GPS全球卫星定位系统

tag:blogger.com,1999:blog-6826365660296744271.post-15838313334836523642008-07-04T08:13:00.000+08:002008-07-04T08:14:00.737+08:00GPS全球卫星定位系统1、什么是GPS全球卫星定位系统 GPS它的英文全名是"Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Position System"，其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”，缩写为NAVSTAR/GPS，简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统。它是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机以后第三大航天工程。它是在子午仪卫星系统的基础上发展起来的，这个系统从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。 GPS全球卫星定位导航系统，开始时只用于军事目的，现在也广泛应用于商业和科学研究上。其具有全能性（海洋、陆地、航空和航天）、全球性、全天候、连续性、和实时性的导航、定位、和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维位置、三维速度，并给出精确的卫星时间基准。因此被认为是当前定位导航授时设备中最重要的发展。 2、GPS的构成及特点 全球定位系统的精度能尽管拥有高精度的原子钟，定位过程中仍旧潜伏着一些误差。Selective Availability ( SA)是美国国防部为非军方GPS用户提供的程序，出于安全方面的考虑，它把定位精度略微降低了一些。当SA起作用时，你的定位的精度在50m～100m 之间。即使没有SA，其他一些误差也是要考虑的。最明显的误差是由于地球电离层的变化引起的，它们对GPS的无线电波的速度有影响。另外一个引起误差的原因是大气中的水蒸汽。不过这些误差都是极小的。GPS的精度可通过DGPS功能来提高，它是指你的接收器可以接收邻近的GPS接收器的信号的功。 GPS的全球定位系统由三部分构成：(1)地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成；(2)空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；(3)用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。 GPS空间部分使用了二十四颗卫星组成的星座，卫星高度约20200公里，分布在六条升交点互隔60度的轨道面上，卫星轨道倾角为55度，每条轨道上均匀分布四颗卫星，相邻两轨道上的卫星相隔40度，使得地球任何地方至少同时可看到四颗卫星。 全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。 3、全球定位系统GPS的用途 GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。 GPS也在商业领域大显身手，消费类GPS主要用在勘测制图，航空、航海导航，车辆追踪系统，移动计算机和蜂窝电话平台等方面。 勘测制图由一系列的定位系统组成，一般都要求特殊的GPS设备。在勘测方面的应用有：结构和工程勘测、道路测量和地质研究。收集到的数据可以以后再估算，也可以在野外实时使用。制图过程中使用大量的GIS数据库的数据，还有纸质地图的数据。许多商业和政府机构使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。 最近几年，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌，尺寸也越来越小了。两三年前GPS设备还像艺术品一样令人望而却步，而现在消费者终于可以拥有一款梦想已久的GPS接收器了，还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能。 消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有12个并行通道和数据功能。有些甚至能与便携电脑相连，可以上传/下载GPS信息，并且使用精确到街道级的地图软件，可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。 4、常用的GPS接收器 1）汽车导航仪 计算机和通信的发展使人们的生活更加快捷、轻松，汽车导航和移动办公已风靡全球，并逐渐成为现代社会中不可缺少的部分。在日本、美国等国家，为了方便用户，很多汽车制造商在车辆出厂时就装配了导航和移动办公设备。在我国，类似产品的研制工作刚刚起步。 汽车导航仪是集计算机、通信导航、地图信息为一体的高科技产品，通常它都具备笔记本PC的基本功能，可以方便地驳接网络、发送传真和数据通信；并且内置 GPS接收器，提供GPS天线接口，装载定位导航软件，利用接收到的GPS卫星信号为车辆提供全天候、全时域位置信息，并可以在屏幕上显示当时车辆运行情况。用户可以预先自定义行进路线、路旁标记和航路点，保存预先设定的路线或已走过的路线，以便再次查询。通过查询电子地图，用户能了解某地区的地理环境和交通状况，增加对未来旅途的预测，当发现了一些原地图中没有的道路，可以通过“记录新路”来更新地图。 2）GPS手持机 GPS手持机是利用GPS基本原理设计而成的，体积小巧、携带方便、独立使用的全天候实时定位导航设备。好的手持机必备的条件是：灵敏度高，存贮量大，外部接口齐全。 GPS手持机按用途可分为陆用型、空用型、海用型。图2是一款陆用型GPS手持机。陆用型一般没有内置地图，主要利用航路点记录，选择相应航路点可自动生成路线。内置天线使得机型小巧，它是应用最广的GPS设备；空用型提供全球空域图和地域图，灵敏度极高，适用于在高速行进的飞机中定位；海用型内置全球海图，超大屏幕，提供可固定在船体上的配套支架和天线。 5、GPS接收器的知识 1）坐标 描述你的位置的一组数值，一般有纬度（北或南）和经度（东或西）。UTM坐标系以米为单位测量你离赤道（北或南）和本初子午线（东或西）的距离。另外一个坐标系MGPS （Military Grid Reference By Stem）也基于UTM，但是把UTM坐标分隔得更细了，它只用在军用的GPS接收器上。 2）2维和3维坐标 你的平面位置，例如经度和纬度，称做2维坐标，至少需要3颗GPS卫星的数据来定位2维坐标。如果因为树木、山峰或建筑物挡住了卫星，你可能只能得到2维坐标。纬度、经度和速度称为3维坐标，确定它需要至少4颗卫星。几乎所有GPS接收器都以提供3维坐标做为标准。 3）路旁标记和航路点 你可以把一个位置存储为一个路旁标记（landmark）或航路点（waypoint）。它可以是你途中定位的一个位置，也可能是你输入的一个坐标或其他位置，例如目的地。GPS设备会给它一个名称，例如LMKOZ，你也可以用一个容易记住的名称重新命名。 4）位置 当你的接收器根据GPS卫星的信息标出了你的坐标后，它会确定你的位置。许多GPS设备允许你选择标记或存储你的现在位置做为路旁标记或航路点。一些甚至允许你为位置命名或添加一个图标。 5）路线 路线包括开始位置和目的地，同时也有途径的地点。一条路线上的两点之间称为航段。一条路线可由一个或若干个航段组成。如果你徒步旅行，你可以输入一条路线，其中包括方向、计划休息的地点或宿营地，还有你的目的地。有一些GPS 设备允许你反向跟踪路线或设置逆向路线。 路线主要有两种用途： (1)如果你去探险或旅行，你可以从高速路地图或一些地图软件中获取地点的坐标。这在以后的旅行中很有用。一些 GPS接收器允许在计算机上设计你的旅线，然后把它载入你的GPS接收器； (2)如果你拿着GPS接收器旅行时记录下你走过的地点，回家后可以复制或者下载你的路线并且找出最有价值的景点的位置，或者最适合钓鱼的地点，或者你看见一只珍稀小鸟的地点，或者你在恶劣天气藏身的岩洞位置。如果有队员受伤了，救援队就可以根据确切的坐标找到伤员所在的地方。搜索救援人员可以下载完整的路线来知道探险队所在的位置。 6）高度 如果有足够的GPS卫星可见，一些GPS设备可提供高度信息（海拔）。由于GPS系统本身的特点，高度不如平面坐标那么精确。 7）航向 这是反映沿水平方向GPS接收器移动的方向，并不需要你把GPS接收器确切地指向这个方向。在你移动时可以看到这个值，航向的值是按0～359度顺时针方向分布的，和指南针的值相对应。 8）方位角 如果你选定了一个路旁标志或航路点，想知道从你现在所处位置到它的方向，你就需要知道方位角的值。它是从北方向算起沿顺时针分布的值。如果到你的目的地的方位角是270度，而你的移动方向是240度，你的航线就和目的地有30 度的偏差。如果你是在坐火车，这可能没关系，但如果这个偏差值很大，你需要查看一下地图，说不定你的路线错了。 9）操作要点 大部分GPS接收器是很容易安装和使用的，用户手册可帮你快速学会怎样装电池、确定初始位置或输入一个位置等。 当你在一个新的地点首次开启GPS接收器时，如果输入一个估计的大概位置（例如邻近的大城市的坐标）将有助于你的设备快速得出卫星所在位置，从而快速定位。如果设备是冷启动的，或者你不在你最后一次存贮位置的附近，一般可能需要15分钟定位；但是，如果你给它一点提示，或者你在上一次存贮位置的附近，一般需要3～5分种定位。 向GPS接收器中输入数据的方式因设备而异，有些是用菜单结合上、下箭头选择的，有些设备则像使用电话机的键盘一样简单。 10）常见功能 大多数GPS设备的面板上都有一些按钮，引导你到不同的操作选项。也许它们的名称不太一样，但功能都是类似的。它们可能是让你浏览一个导航画面、查看可用的卫星信号，检查位置目录、清单或者到选定目标的方向。最主要的功能就是显示你的位置，包括当前坐标、海拔和时间，如果选定了目的地或路线，它还指示通往目的地的方向。其他常用的功能有导航、菜单、卫星状态、路旁标志或航路点清单/路线清单、设置选项、距离、偏航、上次定位地点、日出/日落时间等。结合地图使用不同的地图使用不同的坐标系，美国地理最常用的两种地图是： 1. LAT/LONG矢量地图：包括经度、纬度、分和秒； 2. UTM栅格地图，以米为单位。 LAT/LONG是我们最熟悉的形式，地球从赤道到极点的位置被等分为0～90度的北纬或南纬（地球仪上的平行线），而地球从东向西等分为从0～360度的经度（地球仪上的弧线），通过英国格林威治的线，称为本初子午线。用这种坐标人工计算出两点之间的距离是很难的，因为我们生存的地球是椭圆的。 UTM坐标是那些需要精确距离信息的地图使用者的首选。这个坐标系选择一条子午线，标明你在它东面或西面多少米，还有你在赤道南面或北面多少米。 大部分GPS设备在设置时允许你选择LAT/LONG或UTM或其他坐标系作为你的坐标系，当你有了你所在位置的坐标，你可以在地图上查找，从而得知你所在位置的确切地址。当你在地图上找到了目的地时，你可以输入它们的坐标到你的GPS接收器中以形成一条路线。可以利用透明的塑料尺子在TOPO地图或 UTM地图上测量，这样更容易估计一个位置的坐标，一些GPS设备有这样的功能：你可以测量一个位置到地图右下角的距离，然后用地图名和刻度为这个位置命名。 6、GPS接收器的性能指标 1）卫星轨迹 这里有24颗GPS卫星沿六条轨道绕地球运行（每四颗一组），一般不会有超过12个卫星在地球的同一边，大多数GPS接收器可以追踪8～12颗卫星。计算 LAT/LONG（2维）坐标至少需要3颗卫星。再加一颗就可以计算3维坐标。对于一个给定的位置，GPS接收器知道在此时哪些卫星在附近，因为它不停地接收从卫星发来的更新信号。 2）并行通道 一些消费类GPS设备有2～5条并行通道接收卫星信号。因为最多可能有12颗卫星是可见的（平均值是8），这意味着GPS接收器必须按顺序访问每一颗卫星来获取每颗卫星的信息。 市面上的GPS接收器大多数是12并行通道型的，这允许它们连续追踪每一颗卫星的信息，12通道接收器的优点包括快速冷启动和初始化卫星的信息，而且在森林地区可以有更好的接收效果。一般12通道接收器不需要外置天线，除非你是在封闭的空间中，如船舱、车厢中。 3）定位时间 这是指你重启动你的GPS接收器时，它确定现在位置所需的时间。对于12通道接收器，如果你在最后一次定位位置的附近，冷启动时的定位时间一般为3～5分钟，热启动时为15～30秒，而对于2通道接收器，冷启动时大多超过15 分钟，热启动时为2～5分钟。 4）定位精度 大多数GPS接收器的水平位置定位精度在20m～30m左右，但这只是在SA没有开启的情况下，有些GPS接收器声称它们可以达到这个精度，但是往往有一个小小的标签附在后面：“在SA关闭时”。 你可能会发现，大多数GPS生产商不怎么提及“高度”的精度，因为这是GPS设备中精度最没有保证的方面。据我所知，几乎所有的GPS设备（除非那些专为航海定制的在海拔为0m的海平面上使用的设备）在4颗卫星可见的情况下，可以定位高度，但是偏差可能达到3倍。30m的精度意味着什么？这意味着，当SA 关闭时，从统计的角度讲，你的平面定位的位置距离你的实际位置在30m之内的概率是95%。GPS接收器工作时是依靠卫星信号到达GPS接收器的时间来定位的（时间X光速=距离）。对于高度读数，这意味着精度在45～100m之间的概率是95%。 如果政府开启了SA（为了安全原因，而且几乎是所有时间都开启着），水平精度在100m之内的概率是95%，高度在300m之内的概率是95%，这可能比你期望值高很多，但不影响你找到想去的街道或那条河流。 5）DGPS功能 为了将SA和大气层折射带来的影响降为最低，有一种叫做DGPS发送机的设备。它是一个固定的GPS接收器（在一个勘探现场100km～200km的半径内设置）接收卫星的信号，它确切地知道理论上卫星信号传送到的精确时间是多少，然后将它与实际传送时间相比较，然后计算出“差”，这十分接近于SA和大气层折射的影响，它将这个差值发送出去，其他GPS接收器就可以利用它得到一个更精确的位置读数（5m～10m或者更少的误差）。 许多GPS设备提供商在一些地区设置了DGPS发送机，供它的客户免费使用，只要客户所购买的GPS接收器有 DGPS功能。 6）信号干扰 要给予你一个很好的定位，GPS接收器需要至少3～5颗卫星是可见的。如果你在峡谷中或者两边高楼林立的街道上，或者在茂密的丛林里，你可能不能与足够的卫星联系，从而无法定位或者只能得到二维坐标。同样，如果你在一个建筑里面，你可能无法更新你的位置，一些GPS接收器有单独的天线可以贴在挡风玻璃上，或者一个外置天线可以放在车顶上，这有助于你的接收器得到更多的卫星信号。 7）物理指标 选购GPS设备时，大小、重量、显示画面、防水、防震、防尘性能、耐高温、耗电等物理指标都要考虑在内。Masterhttp://www.blogger.com/profile/08647872079300484676noreply@blogger.com0