什么是全球定位系统？ 了解 GPS

全球定位系统或 GPS 是提供定位、导航和授时系统 (PNT) 的全球导航卫星系统 (GNSS)。 它是由美国国防部（US DoD) 在 1970 年代初期。还有其他卫星导航系统，如俄罗斯的 GLONASS、欧洲的伽利略和中国的北斗，但美国的全球定位系统 (GPS) 和俄罗斯的全球导航卫星系统 (GLONASS) 是唯一功能齐全的卫星导航系统导航系统分别有32个卫星星座和27个卫星星座。 在 GPS 技术发展之前，导航（在海、陆或水中）的主要辅助工具是地图和指南针。 随着 GPS 的引入，导航和定位变得非常容易，定位精度为两米或更小。接收器在 2-D 平面接收器在 3D 空间中的位置 GPS 接收器的类型全球定位系统 (GPS)的应用 GPS 的历史在 GPS 发展之前，地面导航系统如美国的 LORAN（远程导航） 和英国的 Decca Navigator System 是导航的主要技术。 这两种技术都基于无线电波，范围仅限于数百公里。 在 1960 年代初期，三个美国政府组织，即美国国家航空航天局 (NASA)、国防部 (DoD) 和运输部(DoT) 与其他几个组织开始开发基于卫星的导航系统，旨在提供高精度、不受天气影响的操作和全球覆盖。该计划演变为导航卫星授时和测距全球定位系统（NAVSTAR 全球定位系统）。 该系统最初是作为军事系统开发的，以满足美国军方的需求。 美国 军方使用 NAVSTAR 进行导航以及武器系统瞄准和导弹制导系统。 敌人使用这种导航系统对抗美国的可能性是平民无法使用它的主要原因。第一颗 NAVSTAR 卫星于 1978 年发射，到 1994 年，一个由 24 颗卫星组成的完整星座被放置在轨道上，从而使它完全可操作。1996年，美国 政府认识到 GPS 对平民的重要性，并宣布了双重用途系统，允许军用和民用。 GPS 结构概述 基于卫星的导航系统全球定位系统 (GPS) 的基本技术是测量接收器和同时观测的几颗卫星。这些卫星的位置是已知的，因此通过测量其中四颗卫星与接收器之间的距离，GPS 接收器位置的三个坐标即 可以确定纬度、经度和高度。 由于可以非常准确地确定接收器的位置变化，因此也可以确定接收器的速度。 GPS Segments 这个复杂的全球定位系统的结构分为三个主要部分：空间段、控制段和用户部分。 其中，控制段和空间段由美国空军开发、运营和维护。 下图显示了 GPS 系统的三个部分。空间部分 GPS 的空间部分 (SS) 由 24 颗卫星组成，这些卫星以近似圆形轨道环绕地球运行。 卫星放置在六个轨道平面中，每个轨道平面由四颗卫星组成。 轨道平面的倾角和卫星的定位以特定的方式排列，以便至少有六颗卫星始终在地球上任何位置的视线内。 谈到空间中星座的排列，GPS卫星被放置在大约 20,000 公里高度的中地球轨道 (MEO) 中。 为了增加冗余度和提高精度，星座中的 GPS 卫星总数已增加到 32 颗，其中 31 颗卫星正在运行。 控制段 GPS 的控制段 (CS) 由全球监测和控制网络组成和跟踪站。 控制部分的主要任务是跟踪 GPS 卫星的位置并通过帮助机动命令将它们保持在适当的轨道上。此外，控制系统还确定和维护机载系统的完整性、大气条件、来自原子钟的数据GPS 控制段再次分为四个子系统：新主控站 (NMCS)、备用主控站 (AMCS)、四个地面天线 (GA) 和全球监测站网络 (MS)。 GPS 卫星星座的中央控制节点是主控制站 (MSC)。 它位于科罗拉多州施里弗空军基地，24×7 全天候运行。主控站的主要职责是：卫星维护、有效载荷监测、同步原子钟、卫星机动、管理 GPS 信号性能、上传导航信息数据、检测GPS 信令故障和对这些故障的响应。有几个监测站 (MS)，但其中六个很重要。 它们位于夏威夷、科罗拉多斯普林斯、阿森松岛、迭戈加西亚、夸贾林和卡纳维拉尔角。 这些监测站持续跟踪卫星的位置并将数据发送到主控站进行进一步分析。为了将数据传输到卫星，有四个地面天线 (GA) 位于阿森松岛、卡纳维拉尔角、迪戈加西亚和夸贾林。 这些天线用于将数据上传到卫星，数据可以是时钟校正、遥测命令和导航消息等任何内容。定位和计时。 通常，为了访问 GPS 服务，用户必须配备 GPS 接收器，如独立 GPS 模块、支持 GPS 的手机和专用 GPS 控制台。有了这些 GPS 接收器，民用用户可以知道标准位置、准确时间和速度，而军队使用它们进行精确定位、导弹制导、导航等。 GPS 的工作原理在 GPS 接收器的帮助下，我们可以计算地球上任何地方的物体在二维或三维空间中的位置. 为此，GPS 接收器使用一种称为三边测量的数学方法，该方法可以通过测量物体与少数其他已知位置的物体之间的距离来确定物体的位置。因此，在 GPS 接收器的情况下，为了要找出接收器的位置，接收器模块必须知道以下两件事：• 卫星在空间中的位置和• 卫星与 GPS 接收器之间的距离确定卫星的位置为了确定卫星的位置卫星，GPS 接收器利用 GPS 卫星传输的两种类型的数据：年历数据和星历数据。 GPS 卫星连续传输其大致位置。 这些数据称为年历数据，随着卫星在轨道上移动，它会定期更新。 该数据由 GPS 接收器接收并存储在其内存中。 在年历数据的帮助下，GPS 接收器可以确定卫星的轨道以及卫星应该在哪里。 太空中的条件无法预测，卫星很有可能偏离他们的实际路径。 主控制站 (MCS) 和专用监测站 (MS) 跟踪卫星的路径以及其他信息，如高度、速度、轨道和位置。如果任何参数有任何错误，校正后的数据是发送到卫星，使它们保持在准确的位置。 这种由 MCS 发送到卫星的轨道数据称为星历数据。 卫星收到此数据后，会校正其位置并将此数据发送到 GPS 接收器。借助这两个数据，即 历书和星历，GPS接收器可以随时知道卫星的确切位置。确定卫星和GPS接收器之间的距离为了测量GPS接收器和卫星之间的距离，时间起着主要作用。 计算卫星到 GPS 接收器距离的公式如下：距离 = 光速 x 卫星信号的传播时间这里，传播时间是卫星信号（无线电波形式的信号，由卫星发送到 GPS 接收器）到达接收器。光速是一个恒定值，等于 C = 3 x 108 m/s。 为了计算时间，首先我们需要了解卫星发送的信号。卫星发送的转码信号称为伪随机噪声（PRN）。 当卫星生成此代码并开始传输时，GPS 接收器也开始生成相同的代码并尝试同步它们。 GPS 接收器然后计算接收器生成的代码在与发射的卫星同步之前必须经历的时间延迟量代码。一旦知道卫星的位置及其与 GPS 接收器的距离，就可以使用以下方法找出 GPS 接收器在 2D 空间或 3D 空间中的位置。接收器在 2-D 平面中的位置为了在二维空间中找到物体或 GPS 接收器的位置，即 一个 XY 平面，我们只需要找到 GPS 接收器和两颗卫星之间的距离。 设D1和D2分别为接收器与卫星1和卫星2的距离。现在，以卫星为中心，半径为D1和D2，在XY平面上围绕它们画两个圆。 这种情况的图示如下图所示。从上图可以清楚地看出，GPS 接收器可以位于两个圆相交的两个点中的任何一个。 如果排除卫星上方的区域，我们可以在卫星下方圆圈的交点处精确定位 GPS 接收器的位置。 两颗卫星的距离信息足以确定 GPS 接收器的位置二维或 XY 平面。 但现实世界是一个 3 维空间，我们需要确定 GPS 接收器的 3 维位置，即 它的纬度、经度和高度。 我们将看到确定 GPS 接收器的 3 维位置的逐步过程。接收器在 3D 空间中的位置让我们假设卫星相对于 GPS 接收器的位置是已知的。 如果卫星 1 与接收器的距离为 D1，则显然接收器的位置可以是以卫星 1 为中心，D1 为半径形成的球体表面的任何位置。如果距离为来自接收器的第二颗卫星（卫星 2）是 D2，那么接收器的位置可以限制在由半径为 D1 和 D2 的两个球体与分别位于中心的卫星 1 和 2 相交形成的圆内。来自此图像, GPS 接收器的位置可以缩小到交点圆上的一个点。 如果我们添加第三颗卫星（卫星 3），从 GPS 接收器到现有的两颗卫星的距离为 D3，则接收器的位置被限制在三个球体的交点上，即 两个点中的任何一个。在实时情况下，将 GPS 接收器的模糊性定位在两个位置之一是不可行的。 这可以通过引入与接收器距离为 D4 的第四颗卫星（卫星 4）来解决。第四颗卫星将能够从可能的两个位置精确定位 GPS 接收器的位置，这些位置之前仅用三颗卫星确定。 因此，实时至少需要 4 颗卫星来确定物体的确切位置。实际上，GPS 系统的工作原理是至少有 6 颗卫星对位于地球上任何地方的物体（GPS 接收器）始终可见。类型GPS 接收器 GPS 被民用和军用。 因此，GPS接收器的类型可以分为民用GPS接收器和军用GPS接收器。 但是标准的分类方式是基于接收器能够检测到的代码类型。基本上，GPS 卫星传输的代码有两种类型：粗采集代码（C/A 代码）和 P – 代码。 消费者 GPS 接收器单元只能检测 C/A 代码。 此代码不准确，因此民用定位系统称为标准定位服务 (SPS)。另一方面，P 代码由军方使用，是一种高度准确的代码。 军方使用的定位系统称为精确定位服务（PPS）。 GPS 接收器可以根据对这些信号进行解码的能力进行分类。另一种对商用 GPS 接收器进行分类的方法是基于接收信号的能力。 使用这种方法，GPS接收机可以分为：单频码接收机单频载波平滑码接收机单频码和载波接收机双频接收机全球定位系统（GPS）的应用GPS已经成为全球基础设施的重要组成部分，类似于互联网。 GPS 一直是发展广泛应用的关键因素，广泛应用于现代生活的不同方面。 大规模制造和组件小型化的增加降低了 GPS 接收器的价格。 下面提到了一小部分 GPS 发挥重要作用的应用程序。现代农业在 GPS 的帮助下实现了产量的提高。 农民正在使用 GPS 技术和现代电子设备来获取有关田地面积、平均产量、燃料消耗、覆盖距离等的精确信息。在汽车领域，自动导引车最常用于工业或消费应用。 GPS 使这些车辆能够进行导航和定位。平民使用 GPS 接收器进行导航。 GPS接收器可以是手机和手表中的专用模块或嵌入式模块。 它们在徒步旅行、公路旅行、驾驶等方面非常有帮助。 附加功能包括车辆的准确时间和速度。消防和救护车等紧急服务受益于 GPS 对灾难位置的准确定位，并且能够准时响应。军队使用高精度 GPS 接收器进行导航、目标跟踪、导弹制导系统等。 还有许多其他应用程序正在使用 GPS 或在未来有很大的使用范围。相关文章：无线通信：介绍、类型和应用多路复用器和多路分解器为什么您的互联网总是断开连接？嵌入式 C 程序的基础什么是 MEMS 传感器？

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