GPS如何工作？ GPS的工作原理和组成

完整的GPS包括三个部分

1. 空格部分

GPS的空间部分由24颗卫星（21颗工作卫星，3颗备用卫星）组成，这些卫星位于距地面20200公里以上的地方，均匀分布在6个轨道平面上（每个轨道平面4个），轨道的倾斜度是55°. 卫星的分布使您可以随时在世界任何地方观测4颗以上的卫星，并且可以将导航信息预先存储在卫星中. 由于大气摩擦等问题，GPS卫星将逐渐降低导航精度.

2. 地面控制系统

地面控制系统由一个监视站（监视站），一个主控制站（主监视站）和一个地面天线（地面天线）组成. 主控制站位于美国科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯. 地面控制站负责收集卫星返回的信息，并计算卫星星历，相对距离，大气校正等数据.

3. 用户设备部分

用户设备部分是GPS信号. 它的主要功能是能够捕获根据某个卫星截止角选择的被测卫星并跟踪这些卫星的运行. 当捕获跟踪的卫星信号时，它可以测量伪距离和从接收天线到卫星的距离的变化率，并解调卫星轨道参数和其他数据. 基于这些数据，中的微计算机可以根据定位解方法执行定位计算，并且计算用户地理位置的纬度，经度，高度，速度，时间和其他信息. GPS数据的接收机硬件和车载软件以及后处理软件包构成了完整的GPS用户设备. GPS的结构分为天线单元和接收单元. 一般采用机器内部和外部两种直流电源. 设置内部电源的目的是在更换外部电源时继续观察而不会中断. 使用外部电源时，内部电池会自动充电. 关闭后，内部电池将为RAM存储器供电，以防止数据丢失.

目前，各种类型的越来越小，重量更轻，更易于在现场观察和使用. 第二个是用户. 单频和双频有两种类型. 然而，由于价格因素，大多数用户购买单频接收机. 我们通常所说的GPS通常只是用户设备部分. 它接收天空中不同位置的三颗以上卫星的信号，以确定手持设备的位置. 简单地说，它使用数学中的三条线的原理来确定一个点.

GPS的工作原理只是使用一些我们熟悉的几何和物理基本原理. 首先，我们假设卫星的位置已知，并且我们可以准确地测量位置A与卫星之间的距离. 然后，必须将点A定位在以卫星为中心，以测得的距离为半径的球面上. 此外，我们已经测量了从点A到另一颗卫星的距离，那么点A必须在两个球体相交的圆上. 我们还可以测量到第三颗卫星的距离，以确定点A只能位于三个球体相交的两个点上. 根据一些地理知识，可以轻松排除不合理的位置之一. 当然，您也可以测量从A点到另一颗卫星的距离，也可以精确定位. 如上所述，要实现精确定位，需要解决两个问题:

一个就是知道卫星的确切位置；

第二个是准确确定从卫星到我们在地球上的位置的距离. 让我们看看如何做到这一点.

如何知道卫星的确切位置

确保知道卫星的确切位置. 首先，有必要通过认真考虑优化卫星轨道的设计，监测站应通过各种方式不断监测卫星的运行状况，并在适当的时候发送控制命令，以使卫星保持正确的状态. 轨道. 正确的运行轨迹被编入星历表，注入卫星，并通过卫星发送到GPS. 通过正确接收每个卫星的星历，您可以知道卫星的确切位置.

此问题已解决，下一步是准确测量地球上的用户与卫星之间的距离. 卫星远在地球上方，并且在运动. 我们不能像测量地面上的东西一样用尺子进行测量. 那么我们该怎么做呢？

如何确定卫星到用户的距离

过去我们都学过这个公式: 时间X速度=距离. 从物理学上我们还知道波的速度是每秒300,000公里，因此，只要我们知道卫星信号到达我们的时间，就可以使用速度乘以时间等于距离的公式来计算距离. 因此，问题归结为测量信号传播时间.

要准确测量信号传播时间，必须解决两个问题. 一是时基问题. 那意味着有一个准确的时钟. 就像我们每天测量桌子的长度一样，我们需要一个尺子. 如果标尺本身不是标准尺，则测量的长度不准确. 另一个是解决测量问题.

时基问题

GPS导航系统在每个卫星上都安装了非常精确的原子钟，并且通常由监视站进行校准. 卫星发送导航信息以及精确的时间信息. GPS接收此信息，并与其自己的时钟同步以获得准确的时间. 因此，除了精确定位外，GPS还可以生成准确的时间信息.

测量卫星信号传输时间的方法

为了避免使用太多的技术术语，我们首先作一个不恰当的类比. 我们在同一地点启动录音机，并在卫星上播放“东方红”音乐，然后我们应该能够听到另外两个“东方红”音乐，这是听不到的，但只能听见），但必须不同步. 为了使两者结合在一起，我们延迟了启动地面记录仪的时间. 当我们听到两首音乐同步时，启动录音机的延迟等于几首音乐从卫星传播到地面的时间. 当然，波比声波快得多，并且耳朵无法接收到波. 因此，实际上，我们不是在广播“东方红”音乐，而是广播一种称为伪随机码的二进制码. GPS生成的伪随机码被延迟以与从卫星接收的码字同步. 测得的延迟时间是卫星信号发送到GPS的时间. 到目前为止，我们已经解决了确定卫星到用户距离的问题. 当然，以上仍然是非常理想的情况. 实际情况比上面提到的要复杂得多，因此我们必须采取一些对策. 例如: 波的传播速度并不总是恒定的. 穿过电离层中的离子和对流层中的水蒸气会有一定的延迟. 通常，我们可以使用典型的电离层和对流层模型来校正监测站收集的天气数据.

此外，在将波发送到天线之前，由于各种障碍物和地面的折射和反射会产生多径效应. 设计GPS时，必须采取相应的措施. 当然，这是以增加GPS接收机的成本为代价的. 尽管原子钟非常准确，但并非没有任何错误. GPS中的时钟无法像卫星一样设置为昂贵的原子钟，因此第四颗卫星用于校准GPS的时钟. 前面我们提到，每测量三颗卫星就可以定位一个点. 使用第四颗卫星和前三颗卫星的组合，可以测量其他点. 理想情况下，所有测量点都应重合. 但是实际上，它并不完全重叠. 使用此功能，可以依次校准GPS的时钟. 在测量距离时，将选择卫星的相互几何位置，并且测量误差也不同. 为了精确定位，您可以测量更多的卫星，并选择几何位置相距较远的卫星的组合. 测量误差较小. 当我们提到测量误差时，还有另一点需要提及的是美国SA政策. 美国政府计划在GPS设计中提供两项服务. 一种是标准定位服务（SPS），它使用粗码（C / A）定位，精度约为100m，并提供给民用. 另一个是精确定位服务（PPS），它使用精确代码（P代码）定位，精度为10m，并提供给军事和有执照的私人用户. 许多测试表明SPS的定位精度高于原始设计，美国政府出于自身的安全考虑对民用代码进行了一种称为“选择性可用性（SA）”的干扰，以确保其军事系统具有最佳效果. 由于SA通过卫星将错误信息随机添加到导航消息中，因此民用信号C / A码的定位精度降低到大约100米的二维均方根误差.

差分GPS技术（DGPS）可以消除上述大多数错误以及SA造成的干扰，从而提高卫星导航和定位的整体精度，并使系统误差在10至15米之内.

GPS技术的错误

GPS定位过程中存在三部分错误. 每个用户共有一个部分，例如: 卫星时钟误差，星历误差简述gps接收机工作原理，电离层误差，对流层误差等；第二部分是用户无法测量或无法通过校正模型计算出的传播延迟误差. 这三个部分是每个用户的固有误差，例如内部噪声，信道延迟和多径效应. 使用差分技术，可以完全消除误差的第一部分简述gps接收机工作原理，并且可以基本上消除误差的第二部分，这与从参考接收机到用户接收机的距离有关. 错误的第三部分无法消除，只能通过改善GPS本身的技术规格来改善. 美国SA政策带来的错误本质上是人为地增加了前两个部分的错误，因此差异技术也相应地克服了SA政策的影响.

差分GPS技术消除了常见的误差原理

如果距离用户500公里以内，请设置参考接收机. 它和用户同时接收到某颗卫星的信号，那么我们可以认为通过电离层和对流层传递到两个的信号基本相同，因此延迟也相同. 由于接收到相同的卫星，因此星历误差和卫星时钟误差也相同. 如果我们通过其他方法知道三维坐标（也可以用高精度GPS实现，其价格比普通GPS高得多），那么我们可以从测得的伪距中计算出误差. 通过将该误差数据发送给用户，用户可以从测得的伪距中减去误差，并可以实现更精确的定位.

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