浅谈全球GPS工作原理与经济效益

zhonghaida

一、全球定位系统的种类和发展过程
　　 据有关资料统计，世界上可以提供精确定位的全球定位系统有四种，其中分别为：美国GPS全球定位系统、中国的北斗定位系统、俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯）定位系统和欧盟正在建设的伽利略定位系统。但是，目前后三种定位系统还没有建设完善，距离实际应用达到高精度还有比较长的一段路要走。现在只有美国的GPS全球定位系统已经有了成熟的应用，设计院的GPS可以使用的设备都是基于此系统。

　　其次，GPS全球定位系统是美国政府与20世纪70年代就开始研制建设的，并与1994年全面建成，投入使用。其采取了广播的方式来散发信号，因此终端用户只需要拥有一台终端设备就可以使用该系统，无需付费。该系统具备了很多优点：例如全天候使用、定位高达98%的全球覆盖率等等。

      然后，美国在实际设计该GPS系统的时候，采用了将21+3颗卫星的分布方式，每7颗卫星加一颗备用卫星处于互成30度的6条轨道上。在此之前曾经一再修改方案，从24颗卫星放置到互成120度的三条轨道的方案，转为18颗卫星分布在互成60度的6条轨道上，最后在1988年才最终确定21+3颗的分布方式。


北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这四项原则。

     俄罗斯的GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。 与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=1～24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。

     伽利略定位系统（Galileo Positioning System），是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称，也是继美国现有的“全球定位系统”（GPS）及俄罗斯的GLONASS系统外，第三个可供民用的定位系统。


二、 GPS定位系统的工作原理
　　到底卫星信号中包含什么样的信息才能帮助我们准确的定位呢？并且要经过怎样的处理才能完成最终的运算呢？其实非常的简单，卫星信号中所包含的信息大致包括卫星的星图轨道信息和精确无比的时间信号，通过速度时间与距离的公式，再辅助上四点定位的原理就可以确定用户的位置了。

　　因此，我们只需要知道两个重要信息就足够了，那就是卫星的精确定位和卫星与我们之间的距离。

　　首先，怎样才能准确的知道卫星的准确位置呢？我们要有非常完美的轨道设计，并且在地面设立监测站，不断的检测卫星的运行状态，并且适时发送指令来保证卫星运行在预定的轨道上面。最后将正确的轨道转换为星图轨道的精确信息，将注入卫星，再转发至我们的定位设备中。

　　其次，解决卫星与我们之间的距离需要一个非常简单的公式，距离=速度×时间。在这里，速度不是卫星的速度，也不是我们的速度，而是使用了一个绝对速度，光速。将所有的问题归结到了对时间信号的校准和高精度测量上。因此，在每一个GPS卫星上都装载了十分准确的原子钟。（原子钟：利用原子的自震动频率来测量时间，是目前最为精确的测量方法。）并且在地面还有3个数据注入站，将卫星时钟与地面测控站的时间精确校对。

　　最后，将所有的信息传递到我们的定位终端中，测算出相对距离来运算我们的位置，在理论上只需要搜寻到4颗卫星就可以准确定位。在实际使用中会由于误差等因素，而需要更多的卫星或者更长的运算时间，但在实际使用的时候至少可以保证6颗至9颗卫星的连接没有问题。

三、GPS与A-GPS的差别
　　为什么我们的手机会支持GPS，在实际使用中还要花流量费呢？原因在于目前在手机上所搭载的不一定是GPS模块，而是一种改进的技术，A-GPS（Asist-GPS辅助定位系统）。这种技术的产生是为了可以更快更方便的为用户提供定位服务，同时在成本上也要节省一些，因为可以省一部分运算性能。

　　A-GPS主要使用了随处可用的网络，首先通过将手机的IP地址或者信号塔的基站地址定位来先大致确定范围，这个范围的确定只需要瞬间的速度，再通过数据连接将手机接收到的信号交由连接至的网络服务器来运算，最后在传回来结果，整个过程的时间可以控制在40秒之内。

　　但是，这样的解决方案也随之而来会有一些问题出现，例如一些过于廉价的A-GPS模块将原生的GPS运算部分削减，无法联网也就意味着无法定位；还有用户在联网时需要额外的向手机的运营商来交数据流量费用；最后，用户的隐私得不到保证，需要交由第三方来处理敏感的位置信息。

四、全球定位系统未来的发展方向
　　 在GPS终端进行大量普及之后，我们会更加深刻的体验到全球定位系统带来的便捷。但是由于美国GPS所提供的免费民用卫星信号都加入了干扰码，在最终定位精度上达不到用户的要求，因此我们对于正在建设中的其他3种定位系统更抱有希望，尤其是欧盟的伽利略计划。（我国的北斗卫星定位系统与俄罗斯的GLONAS系统在基本原理和运算方式上有较大的出入，因此在民用上有一定的障碍。）

　　 我们看到欧盟的伽利略计划是一个开放的工程，在其中已经有很多的国家加入。我们国家也积极的参与到了其中，并且做出了重要贡献。欧盟的伽利略系统在基本原理与运算方式上与美国的GPS系统完全兼容，虽然其自身的精度还达不到GPS的高度，但我们在未来可以将使用上将两者融合的设备，这样可以达到更高的测量精度。


五、GPS在中国的经济效益
　　目前，美国GPS仍然是为最成熟、最挣钱的全球定位系统，同时据权威部门测算，至2020年，中国在全球市场份额中将占至少三分之一。根据中国全球定位系统技术应用协会信息咨询服务中心统计和预测，我国卫星导航定位市场，已由2000年前不足10亿元发展到2005年的120亿元左右，到2010年将会达到500亿元的产值，年增长速度高达50%左右,可见中国的GPS市场是多么的强势！

本文由GPS定位仪站长网编辑。

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学习中，谢谢楼主。