GPS导航系统即全球定位系统(GlobalPositioningSystem)。GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础,向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成,一是地面控制部分,由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个轨道平面。三是用户装置部分,由GPS接收机和卫星天线组成。现在民用的定位精度可达10米内。

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    中文名称
    全球定位系统
    英文名称
    Global Positioning System
    简    称
    GPS

    1简介

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    定义

    利用GPS定位卫星,在全球范围内实时进行定位、导航的系统,称为全球卫星定位系统,简称GPS。

    简介

    GPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。要实现以上所有功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素。

    2工作过程

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    定位原理

    GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR,):当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的,保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来,以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块,其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。

    GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以及GPS系统信息,如卫星状况等。

    GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。对 CA码测得的伪距称为CA码伪距,精度约为20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。

    GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢复载波。严格而言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。

    按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

    在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高,双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显差别),应选用双频接收机。

    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式。

    定位精度

    28颗卫星(其中4颗备用)早已升空,分布在6条交点互隔60度的轨道面上,距离地面约20000千米。已经实现单机导航精度约为10米,综合定位的话,精度可达厘米级和毫米级。但民用领域开放的精度约为10米。

    GPS 设置

    GPS 拿到手,如果是新机器要定位,已经提到了。另外,还有一些设置,常用的有坐标系、地图基准、参考方位、公制/英制、数据接口格式什么的。

    坐标系:常用的是 LAT/LON 和 UTM。LAT/LON 就是经纬度表示,UTM 在这里就不管他了。

    地图基准:一般用 WGS84。

    参考方位:实际上有两个北,磁北和真北呀(简称 CB 和 ZBY)。指南针指的北就是磁北,北斗星指的北就是真北。两者在不同地区相差的角度不一样的,地图上的北是真北。

    公制/英制:自选。

    数据接口格式:这得细谈谈。GPS 可以输出实时定位数据让其他的设备使用,这就牵扯到了数据交换协议。几乎所有的 GPS 接收机都遵循美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)所指定的标准规格,这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准,其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。NMEA 协议有 0180、0182 和 0183 三种,0183 可以认为是前两种的超集,现在正广泛的使用。

    经纬度的表示

    1.)ddd.ddddd, 度.度的十进制小数部分(5 位)

    2.)ddd.mm.mmm,度.分.分的十进制小数部分(3 位)

    3.) ddd.mm.ss, 度.分.秒

    不是所有的 GPS 都有这几种显示, GPS315 只能选择第二种和第三种。

    在 LAT/LON 坐标系里,纬度是平均分配的,从南极到北极一共 180 个纬度。地球直径 12756KM,周长就是12756*PI,一个纬度是 12756×PI /360 = 111.133 KM (不精确)。

    经度就不是这样,只有在纬度为零的时候,就是在赤道上,一个经度之间的距离是 111.319KM,经线随着纬度的增加,距离越来越近,最后交汇于南北极。所以经度的单位距离和确定经度所在的纬度是密切相关的,简单的公式是:

    经度 1°长度=111.413cosφ,在纬度φ处。 (公式不精确)

    3作用

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    导航、测量、授时

    4组成结构

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    空间部分

    GPS的空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星;3颗备用卫星),它位于距地表20200km的上空,运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存导航信息,GPS的卫星因为大气摩擦等问题,随着时间的推移,导航精度会逐渐降低。

    地面控制系统

    地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado. Springfield)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。

    用户设备部分

    用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。

    5如何选购

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    质量

    在选择GPS导航产品时,软件和硬件的配置非常重要。一般来说专业品牌厂商的硬件配置是比较值得信赖的。一些山寨的GPS厂商经常编造硬件的配置,在液晶屏、GPS芯片、处理器等方面难以保证产品质量。他们整个GPS产品的生产过程无非是将一些硬件进行简单的整合和组装。而正规GPS厂家的硬件配置往往要经过层层把关,并要通过ISO质量生产标准(主要是ISO2000质量认证、ISO14001环境认证)等的认证。对于汽车产品只有通过“ISO/TS TS16949标准认证”才能向奔驰、大众等汽车厂商供应产品和服务。

    软件

    而在软件方面最受关注的自然就是GPS导航地图数据的准确性和更新的及时性。地图的经常更新造成了电子地图的制作成本居高不下,因此许多不合格的GPS生产厂商就会减少地图更新或是盗版其他电子地图。消费者如果使用采用“假冒伪劣”的地图的机器导航,不仅容易“误入歧途”,甚至会有生命危险。

    品牌

    实际上,品牌的重要性远远超过了其它。由于卫星导航产业在中国是一个处于发展期的高新科技行业,只有那些在市场上耕耘多年的专业厂商,才能保障产品技术方面的领先优势,同时也有资金和实力为用户提供全面、优秀的服务保障。

    产品的价格和售后服务也是购买产品要考虑的主要因素。消费者都希望能买到质优价廉的产品,但结果却未必得偿所愿。市场上很多的导航产品 “价廉”却并不“物美”。所以,在这里要提醒消费者,选购产品时,不要被单纯的不正常低价蒙蔽双眼。对于与自己驾驶出行、旅游探险息息相关的导航产品来说,一定不要吝啬为自己的“出行安全”买单。

    作为GPS导航产品,产品技术的升级和地图数据的更新是非常重要的,只有专业品牌的厂家才能够为消费者及时提供这样的服务。

    6误区

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    油价三连跌后,又迎来三连涨,刚刚购车的新手,更是担心自己多跑了冤枉路,导致任何省油驾驶习惯都白费了。因此,购车之后,越来越多的菜鸟都会考虑购买车载导航仪。可是,记者发现,除了导航产品本身的缺陷外,无论在选购时的静态测试,还是在实际应用过程中,车主们都存在一些认识误区。

    一:选购时莫迷信搜星速度

    通常,在购买GPS导航仪的商店中,销售人员会向消费者们展示产品的搜星接收信号如何迅速。通常,GPS分为热启动、冷启动和温启动三种方式,但在售卖导航仪的过程中,有些销售人员故意偷换概念,用不同状态下的GPS进行搜星速度比测。一般初次使用时、电池耗尽导致信息丢失,或者关机状态下将接收设备移动1000公里以上距离时,GPS冷启动定位速度相比热启动定位速度要慢很多。

    其实,很多消费者都看重超快速定位,但销售人员展示的搜星超快不一定是真的快,因为需要区分冷热启动的不同状态,像市场上有些GPS产品搭载了HotFix超快速定位技术,比起其余没有超快速定位技术的产品,定位速度要快一倍以上。

    二:语种并非越多越实用

    由于实际应用中,多数情况下是利用产品的声音来导航,因此,越来越多的产品又多了一个卖点“多语种选择”,除了最常见的普通话、英语,还出现了粤语、客家话、潮州话、东北话、四川话等方言,因此,有的消费者在选购时,就觉得它的“语言能力”超强。但有些消费者在使用后反映,其实最能够将路面实际情况表达得恰到好处的,始终是普通话。其它语言则只是将路名距离等简单的信息机械地以当地方言表达出来,因此,在导航信息的表述中,让人感觉怪怪的。

    三:对比超远景点路线规划

    选择一款导航产品,它对路线规划、演算速度的快慢,是衡量产品优劣的一个重要方面。因此,有些消费者在购买时,喜欢输入当地的道路信息,以试验产品的运算情况,这并不足够。可尽量将一些极远的地点,如西藏、新疆、内蒙古、吉林等地的旅游景点设为目的地,以测试机器的计算速度。而且,这种远程目的地最好多输入几个。记者在使用中发现,将西藏布达拉宫设为目的地,有的产品虽然可以较迅速地规划出路径,但再将吉林、内蒙古的一些景点设为目的地,让它演算,产品就逐渐出现了运算缓慢甚至死机现象。如果机器每次的演算状态进度,从0%-100%都可以在短时间内完成,证明其运行质量可以得到保证。但如果有的机器在显示到60%-70%时,就出现很缓慢,甚至死机,这种机器显然不太适合那些喜欢自驾远游的消费者。

    四:输入兴趣点对比地图信息量

    市场上大部分品牌的GPS导航仪,都会选择一家固定的电子地图商合作。但要注意,这种符合国家出版资质的电子地图,大体上数据信息相差不大,但却有南北之分。有的公司的电子地图面向的市场为南方,因此,使用者会发现,本地的一些兴趣点的信息量会十分丰富,以郊区一些楼盘为例,主打南方市场的某电子地图,连该楼盘内不同小区的名称都可以显示出来。而一些侧重北方市场的电子地图,则连该楼盘都找不到。因此,在选购时,消费者可以根据自己的需求,对比一下不同产品电子地图的信息量是否丰富。比如,选择了禅城区之后,可输入一些连锁餐饮企业名称,看同一区域内哪个更详细些。结果,有些地图显示出二十几个,但另外一些地图只显示出十来个。

    五:别凭熟悉路线判断产品优劣

    在选购时,很多人会第一时间将自己经常行驶的出发地与目的地输入,看看它指引的路线是否与自己经常行驶的路线吻合,以此来判别产品的优劣。其实,这并不完全正确。有经常使用导航仪的车主表示,在不堵车的前提下,往往导航仪推荐的路线更近。可见,如果车主比较熟悉出发地与目的地,容易怀疑导航仪的引导路线。不过,导航仪指引的路线虽然比较近,但也会出现所指引的小路路况极差,甚至难以通过的情况。

    参考资料

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    [1].GPS

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    GPS 图册
    • 浏览次数: 7600 次
    • 更新时间:2014-10-14
    • 创建者:国搜百科
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