，或內存中歷書已超過3個月則需要更新歷書，這時需要接收12.5分鐘的衛(wèi)星信號）和測站近似位置，計算所有在軌衛(wèi)星升降時間、方位和高度角。
�、雀鶕�(jù)預先設置的航路點坐標和單點定位測站位置計算導航的參數(shù)、航偏距、航偏角、航行速度等。
�、山邮沼脩糨斎胄盘�，如: 測站名、作業(yè)員名稱、天線高、氣象參數(shù)等。
5. 顯示器
GPS接收機都有液晶顯示屏以提供GPS接收機工作信息，并配有一個控制鍵盤。用戶可通過鍵盤控制接收機工作。對于導航接收機，有的還配有大顯示屏，在屏幕上直接顯示導航的信息甚至數(shù)字地圖。
GPS數(shù)據(jù)處理模塊
GPS數(shù)據(jù)處理模塊的設計方案如圖2所示。GPS接收機通過RS-232串口將定位數(shù)據(jù)（NEMA0183語句）傳給計算機，在VB中借助MSComm控件將定位數(shù)據(jù)讀進來，接著進行定位數(shù)據(jù)的分類，并提取出我們所需要的信息，同時將這些有用信息傳給主應用程序；主應用程序可以將GPS接收機的控制信息整理成NEMA0183語句，通過MSComm控件的傳遞并經(jīng)過RS-232發(fā)送到GPS接收機。這樣，計算機與GPS接收機的串口通信和GPS定位數(shù)據(jù)處理功能通過進程外的ActiveX服務器封裝，將系統(tǒng)的實時性能通過操作系統(tǒng)的進程管理器來實現(xiàn)，從而繞過了VB單線程的不足。
圖2 GPS數(shù)據(jù)處理模塊
坐標變換
GPS接收機接收到的是經(jīng)緯度坐標，必須通過高斯投影將其轉換成高斯坐標。由已知的參心大地坐標系中點的大地緯度和大地經(jīng)度（B, L），求相應的高斯投影直角坐標(x, y)的公式, 稱為高斯投影正算公式。
設參考橢球的長半軸為a，第一偏心率為e，則高斯投影正算公式為:
L、B為轉換前的經(jīng)緯度坐標；x、y為轉換后的高斯坐標；L0為投影帶的中央經(jīng)線坐標；C0、C1、C2、C3為與點位無關而只與橢球參數(shù)有關的常數(shù)。
結束語
GPS是當今世界上最先進的導航定位系統(tǒng)，具有定位快、全時域、全天候、高動態(tài)等特點，它作為對地觀測高新技術支柱之一，將隨著與RS和GIS集成技術的深化，更廣泛地應用于各行各業(yè)。
摘自《計算機世界》
