GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理

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全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Position System, GPS）為美國國防部開發(fā)，利用規(guī)模遍及全球的人造衛(wèi)星之航法系統(tǒng)，由24顆人造衛(wèi)星所構(gòu)成，其中包括三顆預(yù)備衛(wèi)星。利用對民間開放的C/A碼標準測法，能得到數(shù)十米的精度，為無線電定位法的一種。 衛(wèi)星定位系統(tǒng)整體運作上可分成三部份：太空部分、地面部分以及訊號部分。 太空部分 N'K.c"jb~ i0目前GPS衛(wèi)星已發(fā)展至Block II型式的定位衛(wèi)星，由Rockwell International制造，在軌道上重量約1,900磅，太陽能接收板長度約17呎，預(yù)期壽命為7.5年，于1994年完成第24顆衛(wèi)星的發(fā)射，整個GPS系統(tǒng)正式宣告建構(gòu)完成。因此目前太空中有24顆GPS衛(wèi)星可供定位運用，它們平均分布于6個軌道面，每個軌道面上各有4顆，距離地面高度約10,900海浬(大約20,000公里)，呈55°角傾斜繞行地球運轉(zhuǎn)，繞行地球一周需12恒星時，每日可繞行地球2周，這也就是說，不論任何時間，任何地點，包含北極,南極，至少有4顆以上的衛(wèi)星出現(xiàn)在我們的上空。 信號部分100GPS－中國最大的GPS網(wǎng)|導(dǎo)航地圖軟件下載|報價|手機PDA車載藍牙GPS#d.J F#F C(zd GPS衛(wèi)星產(chǎn)生兩組隨機電碼，一組稱為C/A碼，一組稱為P碼。C/A碼主要開放給民間使用，因此在精度上刻意降低，P碼則是美國國防部保留為其軍事用途的電碼，精度比C/A碼高很多，因此設(shè)有密碼，一般民間使用者無法解讀。一般而言，GPS衛(wèi)星傳送兩種頻率的載波，L1(Link 1)載波的頻率為1575.42 MHZ，L2 (Link 2)載波的頻率為1227.60MHZ。 地面部分100GPS－中國最大的GPS網(wǎng)|導(dǎo)航地圖軟件下載|報價|手機PDA車載藍牙GPSKMb;K2@z 地面設(shè)施部分主要包含GPS監(jiān)控站與使用者接收設(shè)備兩部份。 監(jiān)控站100GPS－中國最大的GPS網(wǎng)|導(dǎo)航地圖軟件下載|報價|手機PDA車載藍牙GPS z;?3G3\ |E4OA2k 包括一個主要控制站（Master Control Station）、五個監(jiān)測站（Monitor Station）－分布于夏威夷、亞森欣島、迪亞哥加西亞、瓜加林島、科羅拉多州、三個地面控制站（Ground Control Station）等。監(jiān)測站主要負責(zé)追蹤所有衛(wèi)星的運行位置、時間、氣象數(shù)據(jù)及電離層數(shù)據(jù)等，將每15秒觀測到所有數(shù)據(jù)，計算出每15分鐘一組的平滑化數(shù)據(jù)（Smoothed Data），傳送到主控制站后，由主控制站加以統(tǒng)合，計算出衛(wèi)星星歷、時表修正量、電離層改正系數(shù)，再轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航訊息，以維護衛(wèi)星系統(tǒng)的精度與正常運作，此部份由美國國防部負責(zé)，使用者無從了解也毋需了解此部份的技術(shù)。 主要是一個衛(wèi)星信號接收器，依照不同的目的而有不同的定位能力，基本的功能是接收L1載波，分離出C/A電碼，進行最簡單的虛擬距離定位，也是一般車輛定位所使用的機型。其中必須注意的是：GPS衛(wèi)星產(chǎn)生兩種不同的載波來承載所有電碼與訊息，其中C/A碼僅調(diào)置在L1載波上，P碼則分別調(diào)置在L1與L2載波上，并區(qū)別為P1與P2電碼，但美國軍方目前僅開放C/A碼僅民間使用。而一般間使用之接收機可經(jīng)由差分修正(DGPS差分定位)達15呎或更加之準確度。但使用DGPS訊號需付費，一般使用者應(yīng)考慮成本及使用目地是否需要到如此精準。如做汽車導(dǎo)航您所需要知道的是您的相對位置配合您所使用之電子地圖，無需使用到那么高精度之定位。 　GPS的定位是利用衛(wèi)星基本三角定位原理，GPS接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來量測距離，以距離來判定衛(wèi)星在太空中的位置，這是一種高軌道與精密定位的觀測方式。假設(shè)衛(wèi)星在11,000英哩高處，測量我們的距離，首先以11,000英哩為半徑，以此衛(wèi)星為圓心畫一圓，而我們位置正處于球面上。 GWMU }A0　　再假設(shè)第二顆衛(wèi)星距離我們12,000英哩，而我們正處于這二顆球所交集的圓周上。現(xiàn)在我們再以第三顆衛(wèi)星做精密定位，假設(shè)高度13,000英哩，我們即可進一步縮小范圍到二點位置上，但其中一點為非我們所在的位置極有可能在太空中的某一點，因此，我們舍棄這一點參考點，選擇另一點為位置參考點。100GPS－中國最大的GPS網(wǎng)|導(dǎo)航地圖軟件下載|報價|手機PDA車載藍牙GPS0SBauTJ k0^ K/x!xm 　　如果要獲得更精確的定位，則必定要再測量第四個顆衛(wèi)星，從基本物理的觀念上來說，以訊號傳輸?shù)臅r間乘以速度即是我們與衛(wèi)星的距離，我們將此測得的距離稱為虛擬距離，在GPS的測量上，我們測的是無線信號，速度幾乎達18萬6千英哩/Sec的光速，而時間卻短的驚人，甚至只要0.06秒，時間的測量需要二個不同的時表，一個時表裝置于衛(wèi)星上以記錄無線電信號傳送的時間，另一個時表則裝置在接收器上，用以記錄無線電信號接收的時間，雖然衛(wèi)星傳送信號至接收器的時間極短，但時間上并不同步，假設(shè)衛(wèi)星與接收器同時發(fā)出聲音給我們，我們會聽到二種不同的聲音，這是因為衛(wèi)星從11,000英哩遠的地方傳來，所以會有延遲的時間，因此，我們可以延遲接收器的時間，從此延遲的時間╳速度，就是接收器到衛(wèi)星的距離，此即為GPS的基本定位原理。 那么GPS衛(wèi)星究竟傳輸那些數(shù)據(jù)呢？衛(wèi)星所傳輸?shù)挠嵦柊�含有偽亂碼(Pseudo random code)、星歷數(shù)據(jù)(Ephemeris:英語發(fā)音為ee-fem-er-is)及Almanac。 1、偽亂碼(詳細請參見"GPS測距碼的作用")可幫助我們知道衛(wèi)星訊號是由那一顆衛(wèi)星所傳輸下來，所以偽亂碼即是一顆衛(wèi)星的身份證(ID code)。其衛(wèi)星編碼從1至32。因此我們可從GPS接收機上看到所接收到的衛(wèi)星編號。但為何超過24個偽亂碼呢？這是因為當有新的替代衛(wèi)星發(fā)射啟用時，可馬上給與這顆替代衛(wèi)星一個新編號，當真正被淘汰的衛(wèi)星不能使用時，就取代淘汰的衛(wèi)星。 2、星歷數(shù)據(jù)含有衛(wèi)星是否健康或不健康之信息、現(xiàn)在日期、時間，這些數(shù)據(jù)使您的接收機知道現(xiàn)再時間日期其決定您目前的位置。 3、Almanac傳輸軌道信息告知接收機各衛(wèi)星所在天空之位置。 簡單的說GPS時如何運作：每一顆衛(wèi)星會告訴您使用的接收機三件事，我是第幾號衛(wèi)星，我現(xiàn)位置在那里，我什么時候送這訊息給您。當您的GPS接收機接收到這些數(shù)據(jù)后會將星歷數(shù)據(jù)及Almanac存起來使用，這些數(shù)據(jù)也用做修正GPS接收機上的時間。 GPS接收機比較每一衛(wèi)星訊號接收到的時間及本身接收機的時間的不同，而計算出每一衛(wèi)星道接收機的距離。接收機若在接收到更多衛(wèi)星時，它可利用三角公式計算出接收機所在位置。三顆衛(wèi)星可做所謂2D定位(經(jīng)度及緯度)，四顆或更多衛(wèi)星可做所謂3D定位(經(jīng)度、緯度及高度)

回答者：jxufexiao2016-05-31 00:00