GPS（全球定位系統）詳解

　　全球定位系統（Global Positioning System - GPS）是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全方位建成，具有在海、陸、空實行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。經近10年我國測繪等部門的使用說明，GPS以全天候、高精密度、 自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科，那么就會給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。

　 全球定位系統(Global Positioning System,縮寫GPS)是美國第二代衛星導航系統。是在子午儀衛星導航系統的基礎上發展起來的，它采納了子午儀系統的成功經驗。和子午儀系統相同，全球定位系統由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分組成。




　　按現在的方案，全球定位系統的空間部分使用24顆高度約2.02萬干米的衛星組成衛星星座。21+3顆衛星均為近圓形軌道，運轉周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛星的分布使在全球的任何地方，任什么時候間基本都可觀測到四顆以上的衛星，并能維持良好定位解算精密度的幾何圖形（DOP）。這樣就供給了在時間上連續的全球導航能力。

　　地面監控部分包含四個監控間、一個上行注入站和一個主控站。監控站設有GPS用戶接收機、原子鐘、收集當地氣象數據的傳感器和實行數據初步處理的計算機。監控站的關鍵任務是取得衛星觀測數據并且把這些數據傳送至主控站。主控站設在范登堡空軍基地。它對地面監控部實行全方位調節。主控站關鍵任務是收集各監控站對GPS衛星的全部觀測數據，借助于這些數據計算每顆GPS衛星的軌道和衛星鐘改正值。上行注入站也設在范登堡空軍基地。它的任務關鍵是在每顆衛星運轉至上空時把這類導航數據及主控站的指令注入到衛星。這樣的注入對每顆GPS衛星每天實行一次，并在衛星離開注入站作用范圍以前實行最后的注入。

　 　全球定位系統具有性能好、精密度高、應用廣的特點，是迄今最好是的導航定位系統。隨著全球定位系統的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓， 現在已遍及國民經濟各類部門，并開始逐步深入大家的平時生活。

一、GPS掃盲

　　什么是GPS呢？我想小伙伴們基本都知道它是一種衛星定位系統，不過怎么樣才能按照自己的所需選購適合自己的GPS產品呢？讓我們一塊來了解GPS的運轉原理和GPS的分類。

　　1、 導航GPS是用于定位、導航產品。

　　按運載體分： 手持/車載、船載、航空機載、航天（彈載、箭載、星載）

　　按精密度分：普通導航（10米以內精密度）、精密導航（米級精密度）高精密度導航（厘米極精密度）

　　按動態要求分： 低動態、中動態、高動態應當說GPS的應用是十分廣泛的，大家對其需求同樣是多種多樣的，我們將供給您全方位的最佳排除方法。

　　2、 什么叫導航

　　導航是一個技術門類的總的稱謂，它是引導飛機、船舶、車輛以及個人（總的稱謂作運載體）安全、準確地沿著選定的路線，準時達到目的地的一種手段。導航的一般功能是回答：我當前在什么位置？我要去哪里？怎么去？

　　導航應由導航系統完成，包含裝在運載體上的導航設備以及裝在其他的地方與導航設備配合使用的導航臺。從導航臺的位置來看，一般有：陸基導航系統： 即導航臺位于陸地上，導航臺與導航設備之間用無線電波聯絡。

　　星基導航系統：導航臺設在人造衛星上，擴大覆蓋范圍。導航是人類從事政治、經濟和軍事活動所不可或缺的信息技術。今天，隨著人類活動的發展，對導航的要求越來越高。




　　3、 導航的發展流程

　　人類最初的導航，只能通過石頭，樹，山脈等做為參照物，漸漸發展到天文觀測法，即通過天上的太陽，月亮和星星來判斷位置。而中國四大發明之一的指南針是人類導航領域的一個行程碑。

　　無線電導航的發明，使導航系統成為航行中真正可以依賴的工具，因而具有劃時代的意義。

　　4、 GPS系統組成

　　GPS gloabal Positioning System,這玩意是美國人搞的。關鍵分三大塊，地面的調節站、天上飛的衛星、咱們手里拿的接收機。
簡單嘮叨嘮叨。

　　先說說設備， 當然大個的基本都是老美給咱預備好的，地上，有一個主調節站，當然在老美的本土了，在科羅拉多。3個地面天線，五個監測站，分布在全球。關鍵是收集數據，計算導航信息，診斷系統狀態，調度衛星這些雜事。

　　天上，有27顆衛星，距離地面20200公里。27顆衛星有24顆運轉，3顆備用。這些衛星已經更新了三代五種型號。衛星發射兩種信號：L1和L2。L1:1575.42MHZ, L2:1227.60MHZ。衛星上的時鐘使用銫原子鐘或銣原子鐘，計劃未來用氫原子鐘，比我的手表準。

　　手里，就是接收機了。大大小小，千姿百態，有袖珍式、背負式、車載、船載、機載什么的。大多數經常遇見的手持機接收L1信號，還有雙頻的接收機，做精密定位用的。

　　5、關于GPS接收機

　　GPS當前大多數基本都是12通道的，可以與此同時接收12顆衛星。早期的型號，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收機收到3顆衛星的信號可以輸出2D（就是2維）數據，只有經緯度，沒有高度，假如收到4顆以上的衛星，就輸出3D數據，可以供給海拔高度。不過由于地球自己的問題，不是太標準的圓，理所當然高度數據有壹些誤差。當前有些GPS接收機內置了氣壓表，比如etrex的SUMMIT和VISTA，這些機器按照兩個渠道取得的高度數據綜合出最終的海拔高度，應當比較準確了。

　　GPS接收機的第一次開機，或開機距離里上次關機地點超過800KM以上，由于接收機里存儲的星歷基本都對不上了，理所當然要在接收機上從新定位。

　　6、定位精密度

　　談到定位精密度，就得說說SA和AS.

　　什么是SA，AS呢？別急， 這還得從頭說起，要不然你也不一定好明白。

　　GPS的信號有兩種C/A碼，P碼。

　　C/A碼的誤差是29.3m到2.93米。大多數的接收機借助于C/A碼計算定位。美國在90代中期出于自身的安全考慮，在信號上加入了SA (Selective Availability)，令接收機的誤差增大，到100米上下。在兩千年5月2日，SA取消，理所當然，咱們當前的GPS精密度應當能在20米以內。

　　P碼的誤差為2.93米到0.293米是C/A碼的十分之一。不過P碼只能美國軍方使用，AS（Anti-Spoofing），是在P碼上加上的干擾信號。

　　總之，老美同樣是挺累的。發了一大堆衛星用于軍用定位。然后才覺得不值，想賺點錢，于是開發信號給民用，精密度還不可以太高，可精密度低了小伙伴們又罵娘。由于GPS熟練掌握在老美的手中，雖說免費使用，可是其他的國家用著也不一定踏實，前兩天打阿富漢是，美國就把該地區的GPS信號做了處理，定位精密度變低。理所當然說，還是要盡快開發出自己的GPS系統。這樣子才不可以時刻受到老美的管制。

　　俄羅斯有自己的衛星定位系統，全球導航衛星系統(GLObal NAvigation Satellite System)。歐洲也必須發展自己的定位系統NAVSAT。中國也有自己的衛星定位，叫北斗，是雙星系統，只能定位自己國家和附近的地區，并且現在只用于軍方。

二、GPS應用知識

　　今天講的物品比較枯燥，不過有用啊，可以拿去和別人家神侃。

　　1. GPS的設置

　　GPS拿到手，假如是新機器要定位，上次已經提到了。除此之外，還有壹些設置，常用的有坐標系、地圖基準、參考方位、公制/英制、數據接口格式什么的。

　　坐標系：常用的是LAT/LON和UTM。LAT/LON就是經緯度代表，UTM在這里就無論他了。
　　地圖基準：大多數用WGS84。
　　參考方位：就是北在什么位置。北在什么位置呢？實際上有兩個北，磁北和真北呀（簡稱CB和ZBY）。
　　指南針指的北就是磁北，北斗星指的北就是真北。兩者在不相同地區相差的角度不同的，地圖上的北是真北。
　　公制/英制：自己選吧，我用公制。

　　數據接口格式：這得細談談。GPS可以輸出實時定位數據讓其他的的設備使用，這樣就牽扯到了數據交換協議。差不多當前全部的GPS接收機基本都遵從美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association)所指定的標準規格，這一標準制訂全部航海電子儀器間的通訊標準，其中包含傳輸資料的格式以及傳輸資料的通訊協議。NMEA協議有0180、0182和0183三種，0183可以認為是前兩種的超集，當前正廣泛的使用，0183有幾個版本，V1.5 V2.1。理所當然，假如小伙伴們的GPS接收機假如要聯上筆記本里通用的GPS導航程序，比如OZIEXPLORER和俺的GPSRECEIVER，就應當選NEMA V2.0以上的協議。NMEA限定的通訊速度是4800 b/S。當前有些接收機也可以供給更高的速度，但說實話，沒有什么用，4800就足夠了。

　　象GARMIN，自己有一個mapsource軟件，出于不讓其他的品牌的GPS使用該軟件，就設計了私有的GARMIN協議，只有GARMIN的機器才能輸出這樣的數據，而MAPSOURCE只能接收GARMIN協議，這樣子一來MAPSOURCE就只能讓GARMIN的機器使用，打倒打倒！！！

　　2.經緯度的代表

　　在講講數據代表吧。大多數從GPS取得的數據是經緯度。經緯度有多種代表方法。
　　1.） ddd.ddddd， 度 . 度的十進制小數部分（5位）
　　2.） ddd.mm.mmm，度 . 分 . 分的十進制小數部分（3位）
　　3.) ddd.mm.ss, 度 . 分 . 秒




　　不是全部的GPS基本都有這幾種顯示，我的GPS315只能選第二種和第三種一度是多遠呢？假如這么問，可就太外行了。

　　在LAT/LON坐標系里，緯度是平均分配的，從南極到北極一共180個緯度。地球直徑12756KM，周長就是12756*PI，一個緯度是 12756×PI /360 = 111.133 KM (先就說明白，不精確啊)。

　　經度就不是這樣子啦，只有在緯度為零的情況下，就是在赤道上，一個經度之間的距離是111.319KM，經線隨著緯度的添加，距離越來越近，最后交匯于南北極。小伙伴們想想，沒錯吧。理所當然經度的單位距離和確定經度所在的緯度是緊密有關的，簡單的公式是：
經度1°長度=111.413cosφ，在緯度φ處。 （這一公式也不一定精確呀，蒙人還可以）

　　做題：北京的經度119度，緯度40度。單位經度，單位緯度各是多少？
　　答： 單位緯度111.133KM 單位經度111.413×COS 40 = 85.347KM

　　講這些的用途就是容易理解經緯度的代表。
　　1.）ddd.ddddd，在北京，緯度最后一位小數增1，實際你走了多少？大約1.1M經度最后一位小數增1，實際你走了多少？大約0.85M
　　2.) ddd.mm.mmm，在北京，緯度最后一位小數增1，實際你走了多少？大約1.85M經度最后一位小數增1，實際你走了多少？大約1.42M
　　3.) ddd.mm.ss，在北京，緯度秒增1，實際你走了多少？大約30.9M經度秒增1，實際你走了多少？大約23.7M

　　今天說的基本都不是精確的公式，大多數估計大致的數字沒有問題。