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发表于 2007-1-1 11:15:00
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早期仅限于军方使用，由美国国防部 ( Depart of Defense，DoD)所计划发展，其目的针对军事用途，例如战机、船舰、车辆、人员、攻击标的物的精确度定位等。 时至今日，GPS 早已开放给民间做为定位使用，这项结合太空卫星与通讯技术的科技，在民间市场已正在蓬勃的展开，除了能提供精确的定位之外，对于速度、时间、方向及距离亦能准确的提供讯息，运用的范围相当广泛。本文即针对 GPS 的基础观念做一概要性叙述，希望对您有所帮助。 <BR>一、GPS 是什么 <BR><BR><BR> GPS乃是 (Global Position System)的缩写，也就是所谓的全球卫星定位系统，它是一种结合卫星及通讯发展的技术，一般而言， GPS代表着整个系统，包括卫星、地面控制站及GPS接受器。 <BR>目前 GPS卫星已发展至 Block II 型式的定位卫星， 由 Rockwell International 制造，在轨道上重量约 1,900 磅，太阳能接收板长度约17 呎，预期寿命为7.5年，于1994年完成第24颗卫星的发射。因此目前太空中有24颗GPS 卫星可供定位运用，它们平均分布于6 个轨道面，每个轨道面上各有 4 颗，距离地面高度约10,900海浬 (大约20,000公里) ，呈55°角倾斜绕行地球运转，绕行地球一周需12 恒星时，每日可绕行地球2周，这也就是说，不论任何时间，任何地点，至少有 4 颗以上的卫星出现在我们的上空。 <BR><BR> 目前全球有五个地面卫星监控站，分布于夏威夷、亚森欣岛、迪亚哥加西亚、瓜加林岛、科罗拉多泉，这些卫星地面控制站，同时监控GPS 卫星的运作状态及它们在太空中的精确位置，主地面控制站更负责传送卫星瞬时常数(Ephemera's Constant)及时脉偏差(Clock Offsets) 的修正量，再由卫星将这些修正量提供给 GPS 接收器做为定位运用。<BR><BR>二 、GPS 的发展 <BR> 1957年由苏联发射的史波尼克(Sputnik)人造卫星，它是人类历史上的第一颗人造卫星，至第二次大战时，美国麻省理工学院无线电实验室成功的开发了精密导航系统，以利用陆地上的无线电基地台为架构，计算无线电波长及电波到达的时间并以三角定位法计算出自己所在的位置，以当时的技术来说，虽然误差到达一公里以上，但在当时的运用却是相当广泛。 <BR> 当苏联成功的发射第一颗人造卫星时，美国约翰霍普金斯大学 (John Hopkims Univer--sity) 展示了可以由人造卫星的无线电讯号的杜卜勒移动现象来定出个别的卫星运行轨道参数，虽然这只是逻辑上的一点小进展，但假如我们能够得到卫星运行轨道参数，那么我们就能计算出在地球上的位置。 <BR> 1960 ~ 1970 年之间，美国和苏联开始研究利用军事卫星来做导航用途，到了 1974年，军方对GPS 做 了整合，即是我们现在所熟知的 Navstar 系统。 <BR> 1980年代后期开始，所有Navstar 系统的商业运用均归美国海岸防卫队负责，现在GPS 已和地面基地台为架构的LORAN和 OMEGA 无线电导航系统结合，成为美国国家导航信息服务的一环。 <BR>三、GPS 的定位原理 <BR> GPS的定位是利用卫星基本三角定位原理，GPS接收装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离，以距离来判定卫星在太空中的位置，这是一种高轨道与精密定位的观测方式。假设卫星在11,000英哩高处，测量我们的距离，首先以11,000英哩为半径，以此卫星为圆心画一圆，而我们位置正处于球面上。 <BR><BR><BR> 再假设第二颗卫星距离我们12,000英哩，而我们正处于这二颗球所交集的圆周上。 <BR><BR> <BR><BR><BR> 现在我们再以第三颗卫星做精密定位，假设高度13,000 英哩，我们即可进一步缩小范围到二点位置上，但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点，因此，我们舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点。<BR><BR> <BR><BR><BR> 如果要获得更精确的定位，则必定要再测量第四个颗卫星，从基本物理的观念上来说，以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离，我们将此测得的距离称为虚拟距离，在GPS的测量上，我们测的是无线信号，速度几乎达18万6千英哩/Sec的光速，而时间却短的惊人，甚至只要0.06秒，时间的测量需要二个不同的时表，一个时表装置于卫星上以记录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然卫星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接收器同时发出声音给我们，我们会听到二种不同的声音，这是因为卫星从 11,000英哩远的地方传来，所以会有延迟的时间，因此，我们可以延迟接收器的时间，从此延迟的时间╳速度，就是接收器到卫星的距离，此即为GPS 的基本定位原理。 <BR> 在一般状况下，卫星传送伪乱码(Psendo Random Code.) 信号，伪乱码是GPS最基本的部份，其实它是最复杂的，它是一串 0 与 1 的脉冲讯号，由于他是如此复杂，以致于看起来像杂乱的讯号一般，这也就是我们称为伪乱码的原因。 <BR> 为什么要将编码设计如此复杂呢?让我们为您说明如下: <BR>复杂的格式能让我们确定接收器所得的讯号并不会碰巧与一些不相干的讯号同步，也就是说这种复杂的讯号格式不可能与存在于大自然中的杂散讯号相同，每个卫星都有其独一无二的伪乱码(PRC)，此种编码方式才不致与其它讯号相混淆，事实上，PRC也给了美国国防部 (DoD)控制此系统的方法，而为什么将PRC设计的如此复杂还有一个重要的原因，就是为了使GPS变得更经济，这种码利用信息论放大GPS讯号，而不需要如同电视天线般的大碟天线来接收卫星讯号，您可能好奇为什么电视天线不也如此设计，来舍弃这种大碟天线呢?其中的原因便在于速度，关于伪乱码的资料，我们将另辟一章为您说明。 <BR>一般而言，GPS卫星传送两种频率的载波 L1 (Link 1) 载波的频率为1575.42 MHZ，L2 (Link 2) 载波的频率为1227.60MHZ。 <BR>这两种载波可修正电离层迟滞效应的误差，在载波上除了状态讯息之外，并调制了 2个供定时的伪乱码(PRC): <BR>1. C/A码 (Coarse Acqusition Code)，频率为 1.023 MHZ，仅在L1载波上作调变，每1023位重复一次，以 1 MHZ 的资料作调度，提供给一般民间使用。但基于国家安全的考量，美国国防部刻意以无线电讯号干扰卫星上的原子钟，并宣告一些不准确的轨道参数来造成定位误差。这即是所谓的SA (Selective Availability)效应。 <BR>2.P码 (Precise Code)，频率为10.23MHZ，每七天重复一次可同时采用L1及L2载波变，主要提供军事用途P码的频率大约是C/A码的10倍不但更为精确，也更不易被干扰，另外美国国防部增加了一种 A.S.码 (Anti - Spoofing)，以将 P码加密之后转换成 Y码，一般用户无法译码，因此必须加装译码器，才可取得较高精度的观测量，况使用P(Y) 码必须经过相关单位的核准，因此，这种伪乱码大部份只提供军方来使用，现在美国也发展展频技术，将可防止各种讯号的干扰。 <BR>四、GPS的精度 <BR>GPS 所使用的精度可分为标准定位精度(SPS)及精密定位精度(PPS)二种: <BR>1.标准定位精度(Standard Position System，简称SPS) <BR>使用C/A码来定位观测，通常可达100m之内的误差，这是在SA(Selective Availability)开启状态之下，当SA关闭时，此差可降至30m左右，这是由于自然界中存在着许多差的因素,为了提高GPS的精度，我们可利用差分定位(Differential GPS)技术来做校正，通常精度可到2m至5m左右，甚至可达到次米级单位的程度。 <BR>2.精密定位精度(Precis Position System，简称PPS) <BR>要达到PPS的精密定位精度，则必须使用P(Y)码才可达到，一般而言，PPS在水平方向通常可达到15m左右的精度,在垂直方向可达25m的精度，但由于P(Y)码取得不易，因此，目前要做精度定位观测，大多数使用者仍以C/A码配合DGPS来使用。 <BR> 上述我们谈到，影响精度的原因是由于讯号在传送过程中，会受到自然界中各物质媒介的干扰，因此，我们在计算精度时，必须考虑这些干扰因素，接着我再为您做一些自然界中干扰误差的介绍: <BR>1.大气层上的延迟误差 <BR>当GPS讯号经过电离层(Ionosphere)上一些带电性的粒子及对流层(Troposphere)上的水汽时，讯号便会产生角度的偏离而产生迟滞的现象。 <BR>2.多路径讯号传送误差 (Multipath Error) <BR>GPS讯号传送并非从卫星上直接到达地面接收器，在到达接收器时，通常会经过各种地面物质的反射，因此会有一种讯号多复位位的叠合误差，这种情形就类似您有时在电视上会看到影像重叠不合的鬼影现象，即是此种误差效应的影响。 <BR>3.卫星时表误差 (Ephemeris Error) <BR> 即使卫星是非常的精密复杂，它可以计算出一些极微小的讯息信息，如原子钟(Cesium) 即是如此一个精准的装置，但是精准并不代表完美，因此仍会有一些微小的误差产生，即使卫星的定位会持续的被监控着，但并不是每一秒都处于被监视的状态之中，这期间一旦有微小的定位误差或卫星星历的误差产生，便会影响到接受器在定位计算时的准确性。 <BR>4.几何精度稀释（Geometric Dilution of Precision，简称GDOP) <BR> 几何精度稀释听起来相当的复杂抽象，其实它的原理非常的简单，在上述我们所提到的，一个接收器可以在同一时间得到许多颗卫星定位信息，但在精密定位上，只要四颗卫星讯号即已足够了，一个好的接收器便可判断如何在这些卫星讯号当中去撷取较可靠的讯号来计算，如果接收器所选取的讯号当中，有二颗卫星距离甚近，二颗卫星讯号在角度较小的地方会有一个重叠的区域产生，随着距离愈近，此区域便愈大，影响精度的误差亦愈大。如果选取的卫星彼此相距有一段距离，则讯号相交之处便较为明确，误差当然就缩减了不少。<p>［此帖子已被 皇刀258 在 2007-1-7 14:39:44 编辑过］ |
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