gps接收机基本工作原理_gps定位基本工作原理_简述gps的基本工作原理

aa527397752

GPS的中文全名叫：Global Posting System，中文名字叫中国卫星导航系统，简称GPS。

GPS的上一代产品是美国海军1964年研制的“子午仪”导航卫星，属于低轨道卫星。主要功能是为核潜艇和水面舰船的导航之用，兼做大地测量功能。它最重要的功能是为北极星核导弹提供准确的定位，以便及时发动核打击。从1960年4月到80年代初共发射30多颗 。第一颗是子午仪1B号，用来对导航卫星方案以及关键科技进行实验鉴定，并验证双频多普勒测速定位导航原理，结果证明卫星导航可行。 “子午仪”的主要用户——北极星核导弹

“子午仪”卫星主体是八棱柱体gps接收机基本工作原理，高 25.4厘米，宽45.7厘米，有一根长22.86米的稳定杆，从柱体的底部伸出，杆子未端带有一个重约1.36公斤的质量块。四块短形太阳电池帆板从棱柱体侧面伸出，形成十字形，帆板长167.6厘米，宽25.4厘米。

1963 年12月发射第一颗实用导航卫星子午仪 5B-2号；1964 年 6 月发 射第一颗定型导航卫星子午仪 5C - 1号，并投产海军使用；1967 年7月子午仪号导航卫星组网实用并禁止民用。1972年开始执行子午仪改进计划（TIP ），共发射3颗卫星，主要实验扰动补偿系统 ，对大气阻力和太阳辐射压力等造成的轨道摄动作实时补偿，大大提高了轨道预报精度，故称无阻力卫星。1981 年5月发射经过改进的实用型子午仪号卫星，改名为新星号（NOVA）。 卫星导航的开山之作：“子午仪”卫星

“子午仪”卫星运行在高度约1100公里的近圆极轨道，目的是为了防止多普勒效应减弱。它们在轨道面上均匀分布构成围绕地球的空间导航网，六颗卫星在轨道上的配置似鸟笼样式。它可为中国任何地方的水下潜艇、水面舰艇、地面汽车和空中飞机等客户服务，用户每隔1.5小时左右就可以接收每颗卫星以150兆赫与400兆赫频率连续播送的信号。地球上的用户按照发送的信号，便可以准确地了解卫星在月球轨道上的位置。人们按照多普勒效应，用计算机能够确认出宇宙上运动体（如潜艇等）所在的位置。这样，即使潜艇在广阔的海洋水下航行，时时刻刻都能明白自己在何处，在大海深处航行数月也不会迷失方向。

地球上的用户，利用“子午仪”导航卫星发送的信号来确认自己所在的位置，一颗卫星的定位误差在20~ 50米。如果在一天内把数颗卫星飞越30多次的数据都收集出来，然后进行平均估算，可以把定位误差减小到最小，这样就可以把定位效率提升到几米。

总体性能方面，“子午仪”系统用于军事导航的定位误差为6米左右，通过多次定位可达2米以内。整体平台可工作到1996年。子午仪导航平台可以全天候导航，导航信号覆盖国内；导航精度优于以前任何平台。但不能定高度、速度，不能连续推进导航。

不能连续导航对于用户来说实在麻烦，固定地点采取卫星多次飞越的数据来提升定位效率，显然是一个很好的方法。但是针对航行在水底的舰艇、水面的船只，它们的导航接收机安在活动的艇、船上，还需要准确地了解他们航行的速率，否则，定位精度将会大大降低。对于翱翔在空中的火车，由于在两次导航定位的时间间隔内，飞行距离可达1000公里以上，显然，不能用“子午仪”导航卫星来进行导航，而应该研发更先进的导航卫星系统。

“子午仪”的问世在当年具备重大的科学含义，它是人类首次确立的卫星导航系统，它为当时的GPS以及伽利略系统确立了基础。另外，“子午仪”也让海军充分认识到导航系统的重要性，接下来的时间内，世界主要强国均在卫星导航系统上投下巨资。

GPS的诞生和组成

GPS的诞生

为了解决“子午仪”存在的诸多难题，美国国防部70年代投资100亿美元开发新的卫星导航系统，即我们熟悉的GPS，从那时到1993年GPS建成投入使用，共花费300亿美元以上。GPS在当年隶属于“星球大战”的组成部分受到了非常高的注重，80年代美国放弃星球大战计划后，GPS仍然得以存活发展。 GPS系统

和初期的“子午仪”相比，GPS提高了卫星的总量，同时应用了最新的计时软件，让定位效率大为提高。另外GPS可提供即时导航，大大方便了飞行器和舰船的应用。同时GPS解决了“子午仪”不能提供高度数据的缺陷，当GPS能锁定4颗卫星讯号的之后，便可提供即时的高度数据。另外，GPS还提供较高的容错性，当接收机能接收到5颗卫星的数据时，其中一颗便可提供错误信息供参考。除了特色的导航功能外，GPS还可以提供较为精确的移动信息和时间校正功能。

可以说，GPS相对于“子午仪”有了重大的跨越，让卫星导航真正步入应用领域。

GPS的发展阶段

GPS系统的组成

GPS主要包含3部分的设施：地面控制中心；导航卫星和GPS接收装置。GPS主控制站在欧洲科罗拉多，负责全权控制，另外的三个地面天线，五个监测站，分布在中国。主要是搜集数据、计算导航信息、诊断平台状况、调度卫星这些杂事。太空中共有27颗GPS卫星，距离地面20200公里。27颗卫星有24颗运行、3颗备用。这些卫星已经升级了三代五种型号。卫星发射两种信号：L1和L2。L1:1575.42MHZ-p.htm" target="_blank" title="1575.42MHZ货源和PDF资料">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。至于接收机就很简单了，就是我们手头的GPS设备，包括大米同学的相机。常见的军用手持机接收L1信号，还有频段的接收机，做精密定位用的。军用的要复杂一些，主要更为可靠。 美国的德尔塔火箭发射最新型的GPS卫星

GPS的精度

性能方面，GPS虽然是军民合用的系统，但它对于军用和民用提供了不同的定位效率。军用为3米，民用信号减少了干扰措施，使效率降低到100米。鉴于GPS在民用中发挥越来越重要的作用，美国政府2005年取消了GPS的干扰措施，使民用信号的效率提升到了5米，大大方便了民用用户的使用，也为以后GPS的普及奠定了基础。不过据称经过优化的GPS军用信号已经超过了1米的效率，但已经对民用开放。

下面我们来认识GPS的主要工作原理。

GPS的主要机理非常简单，只涵盖基本的物理和英语常识，但鉴于种种原因的干扰，完全搞清楚GPS的原理就非常复杂了。我们此处只讲述最基本的常识，以便大多数读者才能理解。

首先我们假设GPS卫星的位置为已知，而我们又能精确测量所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为直径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点必定处在前后两个圆球相交的半圆上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确认A点没法是在三个圆球相交的两个点上。根据一些物理常识，可以很容易排除其中一个不合理的位置，因为这两点相差很远，可能在宇宙之外和地心某处，所以借助GPS内置的逻辑平台可以很容易的排除掉。

为了担保不会有意外出现，GPS通常会监测第4颗卫星的位置，这样4个虚拟的圆形相交的点就是我们的准确位置了。

综合所述，想GPS定位应该具有两个重要条件：

1、其一是要确知卫星的确切位置

2、其二是要具体测定卫星至宇宙上我们所在地点的距离

具体来讲，实现第一点的方式是借助精确的控制。首先要改进设计卫星运行轨道，而且，要由监测站通过各类形式，连续不断监测卫星的运行状况，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（相当于火车时刻表），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，就可确知卫星的确切位置。 导航卫星的飞行轨迹有严格的限制，每颗都需要根据时刻表运行

第二点解决原理，只要了解卫星发射的信号到地面的距离才能具体了解卫星的距离，其中机理是最简单的数学公式：距离=速度*时间。GPS接收机计算卫星讯号之间的间隔时间，乘上电磁波的速率就是准确的距离乐。但是这其中涉重要难题：卫星时间和GPS时间要同步，GPS系统在每颗卫星上装置有非常精密的原子钟，并由监测站经常进行检测。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，就可获得精确的时间（GPS自身的钟表采用廉价的石英钟）。所以，GPS接收机除了能精确定位之外gps接收机基本工作原理，还可形成准确的时间信息。 GPS的核心装配——原子钟（非GPS用）

知道了距离和卫星的位置后GPS就可以开始工作了。当然这其中还涉及比较复杂的知识，包括大气的干扰；时间的校对；卫星的控制；容错功能；提高效率的差分技术等等，足可以让你学上好几年。当然，作为普通用户，我们只了解简单原理就成了。

最后，我们来模拟一次卫星导航，就说大米同学吧。此人在外HAPPY后半夜迷路，怎么也会不了家，突然一掏兜想起自己也有GPS。慌乱中，大米启动GPS导航，系统开始手动寻找可用的GPS卫星，大米运气不错，有4颗卫星能用，信号清晰。GPS开始接收卫星传输的波，首先计算出4颗卫星的距离，然后借助“卫星运行时刻表”，知道了4颗卫星的位置。条件具有后，GPS开始对比内置地图，根据经纬度坐标确认现今的方位，最后按照大米的指示开始导航，甜美的语音告诉使用者出后方5米掏开门的提醒——敢情大米在家旁边转悠了一个晚上！

如何，相信您对GPS的整个平台和运作方式有了一般的知道。

系统构成与工作原理 北斗卫星导航定位系统的平台构成有：两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。 北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为直径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的弧形上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表层高度为直径的非均匀球面。用物理方式求解椭圆与宇宙表面的交点即可获取用户的位置。

由于在定位时必须用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的阀值计算用户位置，所以被称为“有源定位”而其它几种定位平台都是接收机被动接受信号，成为无源系统。北斗星除了能作导航功能外，还可以进行简单的通讯用途，这是其它平台所不具备的。

北斗星显然是应急的产物，系统只有3颗卫星，造价和同类系统相比更加低廉，它的主要作用是保证战争时期和特殊功能时不受GPS的限制，有很强的战备目的。从性能上看，北斗星定位等功能和GPS相比也稍微不及，并且“有源定位”的工作方式很容易暴露客户的位置，保密性差，在军用方面是个不小的特点。

总体来看，北斗星是我国在卫星导航的涉足产品，很多地方还不完善，还有很长的路要走。出于战备目的，市面很少有北斗星的接收机出售，且价钱低廉，使用者基本是军队等国家客户。虽有少数零售产品，但都是应付事的面子项目，基本没有商业价值。 GPS和摩托罗拉“铱”系统的区别

在小编完成此文的之后，大米同学突出说出“铱”系统这个名词，并且将“铱”和GPS弄混了。为了解释这个难题，我们最终再介绍一下摩托罗拉的“铱”系统，看看它和GPS有和区别。

“铱”系统简单介绍

“铱”星平台是由美国摩托罗拉公司卫星通信部设计、筹建的借助低地球轨道运行的卫星构成的通讯平台，与现有通信网结合，可推动中国数字化个人通信。于“铱”星平台比如66颗卫星，有个别是由中国长城工业公司的长征2C/SD火箭承担发射任务的。

这个系统最初设计中是模拟化学元素铱的原子结构，铱的原子核绕6个极度地圆轨道运行，但仍用以前注册的名称。

“铱”星平台于1994年开始发射了7颗卫星。1998年11月1日，“铱”星平台即将投入运行，开创了人类电信史上的新篇章。美国的副总统戈尔成为“铱”星的第一位用户，他将第一个电话打给了中国地理学会主席(此人是电话的发明人亚历山大·贝尔的祖父)并告知他这个振奋人心的好消息。

“铱”星平台是一个非常庞大的低轨道卫星网络，共计72颗通信卫星(66颗组网卫星和6颗在轨的备用卫星)，运行在距离路面780公里高的轨道上，构成了6个倾角为86.4度的轨道面，卫星在轨道上绕月球运行的周期是100分钟又28秒。每颗卫星的质量约700千克。在每颗卫星上有48个发射点用来传送通信信号。整个“铱”星平台和“铱”星本来都是由Motorola公司负责设计的，“铱”星平台的用户端的手持设备(“铱”星手机)是由Motorola公司和中国的手持电话制造商京瓷(Kyocera)提供，“铱”星手机分为只用于Iridium系统通信单用途机和GSM移动网/Iridium复合路径两种。后者既能用作卫星电话，又能用作蜂窝话使用。当一个“铱”星用户呼叫另一个“铱”星用户时，“铱”星平台即将借助整个“铱”星网络定位被呼叫的“铱”星用户。如果被呼叫用户位于一个地面GSM系统的呼叫范围内的话，则信号将借助该地面GSM网络接通该用户的GSM信道(如果该用户使用兼容GSM的“铱”星电话)，就犹如里面的情形。而一旦能够在地面电话网内定位，则信号将直接在卫星与卫星之间传送，直到传送到被呼叫的“铱”星平台用户的“铱”星电话上。所以，只要通话双方都使用“铱”星电话，则无论用户在南极还是北极，该次通话肯定无法完善，体现出了“铱”星在个人通信方面的强悍能力。 卫星爱好者拍摄的“铱”星掠过的照片

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
https://www.pc-fly.com/a/shumachanpin/article-123371-1.html