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GPS 普及讲座讲义--GPS 原理GPS 普及讲座讲义--GPS 原理 闲人一个引言自从人类诞生以来，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在以下的时间中，咱们讲讲 GPS 系统原理的三个方面：1. GPS 的产生背景和历史演变2. 基本的信号结构、误差及准确率3. 数据纠正技术--如何提高定位准确率第一节 GPS 的产生背景和历史演变那么 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由于美国全球战略的需要，这套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一、 频率与定位精度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 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靠无线电信标，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，由 24 颗 BLOCK II 卫星组成二、 GPS 系统组成整个 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 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，轨道面之间与赤道面的交线的夹角为 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 个小时绕地球一周三、 GPS 定位原理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：如果接收机知道它离第一颗卫星的距离，接收机在宇宙中可能的位置就是一个球；如果接 收机同时知道它离第二颗卫星的距离，接收机可能的位置就是两个球的交线；如果接收机 同时知道它离第三颗卫星的距离，那么接收机的可能位置就是三个球的两个交点那这两 个交点到底哪个是真正的位置点呢，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？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？四、 第四颗卫星的用处无线电波以每秒 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，那末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 大地基准面（大地基准面（Datum）） 椭球体＋基准面椭球体＋基准面(WGS84) ＝＝> 高度高度 本贴包含图片附件: 投影：从球面坐标到直角坐标投影：从球面坐标到直角坐标 本贴包含图片附件: 经纬度经纬度 【【投影投影】】=> 直角坐标直角坐标直角坐标系的好处：直观、可以快速手工计算距离、方向；常见基准面和投影方法WGS 84 基准面，北京 54 基准面，西安 80 基准面 高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger)，又叫横轴墨卡托投影(Transverse Mercator) 6 分带通用横轴墨卡托投影 UTM。

Lambert 投影系主要知识点回顾 地球是不规则的“土豆状”球体高度的计算是基于“虚拟”椭球体和大地基准面的定义 WGS 84 是 GPS 常用的基准面，它和国内常用的北京 54、西安 80 坐标系使用不同的椭球 体和基准面 经纬度坐标可以通过投影变换转成直角坐标如 UTM 坐标 对于户外穿越，我们推荐尽可能的使用 WGS84 基准面和 UTM 坐标 GPS 卫星及轨道分布 GPS 信号及用途 定位：三颗星信号可以计算（X，Y，T） ；四颗星信号可以计算（X，Y，Z，T） 最精确的民用时间计量器，误差～百万分之一秒 ？ 用钟表来定位 ？！ 用 GPS 进行定位的质量监控 （三颗星计算 X,Y；四颗星计算 X,Y,Z)熟练使用装备比拥有技术装备还要重要！！不断练习和思考，才能从“偶然”的潇洒到达“必然”的自由境界，并抛弃那种高技术装备带 来的“虚假安全感” 本贴包含图片附件: 车载 GPS 五点使用须知《《带你全面了解带你全面了解 GPS 车载导航系统车载导航系统》》详细介绍了车载详细介绍了车载 GPS 的行业概况、国内发展、产品的行业概况、国内发展、产品 及功能，本文将就实际应用中的几点问题向您作一介绍，以供参考。

及功能，本文将就实际应用中的几点问题向您作一介绍，以供参考一、电子地图是一、电子地图是 GPS 的灵魂的灵魂:电子地图对于车载 GPS 就如同 windows 对于电脑一般的意义在国内，生产电子地图 的企业不但必须要取得国家测绘局的相关许可，而且要按照我国关于出版物管理的现行规 定进行开发，这样就使得电子地图的厂家门槛很高，许多希望介入电子地图产品的企业难 以直接从事开发和销售的相关工作在市场上，一般正版的电子地图售价都在万元以上，而有些盗版电子地图仅卖１５元， 用这样的电子地图装备出来的ＧＰＳ产品的可信度便大打折扣这种电子地图只是利用盗 用原版电子地图甚至过期的电子地图和产品简单相加在一起的方法，产品的正确性和售后 服务很差，消费者在决定购买之前一定要了解清楚另外，随着城市建设的快速发展，电 子地图的升级是否有保障，也是消费者应该关注的问题之一二、不要用ＧＰＳ当作车辆防盗装置？二、不要用ＧＰＳ当作车辆防盗装置？ＧＰＳ技术在车辆跟踪与调度方面的应用，兴起于２０世纪８０年代末的欧美发达国 家，至今已有十几年的历史从应用实践看，利用ＧＰＳ技术对移动目标进行跟踪监控能 够为车辆应用单位带来管理上、经济上的效益。

这些国家的政府部门也对ＧＰＳ在车辆应 用方面从政策上，经费上给予支持，因此，ＧＰＳ在车辆应用方面越来越普及在我国 ＧＰＳ技术应用于车辆管理断断续续也将近十年了，但效果却远远不如国外成功大部分消费者都知道“ＧＰＳ”，但对“ＧＰＳ”的了解仅仅停留在名词的概念上，而 “ＧＰＳ跟踪”． “ＧＰＳ防盗”． “ＧＰＳ防劫”“远程断油断电”“远程开启车门”等一些安防用语 的频繁使用，更给人们一种印象：ＧＰＳ是一种车辆跟踪防盗器殊不知，在车辆出险时， ＧＰＳ车辆跟踪系统能够根据报警信息所包含的由ＧＰＳ提供的时空属性来确定报警车辆 的位置，从而做出相应的反应但这绝不意味着ＧＰＳ等于车辆防盗装置ＧＰＳ在车辆 上应用功能朝两个方向发展：一是监控管理，一是导航ＧＰＳ技术应用于车辆监控管理 上的产品是大众所熟知的车辆ＧＰＳ技术＋防盗器而导航产品则成为了越野发烧友的最 爱三、车载三、车载 GPS 只能作为你行车的辅助工具：只能作为你行车的辅助工具： 前面已经提到，GPS 技术最初是作为军用技术出现的，而现在民用级的 GPS 工具不论 是车载 GPS 还是其他产品仍然使用的是美国 24 星定位系统，美国对于民用级别的 GPS 的 使用是有严格限制的，而且会在信号中加入许多屏蔽和干扰，使得定位精度不会象 GPS 生 产厂家所说得那样高，有时候误差有可能会达到数十公里。

另外车载 GPS 的使用条件也会影响定位精度，我们知道 GPS 的工作原理是通过卫星 信号的发射和接受来确定位置的，在允许角度下接受的卫星信号越多越强自然地位精度也 就越高但是在今天的条件下，无论是城市中的钢筋混凝土还是乡村的高山森林，都会影 响和吸收一部分信号，从而会造成定位的偏差所以说，车载 GPS 的定位精度并不象广告 所描述的那样，而是受到众多客观因素制约的GPS 只能作为行车的一个辅助的工具，有一篇文章虽然很风趣，但也反映了一些实际 问题：四、各种品牌四、各种品牌 GPS 产品存在差别产品存在差别从设计从原理上来说，ＧＰＳ车用产品看起来不是十分复杂，但并不是任何具备电子 工程背景知识的技术员和企业都可以设计制造ＧＰＳ车载产品据专家介绍，ＧＰＳ车辆应用产品是集ＧＰＳ技术、ＣＩＳ技术、通讯技术和计算机网 络技术为一体的高科技产品，而应用于汽车上的产品，更需要其在技术上、质量上适应于 汽车的恶劣环境国际上有名的车载设备生产厂家的经验表明，任何一种新型ＧＰＳ车载设备从投产到真正的稳定，一般要经过两年到三年时间的“使用——改进——再使用——再 改进”这样一个过程这种在使用中不断改进产品的设计，使产品趋于稳定的过程是任何厂 家也不能跳过的过程，这种经验本身就是一种宝贵的财富。

而在国内许多ＧＰＳ车用设备生产厂家，往往忽略了这种经验积累过程的重要性，为了 占领市场，常常是产品刚从实验室出来。