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经飞扬科技编辑整理的GPS技术原理专辑

GPS原理
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GPS与单片机实际应用

GPS原理  
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这里将详细介绍GPS原理,并经飞扬科技重新编辑整理,供对GPS有兴趣的专业人士参考

GPS原理

版权声明:

以下文字及图片属于网络摘录,飞扬科技编辑及理理,版权所有仍由原创作人持有

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引言

  在我们的外游旅途当中,经常可以见到驴友用红飘带来标记路线,用来提示后来人以及记录返回路线,这其实就是GPS发明的原动力:

  自从人类诞生以来,就一直为出行问题困扰:我在哪里?应该向哪个方向走?

  从远古时候起人类就开始用标记的方法来记录线路,不过这种普通标记物有很多缺点:万一标记物被雪盖住怎么办?如何用标记物标记不同的线路?虽然后来地图被发明了,不过在过去的几千年中,使用地图及确定自己的位置依然是只有专业人员才能完成的事情。

  时光进入20、21世纪,这个问题终于有了一个简单的解决办法,那就是GPS——全球定位系统。GPS系统的使用带来了导航、测量、地图制作行业一系列的革命,并广泛应用于各行各业,这些例子大家在电视、报纸和杂志上已经看到很多了。

  那么GPS全球定位系统究竟是什么东西呢?它是一套美国军方设计的,以航天技术为基础的导航与定位系统。这套系统可以使美军士兵独立测定精度为10米以下的自己的位置。这个“独立测定”非常重要:在实际使用中,如果这套系统需要士兵发射电波确定自己位置的话,会很容易地被敌方侦测到自己的实际位置,所以整个地面接收系统需要完全被动接收信号。

现在我们国家的北斗卫星导航系统还不能做到这一点:北斗卫星的用户需要通过无线电发射位置请求信息到卫星,并从卫星接收自己的位置信息。

俄罗斯有自己的卫星定位系统,全球导航卫星系统(GLObal NAvigation Satellite System)。欧洲也要发 展自己的定位系统NAVSAT(伽利略系统),但根据前景来看,伽利略公司的在2012年之后的发展前景最具实力,民用级别的GPS即可达到1米的定位标准,并且增加了紧急救援功能.  

  由于美国全球战略的需要,美国的GPS系统需要覆盖全世界,并且的用户接收端的成本要非常低,因为系统的设计要求是每个士兵、每台军车都要安装接收系统。

  GPS并不是世界上第一个无线电导航系统,早在第二次世界大战以前,就已经出现了无线电导航系统。

1.无线电导航系统

   最早人们采用的是长波信号,波长长达26公里,因为长波信号可以轻易地被电离层反射,所以美国的Omega(奥米茄)系统用了八个发射器就把信号覆盖了全球。不过因为信号波长比较长,定位精度受到很大影响:OMEGA系统的精度只有六公里。

  另外还有罗兰--C:工作在100KHZ,由三个地面导航台组成,导航工作区域2000KM,一般精度200-300M。
   为提高定位精度,只有提高无线电信号频率,但是借助电离层反射的全球覆盖就受到了影响:波长越短的信号,直线传输特性越强,同时不能被电离层反射:通过把波长减小到2.6公里,LORAN系统倒是把定位精度提高到450米了,可全球只有10%的面积被信号覆盖。

多卜勒系统:利用多卜勒频移原理,通过测量其频移得到运动物参数(地速和偏流角),推算出飞行器位置,属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。缺点:覆盖的工作区域小;电波传播受大气影响;定位精度不高

2.卫星定位系统

  自从1957年有了卫星,科学家的兴趣自然就转到这上面来了:卫星可以发射短波长信号,穿透电离层覆盖半个地球的面积。

整个GPS系统由三部分组成:控制部分,空间部分,用户端

  空间部分和控制部分由美国军方维护,主要是保证卫星正常工作及其发送的信号准确无误, 地面控制站位于美国本土的科罗拉多,还有3个地面天线和5个监测站分布在全球,主要任务是收集数据、计算导航信息、诊断卫星状态以及调度等杂事。

用户端就是大家平常用的GPS接收机,虽然形式多种多样,但基本操作都是接收卫星信号并计算接收机所在位置  

                

  在空间部分,美军布置了24颗BLOCK II卫星,由ROCKWELL公司制造,星重700-900公斤,包含太阳能极板为5米宽,设计使用寿命为7.5年。卫星轨道距地面20200公里,轨道面与地球赤道面夹角为55度,轨道面之间在赤道面投影的夹角为60度,每个轨道面布置4颗卫星,所以总卫星数是6个轨道面乘以4为24颗。其中21颗正式使用,3颗备用。每颗卫星每12个小时绕地球一周。这样算下来,在任何时刻、地球的任意地方,基本都能“看到”12颗左右的卫星。

   最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统(Transit),1958年研制,64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小(5-6颗),运行高度较低(平均1000KM),从地面站观测到卫星的时间隔较长(平均1.5h),因而它无法提供连续的实时三维导航,而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划

全球定位系统(Global Positioning System - GPS)是美国从本世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS以全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点,赢得广大使用者的信赖,并成功地应用于导航、授时、高精度测量等领域。

  从20世纪60年代开始,美军就不断地试验并改进以卫星为基础的无线电导航系统,从最早的TRANSIT,到NAVSTAR, 一步一步地把GPS系统进行完善并降低接收系统成本。随着接收系统的成本不断降低,很多有商业头脑的人预见到了GPS系统的民用市场的广大,把GPS扩展到民用的呼吁在美国国内越来越高。

  不过最终促成此事的是一桩悲剧:1983年,韩国的KAL-007航班因为迷航误入前苏联领空,被前苏联战斗机击落,机上乘客和机组人员无一生还。那会儿GPS还没有投入民用,民用航班的导航主要*无线电信标,万一地面信标站或机上系统有故障,那麻烦就大了。于是美国前总统里根于1984年正式宣布:开放GPS信号的民间使用,无偿提供服务。
              

  从1989年2月开始,真正用于实用的BLOCK II 卫星开始发射升空。到1993年12月,美国国防部宣布GPS系统初步完成,由24颗BLOCK I 和 BLOCK II 卫星组成。1995年7月,美国国防部宣布GPS系统完全完成,直到今天,它在概念上仍然保持原样,24颗卫星环绕地球,分为6个轨道平面,高度为12500法定里(1法定里约合1.609公里)地面上的一个全球定位系统接收器从用卫星上的原子钟校次自己的廉价石英钟开始。这些原子钟精确到50亿分之一秒以内。接收器分析来自4颗卫星的信号,通过复杂的代数运算来获得对接收器的时间和方位的精确校准。这使接收器得以准确地确定一个信号从一颗给定的卫星传来需要花多长时间。

GPS接收机的定位实际是就是通过计算接收机距不同卫星的距离来完成的这一过程称为测距。:

例如。如果一个无线电信号从一颗卫星传输到地球上的一个GPS接收器的时间间隔为0.07515秒,则接收器可以算出卫星在14000英里外,因为0.07515秒乘以无线电的传输速度186282英里/秒等于14000英里。这意味着接收器必定位于一个半径为14000英里的球面上的某个地方,卫星是该球面的中心。一旦接收器执行了利用另外两颗卫星的相同测距运算,结果就是三个相交的球面,它们只能在两点上相交。由于其中的一个点通常是一个不可能的方位,要么远远高于地球表面,要么过低,其实非常好判断:一个点在距离地表10公里之内,一个点在距离地表几千公里以外,你说哪个是?所以剩下的那个点就标志着接收器的方位。利用第4颗卫星的校准确保了GPS接收接收器中的钟准确无误。

  那么大家都知道,GPS需要至少四颗卫星来定位,那这第四颗卫星是怎么回事呢?

  无线电波以每秒30万公里传输,从卫星发射信号到接收机收到信号,只需要大概0.06秒。如果接收机的时间精度是百万分之一秒,那么折算出来的距离误差就是300000000/100000000=300米。

  在卫星上的钟是四个原子钟,精确地同步到精度为几十亿分之一秒。可接收机的时钟是普通石英钟,精度远达不到百万分之一秒,如果也用原子钟的话,重量咱们先不说,每个原子钟造价是二十万美金,那还有谁用的起呀?

  所以,第四颗卫星的信号实际上是提供时间基准,给GPS接收机用来计算接收机距离其他三颗卫星的距离:有了时间基准,接收机就可以测量从其他三颗卫星到达接收机的时间,然后把时间转换成距离。

  GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程
       


       

上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数,其中di=c△ti (i=1、2、3、4)

di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
    c为GPS信号的传播速度(即光速)。
  四个方程式中各个参数意义如下:
    x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。
    xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,
    可由卫星导航电文求得。
    Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。
    Vto为接收机的钟差。

  由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。
  
第二节 基本的信号结构及准确率

  1、基本的信号结构
   一般民用GPS使用的是GPS系统的L1载波,频率为1575.42 MHz。在这个载波频率上面以调相方式加载了两种不同的伪随机噪声码:C/A码和P码。C/A码是用于民用的测距码,码长为1023个码元,即1023次从数字零到数字1的跳动,这1023个码元每秒重复1000次,即1.023MHz, 或每一百万分之一秒跳动一次。P码是军用码,码长非常长,码速为10.23MHz,即每千万分之一秒跳动一次。

  由于GPS接收机通过对比码元的跳动来计算从卫星到接收机的时间,然后再转换成距离,显而易见,P码的时间精度高了10倍,距离精度也就高了10倍:现代信号处理技术计算码元跳动的时间精度是码宽的百分之一,一百万分之一秒折合出来的距离是300米,它的百分之一就是3米。而P码的精度是这个数值的十分之一,即0.3米。换句话说,在计算某个卫星距离接收机的实际距离的时候,C/A码的理论精度是3米。

  接收机“知道”了自己与卫星的距离,并不能计算出自己的位置,因为它不知道卫星在发射电波时的位置,因此在卫星载波上面,还加载了一个50Hz的导航电文,这个导航电文包括了:卫星的轨道参数、时钟参数、轨道修正参数、大气对GPS信号折射的修正值等等。GPS接收机就是通过这些参数计算出某一时刻某颗卫星在空间中的位置,然后再确定自己与卫星的距离,然后再计算自己的实际位置。导航电文总长1500比特,在50Hz发送的情况下,每一个循环周期是30秒。

  可能大家觉得这个比较枯燥,可这正是隐藏在各个GPS技术参数后面的无数个“为什么”之一。大家比较一下GARMIN和MAGELLAN的各个型号GPS接收机的技术参数,就会发现:所有型号的的GPS接收机的冷启动时间(即GPS对卫星及自己所在地一无所知)都是45秒左右,不是厂商懒不想改进GPS性能,而是已经快到技术极限啦:45秒里面的30秒是用来接收导航电文的,剩下15秒钟是计算接收机位置的。
   如果你看到某款GPS接收机标称冷启动时间是30秒,赶紧走开不要再看第二眼:厂家连这个数据都敢拿出来骗你,他们的接收机的定位数据你还敢用吗?当然GPS系统是不断在改进的,也许将来的导航电文用一秒钟就发过来了,不过现在的数据还是需要30秒才能发过来。

   还有一个问题是关于GPS接收机算方向和速度的:大家都知道一般GPS接收机每秒钟计算一次位置,把前一秒钟的位置和这一秒钟的位置比较,接收机就可以算出自己的前进方向和速度,对吧?

  错!实际上GPS接收机在计算前进速度的时候,用的是多普勒效应:在扣除卫星相对于接收机移动的多普勒效应以后,多出来的部分就是接收机移动的部分了,把这部分进行计算,就可以算出接收机的前进速度了。这种计算方法要比直接计算每秒钟的前进速度准,准确程度是每小时0.5公里,想想一般人散步的速度还有每小时三公里以上,不由得不佩服那些研究这个的科学家。不信你自己可以作个试验:在走路或开车的时候走一些迷惑GPS的蛇行路线或8字形路线,看看GPS的速度显示是否连续并准确,一般这种情况下GPS的方向显示会略有延迟,因为它每一秒钟才算一次,而且方向的计算是要和前几秒钟的方向进行加权平均。

  2、准确率

  刚才咱们讲的是在“完美”的世界里面的GPS原理,现在到了现实中这个“不完美”的世界,问题就来了,有很多种因素会影响到GPS的准确率:

  以下是一个GPS误差引入简表:

  卫星时钟误差:0-1.5米

  卫星轨道误差:1-5米

  电离层引入的误差:0-30米

  大气层引入的误差:0-30米

  接收机本身的噪音:0-10米

  多路反射:0-1米

  总定位误差:大约28米

  大家先别急着砸自己的GPS接收机,等我把话说完:这些误差这是告诉你一个最好和最坏情况下的误差范围,在现实世界中,最好的情况不会同时发生,最坏的情况也不会同时发生,而且科学家一直在致力于消除这些误差,所以你用的GPS还没有这么坏,呵呵。

  大家可以看出,主要GPS定位误差来自于电离层和大气层,是因为电离层中的气体分子和大气层中的水蒸汽分子会折射GPS的微波信号,使其在从卫星到接收机的路线中会稍微弯曲一下,导致接收机把弯曲的路径来当作直线路径,从而引入误差。这种现象在微波信号斜斜地穿越电离层和大气层时更明显,因为微波信号在其中穿越的时间和距离更长。

  不过在卫星的导航电文中,已经包含了大气层的修正参数,能够消除50%到70%的误差。

  第三节 数据纠正技术

  说到这里,可能大家都着急想知道:到底我的GPS接收机有多准?一个准确的回答是:不知道!因为GPS的准确率每秒钟都在变化:卫星轨道在不断变化,电离层在不断变化(白天和黑夜能差几倍),大气层的温度、湿度和气压也在不断变化,所以这些因素引入的误差也是在每一秒钟都在变化的。

  如果大家非要一个答案的话,那么一般GPS(我指的是著名厂商的各种手持机)的误差的大致范围是10米,现在GARMIN和MAGELLAN手持机的标称精度是7米(在95%的情况下),不过我个人认为在大家的日常使用中精度还是10米——这个标称值是在最好的条件下算出来的,就象汽车的百公里油秏指标一样。

  换句话说,GPS给你的位置数据是相对位置数据,你需要在这个数据点周围画一个半径是10米的圆圈,你的绝对位置肯定在这里面,但具体在哪里,只能用更高级的手段测量了。

  所以:
   第一, 不要太相信GPS给你的数据,在野外要和实际现场的地标相结合。

  第二, 现有精度已经不错了,当初美国人开SA(人为降低精度)的时候,GPS的精度是100米,大家还不是照用不误?

  第三, 追求超高精度没有意义:如果现在给你个精度是0.1米的GPS接收机,你敢闭着眼睛去爬小五台?

  当然在可能的情况下,精度越高当然越好,现在一般实时提高精度的方法是差分法:利用两台GPS, 同时观测卫星信号,在一台GPS位置已知的情况下,可以算出当时那个时刻那一区域的GPS信号修正值,然后想办法通知另外一台GPS, 那末另外一台GPS就可以算出一个准确程度非常高的位置了。因为现在在中国民用GPS的差分修正还很少有机会被大家用到,所以在这里我就不介绍了,将来会在绿野通讯版里面给大家另外写一篇文章。

  第四节 使用GPS的注意事项

  1、GPS的能与不能

  第一, GPS能为你提供定位服务,但不能永远工作。这是非常重要的一点,在野外的时候有无数种情况会使GPS接收机停止工作,所以一定要有备用手段:指南针和纸地图是必不可少的装备,学会使用它们也是GPS机友应有的基本技能。关于GPS接收机对卫星信号的依赖,我在下面介绍。

  第二, GPS能告诉你应该向那里走,但不能替你走。听着像傻子说的话,是吧?不过这个在实际野外应用中经常发生:不要以为带了GPS不会迷路就万事大吉了,在很多种情况下,你明明知道应该向某个方向走,可就是过不去,所以野外的实际经验非常重要,GPS只是辅助指路的手段。

  第三, GPS能告诉你当前的位置,但不能告诉你周围的地形状况。在知道自己的位置以后,周围的地形状况就需要地图的支持了:无论是纸地图还是PDA中的电子扫描地图还是手持机中的矢量地图,这些都是获得地形信息的来源。

  第四, GPS能帮助你记走过的路,但不能完美地再现。在你爬山的时候,你走过的路线在GPS中是按航迹记录的,航迹可能由几十上百个航迹点(TRACK POINT)组成,如果半路上你迷路了,需要顺原路摸回去的时候,GPS可以把这些航迹点转换成航点(WAYPOINT), 然后指导你一段一段地摸回出发地。由于GPS的限制,转换成的航点只能有30个或更少,所以航点组成的航线(ROUTE)要比原始航迹粗糙得多。这个我在下面再强调。

  2、GPS卫星信号的遮闭

  基于GPS系统的原理,GPS接收机强烈依赖于直接接收到卫星信号,换句话说,严重依赖于接收机“看到”的天空的范围——天空范围越大,接收机收到的来自不同卫星的卫星信号就越多,就越能准确地定位。

  GPS接受机接收的是从卫星来的1575.42 MHz微波信号,所有的自然天气现象不会遮闭GPS信号,当然对定位精度有影响。因为卫星发射功率及距离原因,该信号比同频率的背景噪声小100倍,比现在穿过你身体的广播信号小上千倍。GPS手持机使用复杂的数字信号技术把真正有用的信号过滤出来。所以一般的无线电干扰对GPS接收机并不构成威胁,真正有威胁的是物体的遮挡。

  GPS微波信号的穿透能力:

  1. 所有金属实体会完全遮闭GPS信号。注意含有金属涂层的汽车贴膜对GPS也有遮闭作用。

  2. 厚度为1厘米以上的水体(液态)会完全衰减GPS信号至不可用。

  3. 玻璃和塑料对GPS信号有轻度衰减,所以你可以把GPS放在衣服口袋里面,或汽车风档下,或插入腰间的护套。

  4. 不过厚重的非金属物体也会完全遮挡信号,几厘米的木头会完全遮闭GPS信号。

  5. 1575.42MHz的微波信号波长是19厘米,所以理论上可以透过孔径(直径)大于19厘米的金属网,或普通金属绗架结构,比如输电铁塔。
   树冠对GPS信号的影响:
   树冠对GPS信号的衰减主要是来自于:
   1. 树叶中含有的水分,以及树叶上面的水分(露水或下雨)。由此可以推断:针叶树对信号的影响比阔叶树要小。
   2. 树的枝干密集程度。
   在树下测得GPS的精度肯定受到以上因素的影响,影响的大小收到各种因素影响,需要自己用自己的GPS接收机测试,以便心里有数。
   另外GPS信号的多路反射也对定位精度有影响:光滑金属或非金属表面会反射微波信号,导致信号通过多个路径到达GPS接收机,由此影响GPS精度。这种现象在城市尤其明显,或者是在干湖床或平静的湖边进行测量的时候。

  在野外环境下,对GPS信号威胁最大的是山体:按照我的经验,如果你在山谷中行走,两侧均有连续山体,山体的视角在45度以上的时候,一般只能收到四颗卫星,也有可能无法定位。如果是山涧中,像龙门涧那种只能看见一线天的地方,百分之百GPS接收机不能定位。

               

以上信息主要参考:

GREGORY FRENCH 先生的英文著作《UNDERSTANDING THE GPS》一书

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