GPS : 工作 , 應(yīng)用和歷史

早在全球定位系統(tǒng) (GPS)出現(xiàn)之前，研究人員就努力尋找可行的解決方案來(lái)幫助旅行者避免迷路。早些時(shí)候，旅行者過(guò)去常常依靠精心制作的地圖來(lái)跟蹤和監(jiān)控到達(dá)目的地的路線。但是今天，GPS 技術(shù)確保了無(wú)憂無(wú)慮的出行，并提高了車主的安全性。下圖說(shuō)明了在軌運(yùn)行的GPS 衛(wèi)星。

圖 1：全球定位系統(tǒng)的代表性圖像

介紹

GPS 技術(shù)在美國(guó)軍方的努力下成為現(xiàn)實(shí)，美國(guó)軍方建立了一個(gè)由 24 顆繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS 也稱為 NAVSTAR（定時(shí)和測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)）。

GPS在全球范圍內(nèi)適用于所有天氣條件，從而幫助用戶跟蹤位置、物體甚至個(gè)人！只要有 GPS 接收器，任何人都可以使用 GPS 技術(shù)。

應(yīng)用

這項(xiàng)技術(shù)最初是為軍事應(yīng)用而開發(fā)的。1980 年，政府決定將其也用于民用。GPS 已成為科學(xué)使用、商業(yè)、監(jiān)視和跟蹤領(lǐng)域的有效工具。除了在難以檢測(cè)到信號(hào)的地方，例如水下、地下位置、建筑物內(nèi)部和洞穴之外，都使用 GPS。

民用應(yīng)用

· 導(dǎo)航——導(dǎo)航員使用它來(lái)進(jìn)行定位和精確的速度測(cè)量。

· 地理標(biāo)記——可以通過(guò)將位置坐標(biāo)應(yīng)用于照片和其他類型的文檔來(lái)創(chuàng)建地圖覆蓋。

· 測(cè)量——測(cè)量員創(chuàng)建地圖并驗(yàn)證財(cái)產(chǎn)的邊界。

· 制圖——供平民和軍事制圖師使用。

· 構(gòu)造學(xué)——檢測(cè)地震中的直接假動(dòng)測(cè)量。

· 地理圍欄——車輛、人或?qū)櫸锟梢酝ㄟ^(guò)使用 GPS 車輛跟蹤系統(tǒng)、人員跟蹤系統(tǒng)和寵物跟蹤系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)。

軍事應(yīng)用

· 導(dǎo)航——士兵可以借助 GPS 在黑暗和未知區(qū)域找到目標(biāo)。

· 搜救——了解墜機(jī)飛行員的位置，可以輕松追蹤其位置。

· 偵察——可以處理巡邏運(yùn)動(dòng)。

· 目標(biāo)跟蹤——軍用武器系統(tǒng)使用 GPS 在空中目標(biāo)和潛在地面被標(biāo)記為敵對(duì)目標(biāo)之前對(duì)其進(jìn)行跟蹤。

· GPS攜帶一套核爆探測(cè)器（如光學(xué)傳感器、劑量計(jì)、電磁脈沖傳感器、X射線傳感器），是美國(guó)核爆探測(cè)系統(tǒng)的一部分。

· 導(dǎo)彈和射彈制導(dǎo)——瞄準(zhǔn)軍事武器，如巡航導(dǎo)彈、精確制導(dǎo)彈****。

GPS的結(jié)構(gòu)

GPS系統(tǒng)由三部分組成：空間段、用戶段和控制段。GPS的結(jié)構(gòu)圖如下所示。

圖 2： 圖顯示 GPS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

· 空間部分——衛(wèi)星是全球定位系統(tǒng)的核心，它通過(guò)廣播接收器使用的信號(hào)來(lái)幫助定位。信號(hào)在穿過(guò)建筑物、山脈和人群時(shí)會(huì)被阻擋。為了計(jì)算位置，需要鎖定四顆衛(wèi)星的信號(hào)。您需要繼續(xù)四處走動(dòng)以獲得清晰的接收信號(hào)。

· 用戶部分——該部分包括軍事和民用用戶。它包括一個(gè)可以檢測(cè)信號(hào)（信號(hào)的功率小于燈泡的十億分之一功率）的靈敏接收器和一個(gè)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用信息的計(jì)算機(jī)。GPS 接收器有助于定位您自己的位置，但不允許您被其他人跟蹤。

· 控制段——這有助于整個(gè)系統(tǒng)高效工作。傳輸信號(hào)必須更新，衛(wèi)星應(yīng)保持在適當(dāng)?shù)能壍郎?，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

在職的

GPS 衛(wèi)星每天在特定軌道上圍繞地球旋轉(zhuǎn)兩次。這些衛(wèi)星向地球傳輸信號(hào)信息。該信號(hào)信息由 GPS 接收器接收，以便測(cè)量用戶的正確位置。GPS 接收器將衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)的時(shí)間與接收信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行比較。計(jì)算出的時(shí)間差使我們能夠知道衛(wèi)星的距離。通過(guò)多測(cè)量幾顆衛(wèi)星的距離，就可以驗(yàn)證用戶的位置，并顯示在本機(jī)的電子地圖上。

要測(cè)量二維位置和跟蹤運(yùn)動(dòng)，GPS 接收器必須鎖定三顆衛(wèi)星的信號(hào)。如果 GPS 接收器鎖定四顆或更多衛(wèi)星的信號(hào)，則接收器可以測(cè)量 3D 位置（緯度、經(jīng)度和高度）。

在確定用戶的位置時(shí)，GPS 單元可以測(cè)量速度、行程距離、方位、到目的地的距離、風(fēng)向、日出和日落時(shí)間等。

GPS 接收器的類型

三種類型的 GPS 接收器提供不同的精度水平，并且具有不同的獲取精度的必要性是：

· 粗略捕獲 (C/A) 代碼接收器– 這些接收器提供 1-5 米的 GPS 定位精度和差分校正。占用時(shí)間為 1 秒，這些接收器可提供 1-5 米的 GPS 定位精度。如果占用時(shí)間長(zhǎng)，GPS定位精度可以穩(wěn)定在1-3米以內(nèi)。

· 載波相位接收器——這些接收器提供 10-30 米的 GPS 定位精度和差分校正。對(duì)攜帶 C/A 信號(hào)的波進(jìn)行計(jì)數(shù)，以計(jì)算衛(wèi)星與接收器之間的距離。需要較長(zhǎng)的占用時(shí)間才能獲得位置精度。

· 雙頻接收器——這些接收器提供亞厘米級(jí)的 GPS 定位精度和差分校正。這些接收器以兩種不同的頻率接收來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，以找出準(zhǔn)確的位置。

注：差分改正是一種將野外采集的 GPS 數(shù)據(jù)與已知點(diǎn)采集的 GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的方法。

歷史

GPS 最初用于軍事應(yīng)用，由美國(guó)國(guó)防部 (DOD) 于 1978 年建造。它最初稱為 NAVSTAR，隨著第一顆衛(wèi)星的****而推出。

今天，大約有 30 顆完全運(yùn)行的衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行，距離為 20200 公里。這些 GPS 衛(wèi)星傳輸?shù)男盘?hào)有助于定位 GPS 接收器的精確位置。最新的高效衛(wèi)星技術(shù)確保擁有 GPS 接收器的任何個(gè)人都可以免費(fèi)使用 GPS 信號(hào)。

GPS 的前身曾經(jīng)是遍布全球已知地點(diǎn)的固定無(wú)線電臺(tái)。首先，主站發(fā)出信號(hào)，然后全球的從站開始響應(yīng)。從站在精確的時(shí)間后發(fā)出這些信號(hào)。然后接收器開始評(píng)估接收主站和從站信號(hào)之間的時(shí)間延遲，從而確定相對(duì)于從站的位置。

固定無(wú)線電臺(tái)廣播對(duì)軍隊(duì)來(lái)說(shuō)是個(gè)問題。這就是 1960 年代推出第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星 Transit 的主要原因。位置是在接收器的幫助下確定的，接收器計(jì)算了衛(wèi)星廣播頻率與實(shí)際接收頻率的多普勒效應(yīng)。在此之后，離衛(wèi)星最近的接收器將獲得信息，隨后的讀數(shù)將精確地挑選出相對(duì)于衛(wèi)星位置的位置。

現(xiàn)代衛(wèi)星以不同的方式確定確切位置。衛(wèi)星信號(hào)將包括衛(wèi)星的位置和信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間。有了這一關(guān)鍵信息，地面部隊(duì)將能夠迅速有效地成功定位目標(biāo)。每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)都將地面單元放置在衛(wèi)星的球體上。然后將 GPS 接收器的位置識(shí)別為球體的交點(diǎn)（用于附加衛(wèi)星信號(hào)）。

圖 3： 顯示現(xiàn)代衛(wèi)星 GPS 跟蹤的代表性圖像

GPS在我們的日常生活中變得越來(lái)越重要。推出的新相機(jī)具有內(nèi)置 GPS，以便在您拍照時(shí)提供信息（您所在位置的緯度和經(jīng)度），并將信息標(biāo)記在照片上。

開車時(shí)注意力很難集中在GPS屏幕上，因此開發(fā)者推出了“語(yǔ)音導(dǎo)航GPS”，讓駕駛者更方便、更安全。GPS 現(xiàn)在可以提供有關(guān)轉(zhuǎn)向的位置、到達(dá)目的地的剩余距離等信息。GPS 的其他單元是語(yǔ)音控制的。您可以發(fā)出語(yǔ)音命令來(lái)尋找替代路線。這使得這項(xiàng)技術(shù)非常有趣。

GPS 對(duì)徒步旅行者非常有用。GPS 會(huì)顯示您所在的街道，可以標(biāo)記酒店的位置和要參觀的地方，這可以節(jié)省您的時(shí)間，而不是將寶貴的時(shí)間花在尋找路線上。

如果您打算去打獵、釣魚、探索、遠(yuǎn)足等，尤其是如果您不太熟悉該地區(qū)，GPS 是必不可少的。徒步旅行者的 GPS 裝置重量輕、緊湊且防水。

重要日期

最新/當(dāng)前的研究和主要發(fā)展在移動(dòng)電話領(lǐng)域，當(dāng)今對(duì) GPS 接收器的需求非常大。幾年后，所有 GSM 電話都有望配備卓越的 GPS 技術(shù)，以幫助用戶進(jìn)行導(dǎo)航。這種卓越的 GPS 技術(shù)還將有助于跟蹤其他啟用 GPS 移動(dòng)功能的用戶。例如，焦慮的父母可以密切關(guān)注孩子的一舉一動(dòng)。它還有助于跟蹤在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域工作的個(gè)人。 另一個(gè)重要特征是現(xiàn)在非常需要的支持 GPS 的防盜系統(tǒng)。這有助于摩托車和汽車制造商精確定位被盜車輛。 藍(lán)牙GPS 接收器的形式為計(jì)算機(jī)用戶提供了巨大的推動(dòng)力。這些接收器優(yōu)于傳統(tǒng)連接，因?yàn)椴恍枰娎|。GPS 也被引入供應(yīng)鏈，以確保所有貨物運(yùn)輸順利且免于盜竊。

今天面臨的問題

GPS 系統(tǒng)最常見的問題是準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確性取決于時(shí)間單位發(fā)送的信號(hào)。如果 GPS 單元中的時(shí)間關(guān)閉，精度會(huì)受到干擾。當(dāng)遇到惡劣的大氣條件時(shí)，時(shí)間和計(jì)算都會(huì)受到影響。當(dāng)信號(hào)從山脈、摩天大樓等處反彈回來(lái)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)確的情況。

另一個(gè)問題與其每十二分鐘更新一次的位置有關(guān)。一旦信號(hào)到達(dá)更新時(shí)間，衛(wèi)星就無(wú)法知道正確的位置，只能根據(jù)錯(cuò)誤的信息進(jìn)行計(jì)算。這種錯(cuò)誤是不可避免的。