GPS全球定位系统DE一点儿常识

后勤部长 · 发表于 2011-6-21 20:36

所谓GPS又称全球定位系统(Global Positioning System)，是美国科学家历时20年，耗资200亿美元建成的，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。系统是由三个独立的部分组成:[空间部分]\[地面支撑系统]\[用户设备]。

空间部分-在谈到GPS系统时都会提到“24颗卫星”，其实指的就是GPS系统的空间部分，但这24颗卫星并非全部都是工作卫星，其中21颗是工作卫星，另外有3颗备用卫星; 地面支撑系统-包括1个主控站、3个注入站和5个监测站；用户设备-就是人们所使用的GPS接收机，一般由主机、天线和电源组成，用来接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息。

--------------------------------------GPS发展历程----------------------------------------

GPS实施计划共分三个阶段：　　第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。　　第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。　　第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

--------------------------------------GPS定位原理----------------------------------------

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：四个方程式中各个参数意义如下：　　

x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。

目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

差分GPS分为两大类：伪距差分和载波相位差分。 1．伪距差分原理这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分” 2．载波相位差分原理载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。如何使用GPS接收机如何使用GPS接收机如何使用GPS接收机 GPS作为野外定位的最佳工具，在户外运动中有广泛的应用，在国内也可以越来越经常地看见有人使用了。GPS不象电视或收音机，打开就能用，它更象一架相机，你需要有一定的技巧。现在介绍一些GPS使用办法和经验。

--------------------------------------GPS最重要的基本数据库-----------------------------------------

当拿到一台您所选购的GPS接收机后，如果是具有中文操作模式还好，若为英文接口，再加上目前的GPS接收机的按键数量都变的很少，可能会让人产生许多疑惑：这么少的按键，如何发挥及设定所有功能？其实若各位还记得GPS最重要的基本数据库：

航点(WAYPOINT)，从这里出发就对了。依照目前大部份GPS接收机所设计的操作模式及需求，建议您上手的学习步骤及重点如下： -1. 电源的开启与关闭，屏幕灯光的开关。 -2.学会该接收机更改设定及英文字、阿拉伯数字输入的方式。 -3.找出这台接收机的"基本功能设定" ，将下列项目接收机的内定值做更改：单位（Unit）：改成您习惯的单位表示法，如公制单位（Metric）、大地坐标系统（Map datum）、坐标显示格式（Position format）：使用经纬度或二度分带坐标显示。-4.了解该接收机是否在开机后，需要输入参考点做初始设定（Initial setup）。-5.学会航点的建立与清除。-6.学会导航功能（GOTO）的开启与停止。只要您依照上述步骤及重点自行操作或询问销售人员，就能很快且正确的使用您所购买的GPS接收机。

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1.坐标(coordinate) 　　有2维、3维两种坐标表示，当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3维坐标：经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：精度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式显示坐标，而且还可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐标系统显示坐标，但我们一般还是使用LAT/LONG系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。

坐标的精度在Selective Availability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时，GPS的水平精度在100-50米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。　　

在SA关闭时(目前是很少见的，但美政府计划将来取消SA)，精度能达到15米左右(GPS性能介绍上说的精度都给的是no SA值，唬人的)。高度的精确性由于系统结构的原因，更差些。经纬度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择，

一般有"hddd.ddddd","hddd*mm.mmm""hddd*mm"ss.s"""(其中的“*”代表“度”，以下同)地球子午线长是39940.67公里，纬度改变一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，

北京地区纬在北纬40度左右，纬度圈长为40075*sin(90-40),此地经度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住，这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。

大部分GPS都有计算两点距离的功能，可给出两个坐标间的精确距离。高度的显示会有英制和公制两种方式，进GPS的SETUP页面，设置成公制，这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。

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2.路标(Landmark or Waypoint) 　　GPS内存中保存的一个点的坐标值。在有GPS信号时，按一下"MARK"键，就会把当前点记成一个路标，它有个默认的一般是象"LMK04"之类的名字，你可以修改成一个易认的名字(字母用上下箭头输入)，还可以给它选定一个图标。路标是GPS数据核心，它是构成“路线”(见3)的基础。标记路标是GPS主要功能之一，但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标，手工或通过计算机接口输入GPS，成为一个路标。一个路标可以将来用于GOTO功能的目标，也可以选进一条路线Route，见3.)作为一个支点。一般GPS能记录500个或以上的路标。

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3.路线(ROUTE) 　　路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫一条"腿"(leg)。常见GPS能存储20条线路，每条线路30条"腿"。各坐标点可以从现有路标中选择或是手工/计算机输入数值，输入的路点同时做为一个路标保存。实际上一条路线的所有点都是对某个路标的引用，比如你在路标菜单下改变一个路标的名字或坐标，如果某条路线使用了它，你会发现这条线路也发生了同样的变化。可以有一条路线是"活跃"(Activity)的。“活跃”路线的路点是导向(见5)功能的目标

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4.前进方向(Heading) 　　GPS没有指北针的功能，静止不动时它是不知道方向的。但是一旦动了起来，它就能知道自己的运动方向。GPS每隔一秒更新一次当前地点信息，每一点的坐标和上一点的坐标一比较，就可以知道前进的方向，请注意这并不是GPS头指的方向，它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。不同GPS关于前进方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前进方向，所以除非你已经走了一段并仍然在走直线，否则前进方向是不准确的，尤其是在拐弯的时候你会看到数值在变个不停。方向的是以多少度显示的，这个度数是手表表盘朝上，12点指向北方，顺时针转的角度。有很多GPS还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。一般同时还显示前进平均速度，也是根据最近一段的位移和时间计算的。

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5.导向(Bearing) 　　导向功能在以下条件下起作用： 1.)以设定"走向"(GOTO)目标。"走向"目标的设定可以按"GOTO"键，然后从列表中选择一个路标。以后"导向"功能将导向此路标 2.)目前有活跃路线(Activity route)。活跃路线一般在设置->路线菜单下设定。如果目前有活动路线，那么"导向"的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下一个路点。　　在"导向"页面上部都会标有当前导向路点名称("ROUTE"里的点也是有名称的)。它是根据当前位置，计算出导向目标对你的方向角，以与"前进方向"相同的角度值显示。同时显示离目标的距离等信息。读出导向方向，按此方向前进即可走到目的地。有些GPS把前进方向和导向功能结合起来，只要用GPS的头指向前进方向，就会有一个指针箭头指向前进方向和目标方向的偏角，跟着这个箭头就能找到目标。

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6.日出日落时间(Sun set/raise time) 　　大多数GPS能够显示当地的日出、日落时间，这在计划出发/宿营时间时是有用的。这个时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间，在山区因为有山脊遮挡，日照时间根据情况要早晚各少半个小时以上。GPS的时间是从卫星信号得到的格林尼制时间，在设置(setup)菜单里可以设置本地的时间偏移，对中国来说，应设+8小时，此值只与时间的显示有关。

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7.足迹线(Plot trail) 　　GPS每秒更新一次坐标信息，所以可以记载自己的运动轨迹。一般GPS能记录1024个以上足迹点，在一个专用页面上，以可调比例尺显示移动轨迹。足迹点的采样有自动和定时两种方式自动采样由GPS自动决定足迹点的采样方式，一般是只记录方向转折点，长距离直线行走时不记点；定时采样可以规定采样时间间隔，比如30秒、一分钟、5分钟或其他时间，每隔这么长时间记一个足迹点。在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。你可以开始记录、停止记录、设置方式或清空足迹线。