GPS的工作原理是？

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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)。GPS導(dǎo)航示意圖　　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�！　∵@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)谋扔鳌Ｎ覀冊(cè)谒�處的地點(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，并不完全重合。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，提供給軍方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，以確保其軍用系統(tǒng)具有最佳的有效性。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)第一部分誤差可完全消除，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。GPS數(shù)據(jù)處理軟件是GPS用戶系統(tǒng)的重要部分，其主要功能是對(duì)GPS接收機(jī)獲取的衛(wèi)星測(cè)量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行“粗加工”、“預(yù)處理”，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及分析綜合處理。解得測(cè)站的三維坐標(biāo)，測(cè)體的坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)速度、方向及精確時(shí)刻。 　　GPS定位技術(shù)是正在發(fā)展中的高新技術(shù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)也處在不斷更新之中，各系列GPS接收機(jī)制造廠家研制的處理軟件也各具特色。 全球定位系統(tǒng)GPS是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的最具有開(kāi)創(chuàng)意義的高新技術(shù)之一，其全球性、全能性、全天候性的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速優(yōu)勢(shì)必然會(huì)在諸多領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國(guó)家，GPS技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于交通運(yùn)輸和道路工程之中。目前，GPS技術(shù)在我國(guó)道路工程和交通管理中的應(yīng)用還剛剛起步，相信隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高等級(jí)公路的快速修建和GPS技術(shù)應(yīng)用研究的逐步深入，其在道路工程中的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用。 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與電子地圖、無(wú)線電通信網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)車輛管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)車輛跟蹤和交通管理等許多功能，這些功能包括： 車輛跟蹤 　　利用GPS和電子地圖可以實(shí)時(shí)顯示出車輛的實(shí)際位置，并任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標(biāo)移動(dòng)，使目標(biāo)始終保持在屏幕上；還可實(shí)現(xiàn)多窗口、多車輛、多屏幕同時(shí)跟蹤。利用該功能可對(duì)重要車輛和貨物進(jìn)行跟蹤運(yùn)輸。 提供出行路線規(guī)劃和導(dǎo)航 　　提供出行路線規(guī)劃是汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)重要輔助功能，它包括自動(dòng)線路規(guī)劃和人工線路設(shè)計(jì)。自動(dòng)線路規(guī)劃是由駕駛者確定起點(diǎn)和目的地，由計(jì)算機(jī)軟件按要求自動(dòng)設(shè)計(jì)最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡(jiǎn)單的路線、通過(guò)高速公路路段次數(shù)最少的路線等的計(jì)算。人工線路設(shè)計(jì)是由駕駛者根據(jù)自己的目的地設(shè)計(jì)起點(diǎn)、終點(diǎn)和途經(jīng)點(diǎn)等，自動(dòng)建立線路庫(kù)。線路規(guī)劃完畢后，顯示器能夠在電子地圖上顯示設(shè)計(jì)線路，并同時(shí)顯示汽車運(yùn)行路徑和運(yùn)行方法。 信息查詢 　　為用戶提供主要物標(biāo)，如旅游景點(diǎn)、賓館、醫(yī)院等數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶能夠在電子地圖上根據(jù)需要進(jìn)行查詢。查詢資料可以文字、語(yǔ)言及圖象的形式顯示，并在電子地圖上顯示其位置。同時(shí)，監(jiān)測(cè)中心可以利用監(jiān)測(cè)控制臺(tái)對(duì)區(qū)域內(nèi)的任意目標(biāo)所在位置進(jìn)行查詢，車輛信息將以數(shù)字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來(lái)。 （4）話務(wù)指揮 　　指揮中心可以監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)車輛運(yùn)行狀況，對(duì)被監(jiān)控車輛進(jìn)行合理調(diào)度。指揮中心也可隨時(shí)與被跟蹤目標(biāo)通話，實(shí)行管理。 （5）緊急援助 　　通過(guò)GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對(duì)遇有險(xiǎn)情或發(fā)生事故的車輛進(jìn)行緊急援助。監(jiān)控臺(tái)的電子地圖顯示求助信息和報(bào)警目標(biāo)，規(guī)劃最優(yōu)援助方案，并以報(bào)警聲光提醒值班人員進(jìn)行應(yīng)急處理。 　　GPS技術(shù)在汽車導(dǎo)航和交通管理工程中的研究與應(yīng)用目前在中國(guó)剛剛起步，而國(guó)外在這方面的研究早已開(kāi)始并已取得了一定的成果。加拿大卡爾加里大學(xué)設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺(tái)捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)，兩臺(tái)GPS接收機(jī)和一臺(tái)微機(jī)，可測(cè)定已有道路的線形參數(shù)，為道路管理系統(tǒng)服務(wù)。美國(guó)研制了應(yīng)用于城市的道路交通管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用GPS和GIS建立道路數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中包含有各種現(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)資料，如道路的準(zhǔn)確位置、路面狀況、沿路設(shè)施等，該系統(tǒng)于1995年正式運(yùn)行，為城市道路交通管理起到重要作用。近些年來(lái)國(guó)外研制了各種用于車輛誘導(dǎo)的系統(tǒng)，其中車輛位置的實(shí)時(shí)確定以往主要依據(jù)慣性測(cè)量系統(tǒng)以及車輪傳感器，隨著GPS的發(fā)展和所顯示出的優(yōu)越性，有取代前兩種方法的趨勢(shì)。用于城市車輛誘導(dǎo)的GPS定位一般是在城市中設(shè)立一個(gè)基準(zhǔn)站，車載GPS實(shí)時(shí)接收 基準(zhǔn)站發(fā)射的信息，經(jīng)過(guò)差分處理便可計(jì)算出實(shí)時(shí)位置，把目前所處位置與所要到達(dá)的目標(biāo)在道路網(wǎng)中進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，便可在道路電子地圖上顯示出到達(dá)目標(biāo)的最優(yōu)化路線，為公安、消防、搶修、急救等車輛服務(wù)。

回答者：bku6grba2016-11-21 00:00