宣城市公安局戴来永:GPS（全球定位系统）详解

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。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

　 全球定位系统(Global Positioning System,缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

　　按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

　　地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。

　 　全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓， 目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。

一、GPS扫盲

　　什么是GPS呢？我想大家都知道它是一种卫星定位系统，但是怎样才能根据自己的所需选购适合自己的GPS产品呢？让我们一起来了解GPS的运行原理和GPS的分类。

　　1、 导航GPS是用于定位、导航产品。

　　按运载体分： 手持/车载、船载、航空机载、航天（弹载、箭载、星载）

　　按精度分：普通导航（10米以内精度）、精密导航（米级精度）高精度导航（厘米极精度）

　　按动态要求分： 低动态、中动态、高动态应该说GPS的应用是非常广泛的，人们对其需求也是多种多样的，我们将提供您全面的最佳解决方案。

　　2、 什么叫导航

　　导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆以及个人（总称作运载体）安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。导航的基本功能是回答：我现在在哪里？我要去哪里？如何去？

　　导航应由导航系统完成，包括装在运载体上的导航设备以及装在其他地方与导航设备配合使用的导航台。从导航台的位置来看，主要有：陆基导航系统： 即导航台位于陆地上，导航台与导航设备之间用无线电波联系。

　　星基导航系统：导航台设在人造卫星上，扩大覆盖范围。导航是人类从事政治、经济和军事活动所必不可少的信息技术。今天，随着人类活动的发展，对导航的要求越来越高。

　　3、 导航的发展过程

　　人类最初的导航，只能通过石头，树，山脉等作为参照物，渐渐发展到天文观测法，即通过天上的太阳，月亮和星星来判断位置。而中国四大发明之一的指南针是人类导航领域的一个里程碑。

　　无线电导航的发明，使导航系统成为航行中真正可以依赖的工具，因此具有划时代的意义。

　　4、 GPS系统组成

　　GPS gloabal Positioning System,这玩意是美国人搞的。主要分三大块，地面的控制站、天上飞的卫星、咱们手里拿的接收机。
简单唠叨唠叨。

　　先说说设备， 当然大个的都是老美给咱准备好的，地上，有一个主控制站，当然在老美的本土了，在科罗拉多。三个地面天线，五个监测站，分布在全球。主要是收集数据，计算导航信息，诊断系统状态，调度卫星这些杂事。

　　天上，有27颗卫星，距离地面20200公里。27颗卫星有24颗运行，3颗备用。这些卫星已经更新了三代五种型号。卫星发射两种信号：L1和L2。L1:1575.42MHZ, L2:1227.60MHZ。卫星上的时钟采用铯原子钟或铷原子钟，计划未来用氢原子钟，比我的手表准。

　　手里，就是接收机了。大大小小，千姿百态，有袖珍式、背负式、车载、船载、机载什么的。一般常见的手持机接收L1信号，还有双频的接收机，做精密定位用的。

　　5、关于GPS接收机

　　GPS现在一般都是12通道的，可以同时接收12颗卫星。早期的型号，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收机收到3颗卫星的信号可以输出2D（就是2维）数据，只有经纬度，没有高度，如果收到4颗以上的卫星，就输出3D数据，可以提供海拔高度。但是因为地球自己的问题，不是太标准的圆，所以高度数据有一些误差。现在有些GPS接收机内置了气压表，比如etrex的SUMMIT和VISTA，这些机器根据两个渠道得到的高度数据综合出最终的海拔高度，应该比较准确了。

　　GPS接收机的第一次开机，或者开机距离里上次关机地点超过800KM以上，因为接收机里存储的星历都对不上了，所以要在接收机上重新定位。

　　6、定位精度

　　谈到定位精度，就得说说SA和AS.

　　什么是SA，AS呢？别急， 这还得从头说起，要不然你也不好明白。

　　GPS的信号有两种C/A码，P码。

　　C/A码的误差是29.3m到2.93米。一般的接收机利用C/A码计算定位。美国在90代中期为了自身的安全考虑，在信号上加入了SA (Selective Availability)，令接收机的误差增大，到100米左右。在2000年5月2日，SA取消，所以，咱们现在的GPS精度应该能在20米以内。

　　P码的误差为2.93米到0.293米是C/A码的十分之一。但是P码只能美国军方使用，AS（Anti-Spoofing），是在P码上加上的干扰信号。

　　总之，老美也是挺累的。发了一大堆卫星用于军用定位。然后觉得不值，想赚点钱，于是开发信号给民用，精度还不能太高，可精度低了大家又骂娘。因为GPS掌握在老美的手中，虽说免费使用，可是其他国家用着也不踏实，前两天打阿富汉是，美国就把该地区的GPS信号做了处理，定位精度变低。所以说，还是要尽快开发出自己的GPS系统。这样才不能时刻受到老美的管制。

　　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。中国也有自己的卫星定位，叫北斗，是双星系统，只能定位自己国家和附近的地区，而且目前只用于军方。

二、GPS应用知识

　　今天讲的东西比较枯燥，但是有用啊，可以拿去和别人神侃。

　　1. GPS的设置

　　GPS拿到手，如果是新机器要定位，上次已经提到了。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：就是北在哪里。北在哪里呢？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：自己选吧，我用公制。

　　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。几乎现在所有的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，0183有几个版本，V1.5 V2.1。所以，如果大家的GPS接收机如果要联上笔记本里通用的GPS导航程序，比如OZIEXPLORER和俺的GPSRECEIVER，就应该选择NEMA V2.0以上的协议。NMEA规定的通讯速度是4800 b/S。现在有些接收机也可以提供更高的速度，但说实话，没有什么用，4800就足够了。

　　象GARMIN，自己有一个mapsource软件，为了不让其他品牌的GPS使用该软件，就设计了私有的GARMIN协议，只有GARMIN的机器才能输出这种数据，而MAPSOURCE只能接收GARMIN协议，这样一来MAPSOURCE就只能让GARMIN的机器使用，打倒打倒！！！

　　2.经纬度的表示

　　再讲讲数据表示吧。一般从GPS得到的数据是经纬度。经纬度有多种表示方法。
　　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，我的GPS315只能选择第二种和第三种一度是多远呢？如果这么问，可就太外行了。

　　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 (先说明白，不精确啊)。

　　经度就不是这样啦，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。大家想想，没错吧。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。 （这个公式也不精确呀，蒙人还可以）

　　做题：北京的经度119度，纬度40度。单位经度，单位纬度各是多少？
　　答： 单位纬度111.133KM 单位经度111.413×COS 40 = 85.347KM

　　讲这些的用途就是容易理解经纬度的表示。
　　1.）ddd.ddddd，在北京，纬度最后一位小数增1，实际你走了多少？大约1.1M经度最后一位小数增1，实际你走了多少？大约0.85M
　　2.) ddd.mm.mmm，在北京，纬度最后一位小数增1，实际你走了多少？大约1.85M经度最后一位小数增1，实际你走了多少？大约1.42M
　　3.) ddd.mm.ss，在北京，纬度秒增1，实际你走了多少？大约30.9M经度秒增1，实际你走了多少？大约23.7M

　　今天说的都不是精确的公式，一般估计大致的数字没有问题。