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GPS知識介紹
GPS介紹
全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System - GPS）是美國從本世紀(jì)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(jìn)行全方位實(shí)時三維導(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(diǎn)，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)□□□。
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系統(tǒng)包括三大部分：
空間部分-GPS衛(wèi)星星座；
地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng)；
用戶設(shè)備部分-GPS信號接收機(jī)。
1、GPS工作衛(wèi)星及其星座
由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座。 24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。
在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)�恒星來說自轉(zhuǎn)一周時，它們繞地球運(yùn)行二周，即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣，對于地面觀測者來說，每天將提前4分鐘見到同一顆GPS 衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到11顆。在用GPS信號導(dǎo)航定位時，為了結(jié)算測站的三維坐標(biāo)，必須觀測4顆 GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時，甚至不能測得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)，這種時間段叫做"間隙段"。但這種時間間隙段是很短暫的，并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時的導(dǎo)航定位測量。 GPS工作衛(wèi)星的編號和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。
2、地面監(jiān)控系統(tǒng)
對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷-描述衛(wèi)星運(yùn)動及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)-GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。 GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。 3、GPS信號接收機(jī)
GPS 信號接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。
靜態(tài)定位中，GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機(jī)高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測定一個運(yùn)動物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號接收機(jī)所位于的運(yùn)動物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行走的車輛等）。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運(yùn)動，接收機(jī)用GPS信號實(shí)時地測得運(yùn)動載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機(jī)來說，兩個單元一般分成兩個獨(dú)立的部件，觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元置于測站附近的適當(dāng)?shù)胤�，用電纜線將兩者連接成一個整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其安置在測站點(diǎn)上。
GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機(jī)外電池的過程中，機(jī)內(nèi)電池自動充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止丟失數(shù)據(jù)。

二.GPS接收機(jī)的分類
GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備，即GPS信號接收機(jī)。可以在任何時候用GPS信號進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。根據(jù)使用目的的不同，用戶要求的GPS信號接收機(jī)也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機(jī)，產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。
1、按接收機(jī)的用途分類
（1）導(dǎo)航型接收機(jī)
此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時給出載體的位置和速度。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機(jī)還可以進(jìn)一步分為：
車載型--用于車輛導(dǎo)航定位；
航海型--用于船舶導(dǎo)航定位；
航空型--用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。由于飛機(jī)運(yùn)行速度快，因此，在航空上用的接收機(jī)要求能適應(yīng)高速運(yùn)動。
星載型--用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。
（2）測地型接收機(jī)
測地型接收機(jī)主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進(jìn)行相對定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。
（3）授時型接收機(jī)
這類接收機(jī)主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。
2、按接收機(jī)的載波頻率分類
（1）單頻接收機(jī)
單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線的精密定位。
（2）雙頻接收機(jī)
雙頻接收機(jī)可以同時接收L1，L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長達(dá)幾千公里的精密定位。
3、按接收機(jī)通道數(shù)分類
GPS接收機(jī)能同時接收多顆GPS衛(wèi)星的信號，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號，以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據(jù)接收機(jī)所具有的通道種類可分為：
（1）多通道接收機(jī)
（2）序貫通道接收機(jī)
（3）多路多用通道接收機(jī)
4、按接收機(jī)工作原理分類
（1）碼相關(guān)型接收機(jī)
碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。
（2）平方型接收機(jī)
平方型接收機(jī)是利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號,來恢復(fù)完整的載波信號通過相位計測定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。
（3）混合型接收機(jī)
這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。
（4）干涉型接收機(jī)
這種接收機(jī)是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。
三、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)
1、什么是全球定位系統(tǒng)？
全球定位系統(tǒng)是由一系列衛(wèi)星組成的，它們24小時提供高精度的世界范圍的定位和導(dǎo)航信息。準(zhǔn)確地說，它是由24顆沿距地球12000公里高度的軌道運(yùn)行的NAVSTAR GPS衛(wèi)星組成，不停地發(fā)送回精確的時間和它們的位置。 GPS接收器同時收聽3～12顆衛(wèi)星的信號，從而判斷地面上或接近地面的物體的位置，還有它們的移動速度和方向等。
GPS接收器利用GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號確定衛(wèi)星在太空中的位置，并根據(jù)無線電波傳送的時間來計算它們間的距離。等計算出至少3～4個衛(wèi)星的相對位置后，GPS接收器就可以用三角學(xué)來算出自己的位置。每個GPS衛(wèi)星都有四個高精度的原子鐘，同時還有一個實(shí)時更新的數(shù)據(jù)庫，記載著其他衛(wèi)星的現(xiàn)在位置和運(yùn)行軌跡。當(dāng)GPS接收器確定了一個衛(wèi)星的位置時，它可以下載其他所有衛(wèi)星的位置信息，這有助于它更快地得到所需的其他衛(wèi)星的信息。
2、全球定位系統(tǒng)的用途
GPS最初就是為軍方提供精確定位而建立的，至今它仍然由美國軍方控制。軍用GPS產(chǎn)品主要用來確定并跟蹤在野外行進(jìn)中的士兵和裝備的坐標(biāo)，給海中的軍艦導(dǎo)航，為軍用飛機(jī)提供位置和導(dǎo)航信息等。
GPS也在商業(yè)領(lǐng)域大顯身手，消費(fèi)類GPS主要用在勘測制圖，航空、航海導(dǎo)航，車輛追蹤系統(tǒng)，移動計算機(jī)和蜂窩電話平臺等方面。
勘測制圖由一系列的定位系統(tǒng)組成，一般都要求特殊的GPS設(shè)備。在勘測方面的應(yīng)用有：結(jié)構(gòu)和工程勘測、道路測量和地質(zhì)研究。收集到的數(shù)據(jù)可以以后再估算，也可以在野外實(shí)時使用。制圖過程中使用大量的GIS數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，還有紙質(zhì)地圖的數(shù)據(jù)。 許多商業(yè)和政府機(jī)構(gòu)使用GPS設(shè)備來跟蹤他們的車輛位置，這一般需要借助無線通信技術(shù)。一些GPS接收器集成了收音機(jī)、無線電話和移動數(shù)據(jù)終端來適應(yīng)車隊管理的需要。
3、常用的GPS接收器
(1)汽車導(dǎo)航儀
計算機(jī)和通信的發(fā)展使人們的生活更加快捷、輕松，汽車導(dǎo)航和移動辦公已風(fēng)靡全球，并逐漸成為現(xiàn)代社會中不可缺少的部分。在□□□、美國等國家，為了方便用戶，很多汽車制造商在車輛出廠時就裝配了導(dǎo)航和移動辦公設(shè)備。在我國，類似產(chǎn)品的研制工作剛剛起步。
汽車導(dǎo)航儀是集計算機(jī)、通信導(dǎo)航、地圖信息為一體的高科技產(chǎn)品，通常它都具備筆記本PC的基本功能，可以方便地駁接網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送傳真和數(shù)據(jù)通信；并且內(nèi)置GPS接收器，提供GPS天線接口，裝載定位導(dǎo)航軟件，利用接收到的GPS衛(wèi)星信號為車輛提供全天候、全時域位置信息，并可以在屏幕上顯示當(dāng)時車輛運(yùn)行情況。用戶可以預(yù)先自定義行進(jìn)路線、路旁標(biāo)記和航路點(diǎn)，保存預(yù)先設(shè)定的路線或已走過的路線，以便再次查詢。通過查詢電子地圖，用戶能了解某地區(qū)的地理環(huán)境和交通狀況，增加對未來旅途的預(yù)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)了一些原地圖中沒有的道路，可以通過"記錄新路"來更新地圖。
（2）GPS手持機(jī)
GPS手持機(jī)是利用GPS基本原理設(shè)計而成的，體積小巧、攜帶方便、獨(dú)立使用的全天候?qū)崟r定位導(dǎo)航設(shè)備。好的手持機(jī)必備的條件是：靈敏度高，存貯量大，外部接口齊全。
GPS手持機(jī)按用途可分為陸用型、空用型、海用型。陸用型一般沒有內(nèi)置地圖，主要利用航路點(diǎn)記錄，選擇相應(yīng)航路點(diǎn)可自動生成路線。內(nèi)置天線使得機(jī)型小巧，它是應(yīng)用最廣的GPS設(shè)備；空用型提供全球空域圖和地域圖，靈敏度極高，適用于在高速行進(jìn)的飛機(jī)中定位；海用型內(nèi)置全球海圖，超大屏幕，提供可固定在船體上的配套支架和天線。
結(jié)束語
我們的生活充斥著數(shù)字-數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字神經(jīng)、數(shù)字化生存、數(shù)字……也許我們都需要利用GPS技術(shù)，來了解這個數(shù)字化地球，幫助我們培養(yǎng)數(shù)字思維，來適應(yīng)這個數(shù)字時代。


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