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新闻详情

GPS卫星定位组成

GPS简介
GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目,1964年投入使用。20世纪70年代,美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义:产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。另外一种解释为G/s(GB per s)
GPS前身
GPS系统的前身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit),1958年研制,1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作,每天最多绕过地球13次,并且无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。然而,子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星系统进行定位的可行性,为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。
为此,美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划,并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星,在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统,这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划,这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道,该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号,其强大的功能,当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位,空军的计划能供提供高动态服务,然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的,所以1973年美国国防部将2者合二为一,并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导,还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多,包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。 [1]

原理

编辑

原理一

GPS(Global Positioning System)即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航定位系统,利用该系统,用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;另外,利用该系统,用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。
现实生活中,GPS定位主要用于对移动的人、宠物、车及设备进行远程实时定位监控的一门技术。GPS定位是结合了GPS技术、无线通信技术(GSM/GPRS/CDMA)、图像处理技术及GIS技术的定位技术,主要可实现如下功能:
1.跟踪定位
监控中心能全天侯24小时监控所有被控车辆的实时位置、行驶方向、行驶速度,以便最及时的掌握车辆的状况。
2.轨迹回放
监控中心能随时回放近60天内的自定义时段车辆历史行程、轨迹记录。(根据情况,可选配轨迹DVD刻录服务)
3.报警(报告)
3.1,超速报警:车辆行驶速度超出监控中心预设的速度时,及时上报监控中心
3.2,区域报警(电子围栏):监控中心设定区域范围,车辆超出或驶入预设的区域会向监控调度中心给出相应的报警
3.3,停车报告:调度中心可对车辆的历史停车记录以文字形式生成报表,其中描述车辆的停车地点、时间和开车时间等信息,并可对其进行打印。
3.4,应急报警: 一旦遇有紧急险情(如遭劫等),请马上按动应急报警按钮,向监管中心报警,监管中心即刻会知道您处于紧急状态以及您所在的位置。经核实后,进入警情处置程序,助您脱险。(注:一旦应急报警按钮启动,此设备会立即关闭通话功能,但短信功能正常)
3.5,欠压报警,当汽车电瓶电压过低时,车载主机会自动向监控中心报警,由监控中心值班员提醒用户及时给车辆充电。
3.6,剪线报警,车辆主电瓶被破坏后或不能供电时,内置备用电池可维持产品继续工作,并向监控中心发送剪线报警。
4.地图制作功能
根据查看需要,客户可以添加修改自定义地图线路,以更好服务企业运行
5.里程统计
系统利用GPS车载终端的行驶记录功能和GIS地理系统原理对车辆进行行驶里程统计,并可生成报表且可打印。
6.车辆信息管理
方便易用的管理平台,提供了车辆、驾驶人员、车辆图片等信息的设定,以方便调度人员的工作。
7.短信通知功能
将被控车辆的各种报警或状态信息在必要时发送到管理者手机上,以便随时随地掌握车辆重要状态信息。
8.车辆远程控制
监控中心可随时对车辆进行远程断油断电,锁车功能。
9.车载电话
车载电话可以象普通手机一样拔打电话,调度中心可对此电话进行远程权限设置,即呼入限制、呼出限制、只能呼叫指定的若干电话号码。
10.油耗检测
实时监控车辆的油耗变化,并生成历史时段油量变化报表或油量曲线图,进而直观反映出油量的正常消耗与非正常消耗及加油数量不足等现象,达到油耗高水平管理,杜绝不良事件的发生。(需搭配油量传感器)
11.车辆调度
调度人员确定调度车辆或者在地图上画定调度范围,GPS系统自动向车辆或者画定范围内的所有车辆发出调度命令,被调度车辆及时回应调度中心,以确定调度命令的执行情况。GPS系统还可对每辆车成功调度次数进行月统计。
  1. 智能自检
车载终端可以进行自我诊断,一旦发生故障,就会向中心发出故障通知,方便工作人员维修,确保设备正常工作。
GPS计划始于1973年 ,已于1994年进入完全运行状态。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成:
空间部分(太空部分)
GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成,这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座,其中21颗为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。
控制部分
GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其作用的不同,这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,位于美国克罗拉多(Colorado)的法尔孔(Falcon)空军基地,它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能。监控站有五个,除了主控站外,其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascension)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态;注入站有三个,它们分别位于阿松森群岛(Ascension)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。
用户部分(地面接收)
GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

原理二

GPS的信号
GPS卫星发射两种频率的载波信号,即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60MHz的L2载波,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:
C/A码
C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此,我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。
P码
P码又被称为精码,它被调制在L1和L2载波上,是10MHz的伪随机噪声码,其周期为七天。在实施AS时,P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。
Y码
见P码。
导航信息
导航信息被调制在L1载波上,其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置,导航信息也被称为广播星历。
SPS和PPS是GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPSStandard Positioning Service),另一种是精密定位服务(PPSPrecision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供,标准定位服务由标准定位子系统(SPSStandard Positioning System)提供,精密定位服务则由精密定位子系统(PPSPrecision Positioning System)提供。
SPS主要面向全世界的民用用户。
PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。
在GPS定位中,经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理,以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量:
L1载波相位观测值
L2载波相位观测值(半波或全波)
调制在L1上的C/A码伪距
调制在L1上的P码伪距
调制在L2上的P码伪距
L1上的多普勒频移
L2上的多普勒频移
实际上,在进行GPS定位时,除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外,还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值,如宽巷观测值(Wide-Lane)、窄巷观测值(Narrow-Lane)、消除电离层延迟的观测值(Ion-Free)来进行数据处理。

原理三

GPS的误差
我们在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类:
人为
美国政府从其国家利益出发,通过降低广播星历精度( 技术)、在GPS基准信号中加入高频抖动( 技术)等方法,人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。
卫星星历误差
在进行GPS定位时,计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的,但不论采用哪种类型的星历,所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。
卫星钟差
卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。
卫星信号发射天线相位中心偏差
卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

原理四

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:
上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数,其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。
di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
c为GPS信号的传播速度(即光速)。
四个方程式中各个参数意义如下:
x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。
xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,
可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。
Vto为接收机的钟差。
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。
事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度,普遍采用差分GPS(DGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。
车用导航系统主要由导航主机和导航显示终端两部分构成。内置的GPS天线会接收到来自环绕地球的24颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息,由此测定汽车当前所处的位置。导航主机通过GPS卫星信号确定的位置坐标与电子地图数据相匹配,便可确定汽车在电子地图中的准确位置。
在此基础上,将会实现行车导航、路线推荐、信息查询、播放AV/TV等多种功能。驾驶者只须通过观看显示器上的画面、收听语音提示,操纵手中的遥控器即可实现上述功能,从而轻松自如地驾车。

定位方法

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GPS定位的方法是多种多样的,用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准,作如下划分:

观测值

伪距定位
伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值,所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距,也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单,对定位条件的要求低,不存在整周模糊度的问题,可以非常容易地实现实时定位;其缺点是观测值精度低,C/A 码伪距观测值的精度一般为3米,而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右,从而导致定位成果精度低,另外,若采用精度较高的P码伪距观测值,还存在AS的问题。
载波相位定位
载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值,即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高,一般优于2个毫米;其缺点是数据处理过程复杂,存在整周模糊度的问题。

定位模式

绝对定位
绝对定位又称为单点定位,这是一种采用一台接收机进行定位的模式,它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单,可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。
相对定位
相对定位又称为差分定位,这种定位模式采用两台以上的接收机,同时对一组相同的卫星进行观测,以确定接收机天线间的相互位置关系。

时间

实时定位
实时定位是根据接收机观测到的数据,实时地解算出接收机天线所在的位置。
非实时定位
非实时定位又称后处理定位,它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位得方法。

运动状态

动态定位
所谓动态定位,就是在进行GPS定位时,认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说,在数据处理时,将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。
静态定位
所谓静态定位,就是在进行GPS定位时,认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说,在数据处理时,将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中,静态定位一般用于高精度的测量定位,其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测,时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。

GPS数据

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卜默示条件,GPS模块SiRFStarIII接受每二输出位置的数据,通常$GPRMC精简数据格式的数据,包括纬度,经度的目的,速度(结),运动方向角,年,月,时,分,秒,毫秒,定位数据是有效的或无效的,和其他重要信息。语句格式如下:
$GPRMC,,,,,,,,,,,,*,HH
只需要知道位置信息,所以在阅读唯一的,可以实际应用。
<1>:当地时间代表UTC。格式“当每分钟,小时,分钟和秒2。
<2>:工作代表国家。”“显示可用的数据,“V”表示接受警报,没有可用的数据。
<3>:代表纬度数据。“子级的格式。分分分。”
<4>:纬度半球为代表的“N”或“S”。
<5>:代表经度数据。格式和LD
现状;度分钟。sub-sub-sub-sub.”
<6>:代表经度半球,为“E”或“
软件读取经纬度数据获取用户位置停止分析,确定用户的具体位置在该地区建立和平。方法是基于用户的设置确定中心的纬度和经度和纬度和经度计算出活动维持当前的对象可以超过和平活动预定半径。结果的基础上的歧视,设置相应的标志。 [2]

跟踪应用

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GPS利用全球导航系统,可以通过接收卫星信号来适时确定地面位置。现代科技通过GSM无线网络,将GPS确定的地面位置传递到一些专业的定位平台,物流等行业存在的货物遗失、被盗或发送错误等情况。该定位装置可作为财产跟踪器。使行业用户、个人用户及政府用户实时掌握移动资产的地理信息,全面提高移动资产管理效率和安全监控系数。该跟踪器有助于客户更加有效的利用移动资源进行高效运作,提高企业竞争力,实现客户的利益最大化。
GPS汽车跟踪器
汽车跟踪器平台上标注出当前位置。用户可以用此方法很方便的得到目标的位置。
GPS在汽车跟踪器中的应用,已经应用到了生活的方方面面,在警用调查中,GPS汽车跟踪器是决对不可缺少的一部分,警察将GPS定位器放到犯罪分子的行动工具上后,可以在警用监控中心很方便的看到犯罪分子所有的区域和行动路线,达到及时发现犯罪窝点,解决治安隐患。
GPS在汽车跟踪中,平台是必不可少的,在国内有很多这样的平台,里面内置有各种最新的电子地图GOOGLE卫星图片。实时的标注GPS汽车跟踪器上传定位平台的位置信息,让用户一目了然的了解目标的位置。

平台

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中心端采用固定IP接入,用来接收和处理GPS终端通过移动网络提交上来的各种数据,如终端当前位置信息,终端的各种报警信息等,同时处理客户端提交上来的各种查询请求。
中心端由硬件和软件组成,软件技术则包含数据库技术、GIS技术、负载均衡技术、网络协议技术等。
GPS定位平台根据不同应用分以下几种:
  1. 出租车、长途客车、货运车辆的监控调度指挥系统
  2. 物流车辆的监控、调度指挥系统
  3. 交通管理等政府部门车辆的调度指挥系统
  4. 保险公司值勤车辆的监控、调度指挥系统
  5. 公安、交警值勤车辆的监控、调度指挥系统
  6. 银行运钞车辆的监控调度指挥系统
  7. 邮政、120急救车辆调度监控系统
  8. 机关、企业四人车辆的定位控制等等
  9. 小孩、老人定位
  10. 政府职能部门处置紧急突发事件,对具体负责人行动小组进行远程监控调度管理。
  11. 军警演习操控调度指挥监控管理。
  12. 检调追踪,公务车辆管理监控等。
  13. 高科技安全防护紧急救援礼品。
  14. 私人侦探工具等。
  15. 老年痴呆症患者及盲人随身携带,避免走失。
  16. 精神病患者随身携带避免走失。
  17. 公安对犯毒进行跟踪。
  18. 婚姻家庭出现问题(第三者)。
  19. 盲人行走不便进行跟踪。
  20. 自行车、电动车、摩托车防偷跟踪
  21. 老鹰放飞路线跟踪。
  22. 运动员训练路线跟踪。

应用

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在工程测量方面,应用GPS静态相对定位技术,布设精密工程控制网,用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点,应用GPS实时动态定位技术(简称RTK)测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。
在航空摄影测量方面,我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。
在地球动力学方面,GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始用兵GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动,建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。

注意事项

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  1. 在家不能搜星 GPS靠直接接收美国GPS卫星信号工作,需要在室外看到天空的地方才能接收到卫星信号,室内不能接收!
  2. 电池使用时间短 所有车载型GPS电池连续使用时间都不长,因车上有点烟器电源,设计者认为没有机会需要长时间用电池待机,电池只做备用,不插电源连续使用一般只有40分钟~1.5小时,型号不同,使用不同,还会有较大差异。 需要注意的是汽车点火发动的瞬间,启动电流很大,有冲击烧毁车充保险丝的风险,最好在汽车启动的时候,不要在点烟器上插车充,启动后再连接。
  3. 定位不准 GPS正常平面定位误差在10-20米以内,受到如天气,美国GPS政策等诸多因素影响,有时还会更大。如果地图指示位置没有很准确在路上,原因可能是信号不良导致延滞造成误差,也可能是地图数据偶尔偏差,也有可能是路很宽,所以看起来GPS好像稳定偏移路面。
  4. 不能搜星或者搜星慢 遇到不能搜星或者搜星慢的情况不要着急,请换地点改时间再试试。不要用一两次,或一两天就决定GPS的好坏,由于卫星状态每天都不同,也许同一个地方,上午信号满格,但晚上信号差点。

影响因素

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1、美国国防部SA卫星信号干扰。(卫星信号受美国控制,偶尔有可能会中断信号服务) 2、天气因素。如:太阳黑子、恶劣天气(降低讯号强度,但不影响定位) 3、电气电磁干扰;遮蔽物下(建筑物里,山谷、峡谷、隧道) 4、汽车挡风玻璃上的隔热膜、隔热纸、金属成份遮蔽等。(降低讯号强度,但不影响定位) 时间显示不正常 GPS上的日期时间是专门用来显示卫星时间的,GPS收到卫星信号才显示正常,没信号时不正常,它不是常用的电子表,不能调整不能保存。 GPS定位原理 卫星定位系统共有24颗人造卫星分布在工作6个轨道上运转,每个轨道间互成120度角,使得GPS使用者在任何时间、地点都可接收到卫星信号加以定位。且不受天气的影响(受地形或建筑物遮蔽影响,也就是在室内或公交车上较难收到卫星信号。

组成

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GPS由三个独立的部分组成:
● 空间部分:21颗工作卫星,3颗备用卫星。
● 地面支撑系统:1个主控站,3个注入站,5个监测站。
● 用户设备部分:接收GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息,经数据处理,完成导航和定位工作。
GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。


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