浅谈GPS原理及其应用

浅谈GPS原理及其应用

随着科技和制造业的进步，众多科技含量较高的产品被越来越广泛地应用在生活中，卫星导航定位系统就是一个很好的应用实例，其中以美国的GPS系统应用最为普遍，常见的如：车载GPS导航仪、智能手机中的电子地图导航功能等。在本人的教学工作中，多次遇到学生询问于此相关的问题，本文就GPS的原理及应用进行简述。

1．卫星导航定位系统含义及概况

定位，顾名思义就是确定某一个目标的位置，就是要搞明白“我在哪里”的问题。导航，就是对某一目标（汽车或者飞机等）运动时的连续定位，就是搞明白“我走了哪些路”，或者“我将要走哪条路”。随着航天、通讯等科技的发展，人造卫星也被用来定位和导航，其能够提供全球性的，全天候的，高精度、实时的导航定位服务，以及授时服务。

全球卫星导航系统有好几种，美国的GPS 、俄罗斯的GLONASS、我国的Compass（北斗）、欧洲的伽利略（Galileo）系统，可用卫星数目达到100颗以上[1]。其中在全球范围内应用最成熟、最广泛的就是美国的GPS系统。GPS系统始于1973年的美国国防部批准的“导航卫星定时和测距/全球定位系统”，简称GPS（即Global Positioning System，全球定位系统），被誉为人类在20世纪仅次于计算机之后的最为重大的发明。

2．GPS系统的基本定位原理

GPS系统的基本配置是24颗卫星构成，卫星位于6个地心轨道上，每个轨道有4颗卫星，每个轨道接近于圆形，与赤道面的倾斜夹角为55°，沿赤道以60°间隔均匀分布[2]，形成了对地球的网络包围，图1表述了GPS卫星的星座分布。轨道的半径约为26600km，也就是高度大约离地面20200km，轨道的周期是半个恒星日，约11.976个小时。理论上，在地球表面的绝大多数地点都能观测到的有效卫星颗数≥4颗。而4颗或者更多的GPS卫星就能够确定每天24小时内地球表面上任何地点观测者（观测设备）的位置了。如图2所示。

图2 GPS定位示意图

每一颗GPS卫星都携带有铯原子钟和（或）铷原子钟，为发射信号提供高精度时间信息的，GPS卫星在工作时，以一定的频率（两个频率，1575.42MHz 和1227.6MHz）向地球发射无线电波信号，其报文的主要信息是该电波信号发出时刻的时间信息，用户接收机无源工作（即只接收信号），接收能观测到GPS卫星的电波信号，并标记出收到该电波信号的接收时刻，算出该电波从发射到被接收的传播时间，已知电波是以光速传播的，就可以用传播时间来计算出到接收机到GPS卫星的距离。

在以地心为坐标原点的WGS-84地心坐标系三维空间中，如果能够知道到达不在同一条直线上的3颗卫星的距离，那么就可以确定该接收机在地球附近所在的位置。在一段时间内连续观测，就可以得出接收机的经纬度和高度变化情况，于是就得出了接收机移动的方向和速度了。由于GPS定位是依靠时间差来实现距离计算的，所以必须需要第4颗卫星给接收装置提供时钟修正信息，使接收机时钟与卫星时钟同步。

实现定位之后，就可以在应用设备上记录目标移动时所经过的路径，并且可以经过估计和计算，对某预定地点提供导航服务。