Question

GPS的工作原理及具体应用

Answer 1

分类: 教育/科学 >> 科学技术 >> 工程技术科学
解析:

GPS的工作原理，简单地说来，是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理。首先我们假定卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离，也能精确进行定位。 以上所说，要实现精确定位，要解决两个问题：

其一是要确知卫星的准确位置；

其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离。下面我们看看怎样来做到这点。

GPS导航示意图

怎样确知卫星的准确位置

要确知卫星所处的准确位置。首先，要通过深思熟虑，优化设计卫星运行轨道，而且，要由监测站通过各种手段，连续不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。

这个问题解决了，接下来就要解决准确测定地球上某用户至卫星的距离。卫星是远在地球上层空间，又是处在运动之中，我们不可能象在地上量东西那样用尺子来量，那么又是如何来做的呢？

如何测定卫星至用户的距离

我们过去都学过这样的公式：时间X速度=距离。我们也从物理学中知道，电波传播的速度是每秒钟三十万公里，所以我们只要知道卫星信号传到我们这里的时间，就能利用速度乘时间等于距离这个公式，来求得距离。所以，问题就归结为测定信号传播的时间。

要准确测定信号传播时间，要解决两方面的问题。一个是时间基准问题。就是说要有一个精确的时钟。就好比我们日常量一张桌子的长度，要用一把尺子。假如尺子本身就不标准，那量出来的长度就不准。另一个就是要解决测量的方法问题。

时间基准问题

GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。所以，GPS接收机除了能准确定位之外，还可产生精确的时间信息。

测定卫星信号传输时间的方法

为了避免采用过多的技术术语，我们先作一个不太恰当的比喻。我们在所处的地点和卫星上同时启动录音机来播放“东方红”乐曲，那么，我们应该能听到一先一后两支“东方红”的曲子（实际上，卫星上播放的曲子，我们不可能听见，只是假想能够听到），但一定是不合拍的。为了使两者合拍，我们延迟启动地上录音机的时间。当我们听到两支曲子合拍时，启动录音机所延迟的时间就等于曲子从卫星传送到地上的时间。当然，电波比声波速度高得多，电波也不能用耳朵来接收。所以，实际上我们播送的不是“东方红”乐曲，而是一段叫做伪随机码的二进制电码。延迟GPS接收机产生的伪随机码，使与接收到卫星传来的码字同步，测得的延迟时间就是卫星信号传到GPS接收机的时间。至此，我们也就解决了测定卫星至用户的距离。当然，上面说的都还是十分理想的情况。实际情况比上面说的要复杂得多，所以我们还要采取一些对策。例如：电波传播的速度，并不总是一个常数。在通过电离层中电离子和对流层中水气的时候，会产生一定的延迟。一般我们这可以根据监测站收集的气象数据，再利用典型的电离层和对流层模型来进行修正。还有，在电波传送到接收机天线之前，还会产生由于各种障碍物与地面折射和反射产生的多径效应。这在设计GPS接收机时，要采取相应措施。当然，这要以提高GPS接收机的成本为代价。 原子钟虽然十分精确，但也不是一点误差也没有。GPS接收机中的时钟，不可能象在卫星上那样，设置昂贵的原子钟，所以就利用测定第四颗卫星，来校准GPS接收机的时钟。我们前面提到，每测量三颗卫星可以定位一个点。利用第四颗卫星和前面三颗卫星的组合，可以测得另一些点。理想情况下，所有测得的点，都应该重合。但实际上，并不完全重合。利用这一点，反过来可以校准GPS接收机的时钟。测定距离时选用卫星的相互几何位置，对测定的误差也不同。为了精确的定位，可以多测一些卫星，选取几何位置相距较远的卫星组合，测得误差要小。在我们提到测量误差时，还有一点要提到，就是美国的SA政策。美国 *** 在GPS设计中，计划提供两种服务。一种为标准定位服务（SPS），利用粗码（C/A）定位，精度约为100m，提供给民用。另一种为精密定位服务（PPS），利用精码（P码）定位，精度达到10m，提供给军方和特许民间用户使用。由于多次试验表明，SPS的定位精度已高于原设计，美国 *** 出于对自身安全的考虑，对民用码进行了一种称为“选择可用性SA(Selective Availability)”的干扰，以确保其军用系统具有最佳的有效性。由于SA通过卫星在导航电文中随机加入了误差信息，使得民用信号C/A码的定位精度降至二维均方根误差在100米左右。

采用差分GPS技术(DGPS)，可消除以上所提到大部分误差，以及由于SA所造成的干扰，从而提高卫星导航定位的总体精度，使系统误差达到10到15米之内。

GPS技术的错差

在GPS定位过程中，存在三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所共有的，例如：卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术第一部分误差可完全消除，第二部分误差大部分可以消除，这和基准接收机至用户接收机的距离有关。第三部分误差则无法消除，只能靠提高GPS接收机本身的技术指标。对美国SA政策带来的误差，实质上它是人为地增大前两部分误差，所以差分技术也相应克服SA政策带来的影响。

差分GPS技术消除公共误差原理

假如在距离用户500公里之内，设置一部基准接收机。它和用户接收机同时接收某一卫星的信号，那么我们可以认为信号传至两部接收机所途经电离层和对流层的情况基本是相同，故所产生的延迟也相同。由于接收同一颗卫星，故星历误差、卫星时钟误差也相同。若我们通过其它方法确知所处的三维座标（也可以用精度很高的GPS接收机来实现，其价格比一般GPS接收机高得多），那就可从测得伪距中，推算其中的误差。将此误差数据传送给用户，用户就可从测量所得的伪距中扣除误差，就能达到更精确的定位。

GPS数据处理软件是GPS用户系统的重要部分，其主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。

GPS定位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之中，各系列GPS接收机制造厂家研制的处理软件也各具特色。 全球定位系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和道路工程之中。目前，GPS技术在我国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，相信随着我国经济的发展，高等级公路的快速修建和GPS技术应用研究的逐步深入，其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用。 GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，这些功能包括： 车辆跟踪 利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。

提供出行路线规划和导航 提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。

信息查询 为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。查询资料可以文字、语言及图象的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。

（4）话务指挥

指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。

（5）紧急援助

通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。

GPS技术在汽车导航和交通管理工程中的研究与应用目前在中国刚刚起步，而国外在这方面的研究早已开始并已取得了一定的成果。加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统，两台GPS接收机和一台微机，可测定已有道路的线形参数，为道路管理系统服务。美国研制了应用于城市的道路交通管理系统，该系统利用GPS和GIS建立道路数据库，在数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的准确位置、路面状况、沿路设施等，该系统于1995年正式运行，为城市道路交通管理起到重要作用。近些年来国外研制了各种用于车辆诱导的系统，其中车辆位置的实时确定以往主要依据惯性测量系统以及车轮传感器，随着GPS的发展和所显示出的优越性，有取代前两种方法的趋势。用于城市车辆诱导的GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，车载GPS实时接收 基准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置与所要到达的目标在道路网中进行优化计算，便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为公安、消防、抢修、急救等车辆服务。