四川拓圖偉業(yè)測(cè)繪科技有限公司
閱讀:3242發(fā)布時(shí)間:2021-9-24
問(wèn):什么是GPS?
答:GPS是英文Global Positioning System的縮寫,意即定位系統(tǒng)。定位系統(tǒng)是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距,使在地球上任何地方的用戶,都能計(jì)算出他們所處的方位。當(dāng)前有兩個(gè)公開(kāi)GPS系統(tǒng)可以利用。一是NAVSTAR系統(tǒng),由美國(guó)研制,歸美國(guó)管理和操作,一是GLONASS系統(tǒng),為俄聯(lián)邦所擁有。因?yàn)橥ǔJ紫瓤衫玫氖荖AVSTAR系統(tǒng),故又將這一衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為GPS。
GPS定位系統(tǒng)工程浩繁、耗資巨大,是美國(guó)投資100多億美元而建立的,被稱為繼阿波羅飛船登月和航天飛機(jī)之后的第三大航天工程。它是在子午儀衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,這個(gè)系統(tǒng)歷經(jīng)二十年的開(kāi)發(fā),終于在1993年6月26日全部建成。
GPS是美國(guó)發(fā)射的24顆衛(wèi)星組成的定位、導(dǎo)航及授時(shí)系統(tǒng)。這24 顆衛(wèi)星分布在高度為2萬(wàn)公里的6個(gè)軌道上繞地球飛行。每條軌道上擁有4顆衛(wèi)星, 在地球上任何一點(diǎn),任何時(shí)刻都可以同時(shí)接受到來(lái)自4顆衛(wèi)星的信號(hào)。也就是說(shuō)GPS的衛(wèi)星所發(fā)射的空間軌道信息覆蓋著整個(gè)地球表面。
前蘇聯(lián)(U.S.S.R)早在1982年就開(kāi)始建立自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)GLONASS。后來(lái),俄羅斯繼續(xù)執(zhí)行這一系統(tǒng)工程計(jì)劃,到1995年已完成建成。目前這套衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只由俄羅斯控制使用,未向提供服務(wù)。歐洲聯(lián)盟考慮到衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用前景,也打算建立他們自己的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。目前德俄已聯(lián)合生產(chǎn)了可以同時(shí)接收美國(guó)GPS服務(wù)和蘇聯(lián)GLONASS信號(hào)的衛(wèi)星定位接收器。當(dāng)前世界各國(guó)對(duì)衛(wèi)星定位導(dǎo)航 (Navigation)這一*都非常重視,認(rèn)為其對(duì)導(dǎo)航定位和大地勘測(cè)技術(shù)是一場(chǎng)革命,其民用潛力相當(dāng)巨大,經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。
GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)
1、 ,全天候工作:能為用戶提供連續(xù),實(shí)時(shí)的三維位置,三維速度和精密時(shí)間。不受天氣的影響。
2、 定位精度高:?jiǎn)螜C(jī)定位精度優(yōu)于10米,采用差分定位,精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。
3、 功能多,應(yīng)用廣:隨著人們對(duì)GPS認(rèn)識(shí)的加深,GPS不僅在測(cè)量,導(dǎo)航,測(cè)速,測(cè)時(shí)等方面得到更廣泛的應(yīng)用,而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
GPS應(yīng)用
GPS系統(tǒng)原是美國(guó)為其星球大戰(zhàn)計(jì)劃而建立的,其作用是為美在的艦船、飛機(jī)導(dǎo)航并指揮。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間,GPS系統(tǒng)尚未*建成,初步使用已顯神威。后來(lái),隨著1993年GPS太空衛(wèi)星網(wǎng)的*建成,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,而且美國(guó)1994年宣布在10年內(nèi)向免費(fèi)提供GPS定位系統(tǒng)的使用權(quán),使世界各國(guó)都在爭(zhēng)相利用這一系統(tǒng)。
由于GPS接收機(jī)技術(shù)的發(fā)展,超大規(guī)模芯片的應(yīng)用,使接收機(jī)成本不斷下降。而且GPS的應(yīng)用,也帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,故現(xiàn)在也已廣泛應(yīng)用于航海、航空、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、石油勘探、地形測(cè)量以及商業(yè)、旅游業(yè)等一切行業(yè),甚至要滲透到個(gè)人生活的各個(gè)方面。它可以準(zhǔn)確測(cè)定用戶的三維位置、三維速度,并給出精確的時(shí)間基準(zhǔn)。由于GPS具有定位精度高、使用范圍廣、可全天候應(yīng)用、用戶設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因此被認(rèn)為是當(dāng)前定位導(dǎo)航設(shè)備中最重要的發(fā)展。
問(wèn):為什么中海達(dá)的GPS接收機(jī)都為12通道(通道:為儀器的GPS衛(wèi)星接收路徑,通道越多表明可同時(shí)接收的衛(wèi)星數(shù)越多),相比8通道接收機(jī)有何優(yōu)勢(shì)?
答:優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的,通道越多表明可同時(shí)接收的衛(wèi)星數(shù)越多,定位精度越可靠,對(duì)于采用GPS相對(duì)定位的技術(shù)而言是至關(guān)重要的,因?yàn)橄鄬?duì)定位的精度取決與多臺(tái)GPS接收機(jī)同步觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目,目前天空的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在約50%的時(shí)間內(nèi)都大于8顆,對(duì)于8通道接收機(jī)想要使用可見(jiàn)通道外的衛(wèi)星作為同步觀測(cè)衛(wèi)星是無(wú)能為力的。
問(wèn):中海達(dá)公司產(chǎn)品更新或升級(jí)時(shí)間如何確定?
答:軟件可根據(jù)用戶提供的建議作參考進(jìn)行適度的修正,更新速度較快,可與網(wǎng)上更新;硬件視國(guó)際上的同類產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度來(lái)確定。
問(wèn):中海達(dá)公司的軟件將來(lái)可以做成通用的軟件嗎?
答:可以,目前我們正著手于現(xiàn)有軟件配套的不同版本的資源文件的開(kāi)發(fā),主要有繁體中文、英文版,很快將會(huì)有對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言版本的測(cè)量軟件推出,會(huì)有更多的用戶使用上我們的軟件。
問(wèn):GPS系統(tǒng)的組成是什么?
答:GPS系統(tǒng)包括以下三大部分:
(1)GPS衛(wèi)星(空間部分);(2)地面支撐系統(tǒng)(地面監(jiān)控部分);(3)GPS接收機(jī)(用戶部分)。
GPS系統(tǒng)利用無(wú)線電傳輸特性來(lái)定位。和過(guò)去地面無(wú)線導(dǎo)航系統(tǒng)所不同的是,它由衛(wèi)星來(lái)發(fā)射定時(shí)信號(hào)、衛(wèi)星位置和健康狀況信息,故具有發(fā)射信號(hào)能覆蓋和定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中所有衛(wèi)星構(gòu)成GPS系統(tǒng)的空間部分。 衛(wèi)星由地面站(地面監(jiān)控部分)監(jiān)測(cè)和控制,它監(jiān)測(cè)衛(wèi)星健康狀況和空中定位精度。定時(shí)向衛(wèi)星發(fā)送控制指令、軌道參數(shù)和時(shí)間改正數(shù)據(jù)。
用戶裝有GPS接收機(jī),用來(lái)接收衛(wèi)星發(fā)來(lái)的信號(hào)。GPS接收機(jī)中裝有專用芯片,用來(lái)根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算出定位數(shù)據(jù)。用戶并不需要給衛(wèi)星發(fā)射任何信號(hào),衛(wèi)星也不必理會(huì)用戶的存在,故系統(tǒng)中用戶數(shù)量沒(méi)有限制。具有GPS接收機(jī)的用戶就構(gòu)成系統(tǒng)的用戶部分。
一、GPS空間部分
GPS空間部分包括由二十四顆衛(wèi)星組成的星座。衛(wèi)星高度為20200公里,運(yùn)行周期12小時(shí)。衛(wèi)星分布在六條升交點(diǎn)相隔60度的軌道面上,軌道傾角為55度;每條軌道上分布四顆衛(wèi)星,相臨兩軌道上的衛(wèi)星相隔40度,使得在地球上任何地方至少同時(shí)可看到四顆衛(wèi)星。具有這樣軌道參數(shù)的衛(wèi)星,其發(fā)射信號(hào)能覆蓋地面面積38%。衛(wèi)星運(yùn)行到 軌道的任何位置上,它對(duì)地面的距離和波束覆蓋面積基本不變。同時(shí)在波束覆蓋區(qū)域內(nèi),用戶接收到的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度近似相等。這對(duì)提高定位精度十分有利。使能在任何地方、任何惡劣的氣候條件下,為用戶提供二 十四小時(shí)不間斷的免費(fèi)服務(wù)。
二、GPS地面監(jiān)控部分
地面監(jiān)控部分包括1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站。主控站位于美國(guó)科羅拉多的斯平士(Colorado Springs)的聯(lián)合空間執(zhí)行中心(CSOC),三個(gè)注入站分別設(shè)在大西洋、印度洋和太平洋的三個(gè)美事基地上,即大西洋的阿松森(Ascension)島、印度洋的狄哥?伽西亞(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein),五個(gè)監(jiān)測(cè)站設(shè)在主控站和三個(gè)注入站以及夏威夷島。
監(jiān)測(cè)站的主要任務(wù)是對(duì)每顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè),精確測(cè)定衛(wèi)星在空間的位置,向主控站提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。每個(gè)監(jiān)測(cè)站還配有GPS接收機(jī),對(duì)每顆衛(wèi)星連續(xù)不斷地進(jìn)行觀測(cè),每6秒進(jìn)行一次偽距測(cè)量和積分多普勒觀測(cè),并采集與氣象有關(guān)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站受主控站的控制,定時(shí)將觀測(cè)數(shù)據(jù)送往主控站。
主控站擁有大型電子計(jì)算機(jī),作為數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、傳輸、診斷、編輯等功能的主體設(shè)備。它實(shí)現(xiàn)下列功能:
主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到位于三大洋的三個(gè)注入站,而注入站通過(guò)S波段微波鏈路定時(shí)地將有關(guān)信息注入各個(gè)衛(wèi)星,然后由GPS衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶,這就是所用的廣播星歷。
三、GPS用戶部分
用戶部分包括用戶組織系統(tǒng)和根據(jù)要求安裝相應(yīng)的設(shè)備,但其中心設(shè)備是GPS接收機(jī)。它是一種特制的無(wú)線電接收機(jī),用來(lái)接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào),并以此計(jì)算出定位數(shù)據(jù)。根據(jù)不同性質(zhì)的用戶和要求的功能,要配置不同的GPS接收機(jī)。其結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀和價(jià)格也大相徑庭。例如:航海和航空用的接收機(jī),要具有與存有導(dǎo)航圖等資料的存儲(chǔ)卡相接口的能力;測(cè)地用的接收機(jī)就要求具有很高的精度,并能快速采集數(shù)據(jù);軍事上用的,要附加密碼模塊,并要求能高精度定位。
GPS接收機(jī)種類雖然很多,但它的結(jié)構(gòu)基本一致。分為天線單元和接收單元兩部分。天線單元由接收天線和前置放大器組成。常用的天線形式有:定向天線、偶極子天線、微帶天線、線螺旋天線、圓螺旋天線等。前置放大器直接影響接收信號(hào)的信噪比。要求噪聲系數(shù)小、增益高和動(dòng)態(tài)范圍大?,F(xiàn)時(shí)一般都采用FET放大器。接收單元包括有:信號(hào)通道、存儲(chǔ)、計(jì)算與顯示控制及電源等部件。信號(hào)通道的主要功能是接收來(lái)自天線的信號(hào),經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波等一系列處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的跟蹤、鎖定、解調(diào)、檢出導(dǎo)航有關(guān)信息。根據(jù)需要,可設(shè)計(jì)成1至12個(gè)通道,以能接收多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。其它幾個(gè)部件的作用,主要是:根據(jù)收到的衛(wèi)星星歷、偽距觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算出三維坐標(biāo)和速度;進(jìn)行人機(jī)對(duì)話、輸入各種指令、控制屏幕顯示等。
問(wèn):GPS系統(tǒng)的工作原理是什么?
答:GPS的工作原理,簡(jiǎn)單地說(shuō)來(lái),是利用我們熟知的幾何與物理上一些基本原理。首先我們假定衛(wèi)星的位置為已知,而我們又能準(zhǔn)確測(cè)定我們所在地點(diǎn)A至衛(wèi)星之間的距離,那么A點(diǎn)一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測(cè)得距離為半徑的圓球上。進(jìn)一步,我們又測(cè)得點(diǎn)A至另一衛(wèi)星的距離,則A點(diǎn)一定處在前后兩個(gè)圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測(cè)得與第三個(gè)衛(wèi)星的距離,就可以確定A點(diǎn)只能是在三個(gè)圓球相交的兩個(gè)點(diǎn)上。根據(jù)一些地理知識(shí),可以很容易排除其中一個(gè)不合理的位置。當(dāng)然也可以再測(cè)量A點(diǎn)至另一個(gè)衛(wèi)星的距離,也能精確進(jìn)行定位。 以上所說(shuō),要實(shí)現(xiàn)精確定位,要解決兩個(gè)問(wèn)題:
其一是要確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置;
其二是要準(zhǔn)確測(cè)定衛(wèi)星至地球上我們所在地點(diǎn)的距離。下面我們看看怎樣來(lái)做到這點(diǎn)。
怎樣確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置
要確知衛(wèi)星所處的準(zhǔn)確位置。首先,要通過(guò)深思熟慮,優(yōu)化設(shè)計(jì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道,而且,要由監(jiān)測(cè)站通過(guò)各種手段,連續(xù)不斷監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài),適時(shí)發(fā)送控制指令,使衛(wèi)星保持在正確的運(yùn)行軌道。將正確的運(yùn)行軌跡編成星歷,注入衛(wèi)星,且經(jīng)由衛(wèi)星發(fā)送給GPS接收機(jī)。正確接收每個(gè)衛(wèi)星的星歷,就可確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置。
這個(gè)問(wèn)題解決了,接下來(lái)就要解決準(zhǔn)確測(cè)定地球上某用戶至衛(wèi)星的距離。衛(wèi)星是遠(yuǎn)在地球上層空間,又是處在運(yùn)動(dòng)之中,我們不可能象在地上量東西那樣用尺子來(lái)量,那么又是如何來(lái)做的呢?
如何測(cè)定衛(wèi)星至用戶的距離
我們過(guò)去都學(xué)過(guò)這樣的公式:時(shí)間X速度=距離。我們也從物理學(xué)中知道,電波傳播的速度是每秒鐘三十萬(wàn)公里,所以我們只要知道衛(wèi)星信號(hào)傳到我們這里的時(shí)間,就能利用速度乘時(shí)間等于距離這個(gè)公式,來(lái)求得距離。所以,問(wèn)題就歸結(jié)為測(cè)定信號(hào)傳播的時(shí)間。
要準(zhǔn)確測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間,要解決兩方面的問(wèn)題。一個(gè)是時(shí)間基準(zhǔn)問(wèn)題。就是說(shuō)要有一個(gè)精確的時(shí)鐘。就好比我們?nèi)粘A恳粡堊雷拥拈L(zhǎng)度,要用一把尺子。假如尺子本身就不標(biāo)準(zhǔn),那量出來(lái)的長(zhǎng)度就不準(zhǔn)。另一個(gè)就是要解決測(cè)量的方法問(wèn)題。
時(shí)間基準(zhǔn)問(wèn)題
GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有十分精密的原子鐘,并由監(jiān)測(cè)站經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息,同時(shí)也發(fā)送精確時(shí)間信息。GPS接收機(jī)接收此信息,使與自身的時(shí)鐘同步,就可獲得準(zhǔn)確的時(shí)間。所以,GPS接收機(jī)除了能準(zhǔn)確定位之外,還可產(chǎn)生精確的時(shí)間信息。
測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)傳輸時(shí)間的方法
為了避免采用過(guò)多的技術(shù)術(shù)語(yǔ),我們先作一個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋扔?。我們?cè)谒幍牡攸c(diǎn)和衛(wèi)星上同時(shí)啟動(dòng)錄音機(jī)來(lái)播放“東方紅”樂(lè)曲,那么,我們應(yīng)該能聽(tīng)到一先一后兩支“東方紅”的曲子(實(shí)際上,衛(wèi)星上播放的曲子,我們不可能聽(tīng)見(jiàn),只是假想能夠聽(tīng)到),但一定是不合拍的。為了使兩者合拍,我們延遲啟動(dòng)地上錄音機(jī)的時(shí)間。當(dāng)我們聽(tīng)到兩支曲子合拍時(shí),啟動(dòng)錄音機(jī)所延遲的時(shí)間就等于曲子從衛(wèi)星傳送到地上的時(shí)間。當(dāng)然,電波比聲波速度高得多,電波也不能用耳朵來(lái)接收。所以,實(shí)際上我們播送的不是“東方紅”樂(lè)曲,而是一段叫做偽隨機(jī)碼的二進(jìn)制電碼。延遲GPS接收機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼,使與接收到衛(wèi)星傳來(lái)的碼字同步,測(cè)得的延遲時(shí)間就是衛(wèi)星信號(hào)傳到GPS接收機(jī)的時(shí)間。至此,我們也就解決了測(cè)定衛(wèi)星至用戶的距離。當(dāng)然,上面說(shuō)的都還是十分理想的情況。實(shí)際情況比上面說(shuō)的要復(fù)雜得多,所以我們還要采取一些對(duì)策。例如:電波傳播的速度,并不總是一個(gè)常數(shù)。在通過(guò)電離層中電離子和對(duì)流層中水氣的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生一定的延遲。
一般我們這可以根據(jù)監(jiān)測(cè)站收集的氣象數(shù)據(jù),再利用典型的電離層和對(duì)流層模型來(lái)進(jìn)行修正。還有,在電波傳送到接收機(jī)天線之前,還會(huì)產(chǎn)生由于各種障礙物與地面折射和反射產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。這在設(shè)計(jì)GPS接收機(jī)時(shí),要采取相應(yīng)措施。當(dāng)然,這要以提高GPS接收機(jī)的成本為代價(jià)。原子鐘雖然十分精確,但也不是一點(diǎn)誤差也沒(méi)有。GPS接收機(jī)中的時(shí)鐘,不可能象在衛(wèi)星上那樣,設(shè)置昂貴的原子鐘,所以就利用測(cè)定第四顆衛(wèi)星,來(lái)校準(zhǔn)GPS接收機(jī)的時(shí)鐘。我們前面提到,每測(cè)量三顆衛(wèi)星可以定位一個(gè)點(diǎn)。利用第四顆衛(wèi)星和前面三顆衛(wèi)星的組合,可以測(cè)得另一些點(diǎn)。理想情況下,所有測(cè)得的點(diǎn),都應(yīng)該重合。但實(shí)際上,并不*重合。利用這一點(diǎn),反過(guò)來(lái)可以校準(zhǔn)GPS接收機(jī)的時(shí)鐘。測(cè)定距離時(shí)選用衛(wèi)星的相互幾何位置,對(duì)測(cè)定的誤差也不同。為了精確的定位,可以多測(cè)一些衛(wèi)星,選取幾何位置相距較遠(yuǎn)的衛(wèi)星組合,測(cè)得誤差要小。在我們提到測(cè)量誤差時(shí),還有一點(diǎn)要提到,就是美國(guó)的SA政策。美國(guó)政府在GPS設(shè)計(jì)中,計(jì)劃提供兩種服務(wù)。一種為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS),利用粗碼(C/A)定位,精度約為100m,提供給民用。另一種為精密定位服務(wù)(PPS),利用精碼(P碼)定位,精度達(dá)到10m,提供給和特許民間用戶使用。由于多次試驗(yàn)表明,SPS的定位精度已高于原設(shè)計(jì),美國(guó)政府出于對(duì)自身安全的考慮,對(duì)民用碼進(jìn)行了一種稱為“選擇可用性SA(Selective Availability)”的干擾,以確保其系統(tǒng)具有的有效性。由于SA通過(guò)衛(wèi)星在導(dǎo)航電文中隨機(jī)加入了誤差信息,使得民用信號(hào)C/A碼的定位精度降至二維均方根誤差在100米左右。
采用差分GPS技術(shù)(DGPS),可消除以上所提到大部分誤差,以及由于SA所造成的干擾,從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位的總體精度,使系統(tǒng)誤差達(dá)到10到15米之內(nèi)。
GPS技術(shù)的錯(cuò)差
在GPS定位過(guò)程中,存在三部分誤差。一部分是對(duì)每一個(gè)用戶接收機(jī)所共有的,例如:衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差等;第二部分為不能由用戶測(cè)量或由校正模型來(lái)計(jì)算的傳播延遲誤差;第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差,例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。利用差分技術(shù)部分誤差可*消除,第二部分誤差大部分可以消除,這和基準(zhǔn)接收機(jī)至用戶接收機(jī)的距離有關(guān)。第三部分誤差則無(wú)法消除,只能靠提高GPS接收機(jī)本身的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)美國(guó)SA政策帶來(lái)的誤差,實(shí)質(zhì)上它是人為地增大前兩部分誤差,所以差分技術(shù)也相應(yīng)克服SA政策帶來(lái)的影響。
差分GPS技術(shù)消除公共誤差原理
假如在距離用戶500公里之內(nèi),設(shè)置一部基準(zhǔn)接收機(jī)。它和用戶接收機(jī)同時(shí)接收某一衛(wèi)星的信號(hào),那么我們可以認(rèn)為信號(hào)傳至兩部接收機(jī)所途經(jīng)電離層和對(duì)流層的情況基本是相同,故所產(chǎn)生的延遲也相同。由于接收同一顆衛(wèi)星,故星歷誤差、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差也相同。若我們通過(guò)其它方法確知所處的三維座標(biāo)(也可以用精度很高的GPS接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),其價(jià)格比一般GPS接收機(jī)高得多),那就可從測(cè)得偽距中,推算其中的誤差。將此誤差數(shù)據(jù)傳送給用戶,用戶就可從測(cè)量所得的偽距中扣除誤差,就能達(dá)到更精確的定位。
問(wèn):常用的GPS應(yīng)用于哪些領(lǐng)域?
答:最近幾年,越來(lái)越多普通消費(fèi)者買得起的GPS接收器出現(xiàn)了。隨著技術(shù)的進(jìn)步,這些設(shè)備的功能越來(lái)越*,幾乎每月都有新的功能出現(xiàn),但價(jià)格在下跌,尺寸也越來(lái)越小了。兩三年前GPS設(shè)備還像藝術(shù)品一樣令人望而卻步,而現(xiàn)在消費(fèi)者終于可以擁有一款夢(mèng)想已久的GPS接收器了,還帶有以前做夢(mèng)也想不到的很多*的功能。
消費(fèi)類GPS手持機(jī)的價(jià)格從幾百元到幾千元不等,它們基本上都有12個(gè)并行通道和數(shù)據(jù)功能。有些甚至能與便攜電腦相連,可以上傳/下載GPS信息,并且使用精確到街道級(jí)的地圖軟件,可以在PC的屏幕上實(shí)時(shí)跟蹤你的位置或自動(dòng)導(dǎo)航。
GPS應(yīng)用于導(dǎo)航
主要是為船舶,汽車,飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。例如:
GPS應(yīng)用于授時(shí)校頻
GPS應(yīng)用于高精度測(cè)量
GIS應(yīng)用
我國(guó)的GPS應(yīng)用發(fā)展勢(shì)頭迅猛,短短幾年,GPS在我國(guó)的應(yīng)用已從少數(shù)科研單位和部門迅速擴(kuò)展到各個(gè)民用領(lǐng)域。
下面介紹一些現(xiàn)在的GPS接收器。
1、汽車導(dǎo)航儀
計(jì)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(dòng)辦公已風(fēng)靡,并逐漸成為現(xiàn)代社會(huì)中*的部分。在日本、美國(guó)等國(guó)家,為了方便用戶,很多汽車制造商在車輛出廠時(shí)就裝配了導(dǎo)航和移動(dòng)辦公設(shè)備。在我國(guó),類似產(chǎn)品的研制工作剛剛起步。
汽車導(dǎo)航儀是集計(jì)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(hào)為車輛提供全天候、全時(shí)域位置信息,并可以在屏幕上顯示當(dāng)時(shí)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(guò)的路線,以便再次查詢。通過(guò)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(duì)未來(lái)旅途的預(yù)測(cè),當(dāng)發(fā)現(xiàn)了一些原地圖中沒(méi)有的道路,可以通過(guò)“記錄新路”來(lái)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(jì)而成的,體積小巧、攜帶方便、獨(dú)立使用的全天候?qū)崟r(shí)定位導(dǎo)航設(shè)備。好的手持機(jī)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。圖2是一款陸用型GPS手持機(jī)。陸用型一般沒(méi)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(dòng)生成路線。內(nèi)置天線使得機(jī)型小巧,它是應(yīng)用的GPS設(shè)備;空用型提供空域圖和地域圖,靈敏度*,適用于在高速行進(jìn)的飛機(jī)中定位;海用型內(nèi)置海圖,超大屏幕,提供可固定在船體上的配套支架和天線。
隨著科技的不斷進(jìn)步,GPS接收機(jī)制作得越來(lái)越精致,右面是款卡西歐手表式GPS,是日本卡西歐公司在2000年9月發(fā)布的GPS產(chǎn)品“Satellite Navi PRT-2GP”,這款產(chǎn)品僅重84克,可以通過(guò)GPS衛(wèi)星來(lái)準(zhǔn)確定位佩帶者的位置,也可以與計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
問(wèn):GPS的常用術(shù)語(yǔ)有哪些?
如果你準(zhǔn)備擁有一臺(tái)GPS接收機(jī),了解下面的常識(shí)非常必要。
常用術(shù)語(yǔ)
1、坐標(biāo)
描述你的位置的一組數(shù)值,一般有緯度(北或南)和經(jīng)度(東或西)。UTM坐標(biāo)系以米為單位測(cè)量你離赤道(北或南)和本初子午線(東或西)的距離。另外一個(gè)坐標(biāo)系MGPS(Military Grid Reference Sy stem)也基于UTM,但是把UTM坐標(biāo)分隔得更細(xì)了,它只用在的GPS接收器上。
2、2維和3維坐標(biāo)
你的平面位置,例如經(jīng)度和緯度,稱做2維坐標(biāo),至少需要3顆GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)來(lái)定位2維坐標(biāo)。如果因?yàn)闃?shù)木、山峰或建筑物擋住了衛(wèi)星,你可能只能得到2維坐標(biāo)。 緯度、經(jīng)度和速度稱為3維坐標(biāo),確定它需要至少4顆衛(wèi)星。幾乎所有GPS接收器都以提供3維坐標(biāo)做為標(biāo)準(zhǔn)。
3、路旁標(biāo)記和航路點(diǎn)
你可以把一個(gè)位置存儲(chǔ)為一個(gè)路旁標(biāo)記(landmark)或航路點(diǎn)(waypoint)。它可以是你途中定位的一個(gè)位置,也可能是你輸入的一個(gè)坐標(biāo)或其他位置,例如目的地。GPS設(shè)備會(huì)給它一個(gè)名稱,例如LMKOZ,你也可以用一個(gè)容易記住的名稱重新命名。
4、位置
當(dāng)你的接收器根據(jù)GPS衛(wèi)星的信息標(biāo)出了你的坐標(biāo)后,它會(huì)確定你的位置。許多GPS設(shè)備允許你選擇標(biāo)記或存儲(chǔ)你的現(xiàn)在位置做為路旁標(biāo)記或航路點(diǎn)。一些甚至允許你為位置命名或添加一個(gè)圖標(biāo)。
5、路線
路線包括開(kāi)始位置和目的地,同時(shí)也有途徑的地點(diǎn)。一條路線上的兩點(diǎn)之間稱為航段。一條路線可由一個(gè)或若干個(gè)航段組成。如果你徒步旅行,你可以輸入一條路線,其中包括方向、計(jì)劃休息的地點(diǎn)或宿營(yíng)地,還有你的目的地。有一些GPS 設(shè)備允許你反向跟蹤路線或設(shè)置逆向路線。
路線主要有兩種用途:
6、高度
如果有足夠的GPS衛(wèi)星可見(jiàn),一些GPS設(shè)備可提供高度信息(海拔)。由于GPS系統(tǒng)本身的特點(diǎn),高度不如平面坐標(biāo)那么精確。
7、航向:這是反映沿水平方向GPS接收器移動(dòng)的方向,并不需要你把GPS接收器確切地指向這個(gè)方向。在你移動(dòng)時(shí)可以看到這個(gè)值,航向的值是按0~359度順時(shí)針?lè)较蚍植嫉?,和指南針的值相?duì)應(yīng)。
8、方位角
如果你選定了一個(gè)路旁標(biāo)志或航路點(diǎn),想知道從你現(xiàn)在所處位置到它的方向,你就需要知道方位角的值。它是從北方向算起沿順時(shí)針?lè)植嫉闹?。如果到你的目的地的方位角?70度,而你的移動(dòng)方向是240度,你的航線就和目的地有30 度的偏差。如果你是在坐火車,這可能沒(méi)關(guān)系,但如果這個(gè)偏差值很大,你需要查看一下地圖,說(shuō)不定你的路線錯(cuò)了。
操作要點(diǎn)
大部分GPS接收器是很容易安裝和使用的,用戶手冊(cè)可幫你快速學(xué)會(huì)怎樣裝電池、確定初始位置或輸入一個(gè)位置等。
當(dāng)你在一個(gè)新的地點(diǎn)開(kāi)啟GPS接收器時(shí),如果輸入一個(gè)估計(jì)的大概位置(例如鄰近的大城市的坐標(biāo))將有助于你的設(shè)備快速得出衛(wèi)星所在位置,從而快速定位。如果設(shè)備是冷啟動(dòng)的,或者你不在你次存貯位置的附近,一般可能需要15分鐘定位;但是,如果你給它一點(diǎn)提示,或者你在上一次存貯位置的附近,一般需要3~5分種定位。
向GPS接收器中輸入數(shù)據(jù)的方式因設(shè)備而異,有些是用菜單結(jié)合上、下箭頭選擇的,有些設(shè)備則像使用電話機(jī)的鍵盤一樣簡(jiǎn)單。
常見(jiàn)功能
大多數(shù)GPS設(shè)備的面板上都有一些按鈕,引導(dǎo)你到不同的操作選項(xiàng)。也許它們的名稱不太一樣,但功能都是類似的。它們可能是讓你瀏覽一個(gè)導(dǎo)航畫面、查看可用的衛(wèi)星信號(hào),檢查位置目錄、清單或者到選定目標(biāo)的方向。最主要的功能就是顯示你的位置,包括當(dāng)前坐標(biāo)、海拔和時(shí)間,如果選定了目的地或路線,它還指示通往目的地的方向。其他常用的功能有導(dǎo)航、菜單、衛(wèi)星狀態(tài)、路旁標(biāo)志或航路點(diǎn)清單/路線清單、設(shè)置選項(xiàng)、距離、偏航、上次定位地點(diǎn)、日出/日落時(shí)間等。
結(jié)合地圖使用不同的地圖使用不同的坐標(biāo)系,美國(guó)地理的兩種地圖是:
1、LAT/LONG矢量地圖:包括經(jīng)度、緯度、分和秒;
2、UTM柵格地圖,以米為單位。 LAT/LONG是我們最熟悉的形式,地球從赤道到極點(diǎn)的位置被等分為0~90度的北緯或南緯(地球儀上的平行線),而地球從東向西等分為從0~360度的經(jīng)度(地球儀上的弧線),通過(guò)英國(guó)格林威治的線,稱為本初子午線。用這種坐標(biāo)人工計(jì)算出兩點(diǎn)之間的距離是很難的,因?yàn)槲覀兩娴牡厍蚴菣E圓的。
UTM坐標(biāo)是那些需要精確距離信息的地圖使用這個(gè)坐標(biāo)系選擇一條子午線,標(biāo)明你在它東面或西面多少米,還有你在赤道南面或北面多少米。
大部分GPS設(shè)備在設(shè)置時(shí)允許你選擇LAT/LONG或UTM或其他坐標(biāo)系作為你的坐標(biāo)系,當(dāng)你有了你所在位置的坐標(biāo),你可以在地圖上查找,從而得知你所在位置的確切地址。當(dāng)你在地圖上找到了目的地時(shí),你可以輸入它們的坐標(biāo)到你的GPS接收器中以形成一條路線??梢岳猛该鞯乃芰铣咦釉赥OPO地圖或UTM地圖上測(cè)量,這樣更容易估計(jì)一個(gè)位置的坐標(biāo),一些GPS設(shè)備有這樣的功能:你可以測(cè)量一個(gè)位置到地圖右下角的距離,然后用地圖名和刻度為這個(gè)位置命名。
性能指標(biāo)
1、衛(wèi)星軌跡 這里有24顆GPS衛(wèi)星沿六條軌道繞地球運(yùn)行(每四顆一組),一般不會(huì)有超過(guò)12個(gè)衛(wèi)星在地球的同一邊,大多數(shù)GPS接收器可以追蹤8~12顆衛(wèi)星。計(jì)算LAT/LONG(2維)坐標(biāo)至少需要3顆衛(wèi)星。再加一顆就可以計(jì)算3維坐標(biāo)。對(duì)于一個(gè)給定的位置,GPS接收器知道在此時(shí)哪些衛(wèi)星在附近,因?yàn)樗煌5亟邮諒男l(wèi)星發(fā)來(lái)的更新信號(hào)。
2、并行通道
一些消費(fèi)類GPS設(shè)備有2~5條并行通道接收衛(wèi)星信號(hào)。因?yàn)樽疃嗫赡苡?2顆衛(wèi)星是可見(jiàn)的(平均值是8),這意味著GPS接收器必須按順序訪問(wèn)每一顆衛(wèi)星來(lái)獲取每顆衛(wèi)星的信息。
市面上的GPS接收器大多數(shù)是12并行通道型的,這允許它們連續(xù)追蹤每一顆衛(wèi)星的信息,12通道接收器的優(yōu)點(diǎn)包括快速冷啟動(dòng)和初始化衛(wèi)星的信息,而且在森林地區(qū)可以有更好的接收效果。一般12通道接收器不需要外置天線,除非你是在封閉的空間中,如船艙、車廂中。
3、定位時(shí)間
這是指你重啟動(dòng)你的GPS接收器時(shí),它確定現(xiàn)在位置所需的時(shí)間。對(duì)于12通道接收器,如果你在次定位位置的附近,冷啟動(dòng)時(shí)的定位時(shí)間一般為3~5分鐘,熱啟動(dòng)時(shí)為15~30秒,而對(duì)于2通道接收器,冷啟動(dòng)時(shí)大多超過(guò)15 分鐘,熱啟動(dòng)時(shí)為2~5分鐘。
4、定位精度
大多數(shù)GPS接收器的水平位置定位精度在20m~30m左右,但這只是在SA沒(méi)有開(kāi)啟的情況下,有些GPS接收器聲稱它們可以達(dá)到這個(gè)精度,但是往往有一個(gè)小小的標(biāo)簽附在后面:“在SA關(guān)閉時(shí)”。
你可能會(huì)發(fā)現(xiàn),大多數(shù)GPS生產(chǎn)商不怎么提及“高度”的精度,因?yàn)檫@是GPS設(shè)備中精度最沒(méi)有保證的方面。據(jù)我所知,幾乎所有的GPS設(shè)備(除非那些專為航海定制的在海拔為0的海平面上使用的設(shè)備)在4顆衛(wèi)星可見(jiàn)的情況下,可以定位高度,但是偏差可能達(dá)到3倍。
30m的精度意味著什么?這意味著,當(dāng)SA關(guān)閉時(shí),從統(tǒng)計(jì)的角度講,你的平面定位的位置距離你的實(shí)際位置在3 0m之內(nèi)的概率是95%。GPS接收器工作時(shí)是依靠衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)GPS接收器的時(shí)間來(lái)定位的(時(shí)間X光速=距離)。對(duì)于高度讀數(shù),這意味著精度在45~100m之間的概率是95%。
如果政府開(kāi)啟了SA(為了安全原因,而且?guī)缀跏撬袝r(shí)間都開(kāi)啟著),水平精度在100m之內(nèi)的概率是95%,高度在300m之內(nèi)的概率是95%,這可能比你期望值高很多,但不影響你找到想去的街道或那條河流。
5、DGPS功能
為了將SA和大氣層折射帶來(lái)的影響有一種叫做DGPS發(fā)送機(jī)的設(shè)備。它是一個(gè)固定的GPS接收器(在一個(gè)勘探現(xiàn)場(chǎng)100km~200km的半徑內(nèi)設(shè)置)接收衛(wèi)星的信號(hào),它確切地知道理論上衛(wèi)星信號(hào)傳送到的精確時(shí)間是多少,然后將它與實(shí)際傳送時(shí)間相比較,然后計(jì)算出“差”,這十分接近于SA和大氣層折射的影響,它將這個(gè)差值發(fā)送出去,其他GPS接收器就可以利用它得到一個(gè)更精確的位置讀數(shù)(5m~10m或者更少的誤差)。
許多GPS設(shè)備提供商在一些地區(qū)設(shè)置了DGPS發(fā)送機(jī),供它的客戶免費(fèi)使用,只要客戶所購(gòu)買的GPS接收器有 DGPS功能。
6、信號(hào)干擾
要給予你一個(gè)很好的定位,GPS接收器需要至少3~5顆衛(wèi)星是可見(jiàn)的。如果你在峽谷中或者兩邊高樓林立的街道上,或者在茂密的叢林里,你可能不能與足夠的衛(wèi)星聯(lián)系,從而無(wú)法定位或者只能得到二維坐標(biāo)。同樣,如果你在一個(gè)建筑里面,你可能無(wú)法更新你的位置,一些GPS接收器有單獨(dú)的天線可以貼在擋風(fēng)玻璃上,或者一個(gè)外置天線可以放在車頂上,這有助于你的接收器得到更多的衛(wèi)星信號(hào)。
7、物理指標(biāo)
選購(gòu)GPS設(shè)備時(shí),大小、重量、顯示畫面、防水、防震、防塵性能、耐高溫、耗電等物理指標(biāo)都要考慮在內(nèi)。
問(wèn):GPS是怎樣工作的?
答:前面介紹了GPS的工作原理,我們這里簡(jiǎn)單回顧一下GPS的工作情況,以加深我們的印象。 GPS技術(shù)的基礎(chǔ)是精確的時(shí)間和位置信息。每個(gè)衛(wèi)星裝有運(yùn)行七萬(wàn)年誤差在一秒之內(nèi)的精確的原子鐘,和存有精確的衛(wèi)星運(yùn)行軌跡。衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送時(shí)間和位置信息。衛(wèi)星發(fā)射兩個(gè)載波頻率的無(wú)線電信號(hào):L1=1575.42MHz,L2=1227.6MHz,在L1載波上調(diào)制有1.023MHz的偽隨機(jī)噪聲碼(稱為粗捕獲碼,又稱標(biāo)準(zhǔn)定位信號(hào)SPS或C/A碼)和10.23MHz的偽隨機(jī)噪聲碼(稱為精碼,又稱精確定位信號(hào)PPS或P碼),以及每秒50bit的導(dǎo)航電文。在L2載波上只調(diào)制有P碼和導(dǎo)航電文。使用P碼的導(dǎo)航精度高,僅供使用。
目前商品化的GPS接收機(jī)都使用C/A碼。衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)采用多星高軌測(cè)距體制,GPS接收機(jī)在同時(shí)接收到三顆以上衛(wèi)星的信號(hào)后,由三顆衛(wèi)星至用戶的三個(gè)等距離球面的相交即可確定用戶的位置。通過(guò)對(duì)四顆衛(wèi)星的觀測(cè)還可定時(shí),并由時(shí)鐘改正值來(lái)修正距離測(cè)量誤差。衛(wèi)星發(fā)射的L1載波和PRN(偽隨機(jī)噪聲)碼都與衛(wèi)星時(shí)鐘同步,經(jīng)過(guò)一定的傳播延遲后,被接收機(jī)接收。接收機(jī)將接收到的信號(hào)解調(diào),得到延遲后的偽隨機(jī)噪聲碼,它與接收機(jī)本身產(chǎn)生的偽隨機(jī)噪聲碼相比較,即可確定兩個(gè)碼之間的相對(duì)位移,即傳播延遲t。由傳播延遲t即可確定衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離R,R=Ct,C為光速。由于所測(cè)得的傳播中包含有衛(wèi)星時(shí)鐘偏差、用戶接收機(jī)時(shí)鐘偏差、信號(hào)傳播的附加延遲,因此所測(cè)得的距離有誤差,故稱偽距,對(duì)偽距進(jìn)行修正后即可得出接收機(jī)至衛(wèi)星的距離。
GPS導(dǎo)航示意圖
地面監(jiān)控部分包括有:五個(gè)監(jiān)測(cè)站、三個(gè)注入站和一個(gè)主控站。監(jiān)測(cè)站的任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)送至主控站。主控站對(duì)地面監(jiān)測(cè)站實(shí)行全面的控制。它的主要任務(wù)是收集各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘修正值,依次外推一天以上衛(wèi)星星歷及時(shí)鐘差,并按一定格式轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航電文,以便由上行注入站注入到衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中,當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí),把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星中。
GPS系統(tǒng)采用無(wú)源工作方式,凡是具有GPS接收設(shè)備的用戶都可使用此系統(tǒng)。用戶設(shè)備主要包括GPS接收機(jī)、解算處理器和控制監(jiān)視器。用戶接收天線接收到可視范圍內(nèi)三或四顆以上衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航信號(hào),信號(hào)經(jīng)接收機(jī)解擴(kuò)、解調(diào)處理,控制設(shè)備進(jìn)行信號(hào)和信息處理,從中提取衛(wèi)星星歷、距離及距離變化率、時(shí)鐘校正、大氣校正參量等,再用這些數(shù)據(jù)及其它一些數(shù)據(jù)解算出用戶在空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo),或轉(zhuǎn)換成用戶所需的地理坐標(biāo),并在顯示器上顯示。
信息標(biāo)題:中海達(dá)GPS詳細(xì)說(shuō)明
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