国际扫盲日，全球定位系统GPS知识扫盲必读

１９６６年９月８日，是第一个国际扫盲日。１９６６年，联合国教科文组织第十四次大会决定，每年９月８日为国际扫盲日，希望通过国际扫盲日活动推动扫盲工作的开展，使各国适龄儿童都能上学、在校学生不过早辍学、成年文盲有受教育机会。

９月８日适逢新学年的开始，把这一天定为国际扫盲日，应该也有一定的寓意。说到扫盲日，目前很到一部分车友对GPS的认识也同样存在盲区，所以借助今天的扫盲日，进行一次GPS扫盲。很多人只知道GPS是一种定位系统，但是却容易将GPS、GPRS、导航、电子狗等的概念混淆，下面就摘要性的介绍一下GPS的概念以及导航原理，普及一下GPS的知识。更多的GPS知识如定位精度等，请访问RoutonLife网站的“技术支持”中的【精伦百科】，将有更详细的介绍。

GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的简称，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统，是由美国政府于20世纪70年代开始进行研制并于1994年全面建成。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。

GPS系统实际上包括三大部分：太空中的24颗GPS卫星；地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站；再就是用户端的GPS接收机，也就是用户手中的个人导航电脑，比如路腾的GPS。对于我们普通用户来讲GPS就是用来为我们提供位置信息，配合电子地图，GPS导航电脑就可以为我们做向导了。

最少只需其中4颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。对于个人的导航电脑来说您只要能接收到3颗卫星就可以开始导航了，当然也是接收到的卫星越多，导航的精度越高，不过在导航软件中也对位置信息进行了智能的修正。

个人导航电脑导航过程中的信号状态

GPS的应用非常广泛，细数一下可以概括为以下几种：大地控制测量、地形、地籍及房地产测量、公安、交通系统、海洋测绘、航海航空导航、农林业、旅游及野外考察、军事领域等等。

GPS导航系统的组成

GPS是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

卫星部分：空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。在地球上的任何地面位置、任何时间都可观测到四颗以上的卫星。

地面控制部分：有一个主控制站，当然在美国的本土了，在科罗拉多。三个地面天线，五个监测站，分布在全球。主要是收集数据，计算导航信息，诊断系统状态，调度卫星等等。

地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站对地面监控部实行全面控制，主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站的主要任务是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。

地面用户接收机：个人的导航电脑就是地面用户接收机的一种了，还有有袖珍式、背负式、车载、船载、机载等等。GPS卫星所发送的信号，可供很多用户共享。GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出运动（或静态）载体的位置、速度、高度、运动方向、时间等三维参数。另外，目前的GPS导航电脑也不纯粹的只有导航功能了，强大的附加功能也给用户带来更多精彩的使用体验，譬如精伦电子在2009年最新推出的个人车载卫星导航电脑路腾P660/P650，不仅仅是一部用来导航的设备，而是融入了更多的个人数码娱乐、学习和通讯功能。比如MP3播放、MP4视频播放、电子书、手机免提、移动数字电视、移动证券等功能。

路腾P660地图导航界面

路腾P660部分附加功能

GPS导航系统原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。3颗星二维、4颗星三维定位，这是GPS基本原理。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR））。当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制信号解出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含每帧长6s的5个子帧。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接收到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟作对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

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。

Vti（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 。

从介绍中，可以看到，GPS卫星是GPS中的重要角色，GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，卫星重774kg，使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板(BLOCK I)，全长5.33m接受日光面积为7.2m2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15Ah镍镉电池充电，以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30度的两个L波段（19cm和24cm波）的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度，准确对准卫星的可见地面。

在轨道上的GPS卫星

由GPS系统的工作原理可知，星载时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器，相对频率稳定度为10 − 11/秒。误差为14米。1974年以后，GPS卫星采用铷原子钟，相对频率稳定度达到10 − 12/秒，误差8m。1977年，BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到10−13/秒,误差则降为2.9m。1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为10−14/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。

目前全球卫星定位系统除了美国的GPS系统之外，还有俄罗斯的格洛纳斯系统、中国的北斗系统以及欧洲的“伽利略”划。这里仅介绍GPS的基本概念及原理，更多的GPS知识如定位精度等，请访问RoutonLife网站的“技术支持”中的【精伦百科】，将有更详细的介绍。