GPS百科全書(shū)知識(shí)解析-導(dǎo)航系統(tǒng)的組成GPS百科全書(shū)知識(shí)解析-導(dǎo)航系統(tǒng)的組成/NUMPAGES16GPS百科全書(shū)知識(shí)解析-導(dǎo)航系統(tǒng)的組成GPS百科全書(shū)知識(shí)解析-導(dǎo)航系統(tǒng)的組成GPS百科全書(shū)知識(shí)解析:導(dǎo)航系統(tǒng)的組成GPS的一般認(rèn)同就是作為導(dǎo)航使用的，那么什么叫做導(dǎo)航呢？導(dǎo)航的定義是“使載體或者人員從一個(gè)地方到另外一個(gè)地方的科學(xué)”。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，我們無(wú)時(shí)不刻都會(huì)接觸到導(dǎo)航的概念，從我們上下班到乘坐交通工具，無(wú)論是我們的經(jīng)驗(yàn)還是車(chē)站的站牌。版權(quán)聲明：本文版權(quán)為網(wǎng)易汽車(chē)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。網(wǎng)易汽車(chē)7月25日?qǐng)?bào)道

GPS的一般認(rèn)同就是作為導(dǎo)航使用的，那么什么叫做導(dǎo)航呢？導(dǎo)航的定義是“使載體或者人員從一個(gè)地方到另外一個(gè)地方的科學(xué)”。在我們?nèi)粘Ｉ钪校覀儫o(wú)時(shí)不刻都會(huì)接觸到導(dǎo)航的概念，從我們上下班到乘坐交通工具，無(wú)論是我們的經(jīng)驗(yàn)還是車(chē)站的站牌，如果沒(méi)有“導(dǎo)航”的概念存在其中，那么我們無(wú)法從一個(gè)地方到另外一個(gè)地方。利用大型系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航服務(wù)其實(shí)并不是從GPS系統(tǒng)開(kāi)始的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)我們可以把導(dǎo)航系統(tǒng)的裝置分為陸基與星基兩種，前者的導(dǎo)航系統(tǒng)裝置是設(shè)計(jì)在陸地上的，工作頻率較高的裝置定位精度高但是會(huì)受到“視線(xiàn)”（遮蔽物）的影響，而工作頻率較低的裝置其定位精度較低，所以一般適用在低動(dòng)態(tài)（移動(dòng)速度低）的定位對(duì)象上。而GPS系統(tǒng)在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)了構(gòu)想，在1964年建成了子午儀系統(tǒng)，適用于低動(dòng)態(tài)對(duì)象上。在對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的技術(shù)逐步改進(jìn)、修改實(shí)驗(yàn)之后，GPS系統(tǒng)就孕育而生了。GPS系統(tǒng)因?yàn)槠浯钶d了高精度的原子時(shí)鐘，可以為高動(dòng)態(tài)對(duì)象提供精準(zhǔn)的定位服務(wù)，加上2000年以來(lái)，美國(guó)取消了對(duì)GPS系統(tǒng)的植入誤差，這樣地球上絕大多數(shù)的地方都能夠從GPS民用信號(hào)上獲得精度最高在3米左右的定位質(zhì)量，成為了現(xiàn)在我們應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星定位技術(shù)。今天我們就將GPS系統(tǒng)分為幾個(gè)部分來(lái)為大家講解一下什么是GPS系統(tǒng)，相信不少對(duì)于GPS系統(tǒng)特別關(guān)心的朋友們一定很想知道，通過(guò)廣播式的信號(hào)接收運(yùn)算，如何能夠使我們實(shí)時(shí)進(jìn)行高精度的定位的，通過(guò)本文我們來(lái)簡(jiǎn)單的了解一下。GPS的衛(wèi)星星座及發(fā)展GPS系統(tǒng)雖然是一個(gè)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，但是其組成部分卻并不只有衛(wèi)星部分，GPS全球定位系統(tǒng)一共由三個(gè)部分組成，首先是我們很熟悉的衛(wèi)星星座、其次是同樣非常重要的地面控制/監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、最后就是我們用戶(hù)自己的接收設(shè)備了?？赡苡械娜藭?huì)說(shuō)，為什么要把GPS系統(tǒng)分為三個(gè)部分呢？那有衛(wèi)星在天上之后就可以進(jìn)行定位了，為什么還需要地面控制呢？我們先來(lái)簡(jiǎn)單的將這三個(gè)部分為大家講解一下。首先GPS系統(tǒng)對(duì)于我們用戶(hù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)無(wú)源系統(tǒng)，即用戶(hù)的接收機(jī)只負(fù)責(zé)接收、解碼、計(jì)算工作，并不會(huì)返還數(shù)據(jù)，所以只要信號(hào)覆蓋到的地方，可以有無(wú)數(shù)的用戶(hù)使用GPS系統(tǒng)，這與我們的廣播電臺(tái)的原理相似。GPS衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置為24顆衛(wèi)星，但是目前因?yàn)橛谐瑫r(shí)服役的衛(wèi)星加上新的衛(wèi)星補(bǔ)充進(jìn)去，其實(shí)數(shù)量上已經(jīng)超過(guò)了24顆衛(wèi)星的配置，其運(yùn)行的軌道也做了相應(yīng)的調(diào)整。GPS衛(wèi)星的運(yùn)行軌道是分布在6條軌道上，而每條軌道上標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星顆數(shù)為4顆，軌道運(yùn)行一圈的時(shí)間近似12小時(shí)（半個(gè)恒星日），保證了在絕大多數(shù)地方都能夠提供有效穩(wěn)定的導(dǎo)航服務(wù)。導(dǎo)航衛(wèi)星上搭載有L1、L2頻段的信號(hào)，在BlockIIF衛(wèi)星開(kāi)始增加了L5頻段的信號(hào)，其衛(wèi)星的發(fā)展情況我們大致做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。BlockI衛(wèi)星是GPS系統(tǒng)最早的衛(wèi)星，目的是為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，因此只制造了11顆衛(wèi)星，于1978年至1985年之間發(fā)射，但是因?yàn)樾l(wèi)星上只能存儲(chǔ)3.5天的星歷，所以需要頻繁的與地面聯(lián)系做上載新的數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有地面進(jìn)行管理，衛(wèi)星在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生姿態(tài)變化影響到實(shí)際的導(dǎo)航定位需求。衛(wèi)星上搭載了銣/銫原子時(shí)鐘各兩臺(tái)。雖然設(shè)計(jì)壽命為5年左右，但是不少衛(wèi)星堅(jiān)挺的工作超過(guò)壽命兩倍多，為之后的衛(wèi)星設(shè)計(jì)以及故障分析留下了寶貴的數(shù)據(jù)。BlockII衛(wèi)星是借鑒了上一代衛(wèi)星之后，進(jìn)行改善后的第二代衛(wèi)星，共9顆衛(wèi)星與1989年開(kāi)始發(fā)射，衛(wèi)星內(nèi)置存儲(chǔ)提高到14天的星歷，并且實(shí)現(xiàn)了自主的動(dòng)量控制，這樣可以減少與地面控制的頻繁聯(lián)系，內(nèi)部搭載多臺(tái)銣/銫原子時(shí)鐘。平均設(shè)計(jì)壽命為6年，但是衛(wèi)星實(shí)際工作的時(shí)間長(zhǎng)度平均約12年。這也是GPS系統(tǒng)初期的衛(wèi)星產(chǎn)品。而后出現(xiàn)多了BlockIIA衛(wèi)星與上一代衛(wèi)星十分類(lèi)似，增強(qiáng)了系統(tǒng)的一些功能，比如說(shuō)將自主運(yùn)行時(shí)間擴(kuò)大至180天，衛(wèi)星可以連續(xù)工作6個(gè)月無(wú)需和地面聯(lián)系。共生產(chǎn)了19顆。BlockIIR衛(wèi)星則是為了全面兼容及替換BlockII與BlockIIA衛(wèi)星而生產(chǎn)的，支持GPS系統(tǒng)所需要的基本特性，L1頻段上的C/A和P（Y）碼以及L2頻段上的P（Y）碼。所有的BlockIIR衛(wèi)星都帶有3個(gè)銣原子頻標(biāo)（RAFS），簡(jiǎn)單來(lái)講就是更加先進(jìn)的始終標(biāo)準(zhǔn)，BlockIIR在設(shè)計(jì)中還大大加強(qiáng)了物理封裝，從而提高了衛(wèi)星的穩(wěn)定性與可靠性。后有改良的BlockIIR-M衛(wèi)星，重新設(shè)計(jì)了L1/L2的發(fā)射器等許多硬件設(shè)備。由于軍事需要，被要求增加新的軍用捕獲碼以及新的L5民用頻段信號(hào)的增加，BlockIIF就孕育而生了，而目前BlockIIF衛(wèi)星根據(jù)最近的報(bào)道來(lái)看，生產(chǎn)公司已經(jīng)交由波音公司，并且發(fā)射時(shí)間也比預(yù)定的2007年開(kāi)始要晚了幾年。GPSIIF衛(wèi)星增強(qiáng)了軍事抗干擾能力，并且載有更加先進(jìn)技術(shù)的原子鐘，衛(wèi)星載有新的第三個(gè)民用信號(hào)，設(shè)計(jì)壽命延長(zhǎng)為12年?；旧弦陨暇褪荊PS衛(wèi)星的一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)展歷史，GPS衛(wèi)星其實(shí)在構(gòu)造上并沒(méi)有我們想象中的那么復(fù)雜。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是內(nèi)置有統(tǒng)一時(shí)間的原子鐘，經(jīng)由頻率發(fā)生器然后從發(fā)射端廣播出去；并且內(nèi)置有與地面控制段通訊的設(shè)備，太陽(yáng)能提供能源，并且?guī)в型七M(jìn)器進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)控制。小記：GPS衛(wèi)星在發(fā)展的過(guò)程中為了保證前后的兼容性，基本原理是沒(méi)有變化的，主要加強(qiáng)了原子時(shí)鐘的準(zhǔn)確度以及衛(wèi)星的質(zhì)量與穩(wěn)定性，目前GPS系統(tǒng)的星座數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了最初的設(shè)計(jì)數(shù)，并且在不斷的加強(qiáng)中，與其他國(guó)家在建的導(dǎo)航系統(tǒng)相比依舊有很大的優(yōu)勢(shì)。同樣重要的地面控制段那么說(shuō)完了衛(wèi)星的部分我們來(lái)看看地面控制段為什么對(duì)于GPS系統(tǒng)非常重要，控制段（CS）主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、指揮、控制GPS衛(wèi)星，地面控制段主要監(jiān)測(cè)L頻段的導(dǎo)航信號(hào)，更新導(dǎo)航電文（衛(wèi)星運(yùn)行的數(shù)據(jù)），解決衛(wèi)星出現(xiàn)的異常狀況（空中姿態(tài)出現(xiàn)偏差等）。要是沒(méi)有地面控制段時(shí)刻進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)調(diào)整，那么我們就很難保證GPS系統(tǒng)能夠一直持續(xù)的為我們工作。GPS系統(tǒng)的地面控制段由監(jiān)測(cè)站與地面天線(xiàn)組成，具體數(shù)量不詳，主要的工作是監(jiān)測(cè)維護(hù)衛(wèi)星的健康狀況、檢測(cè)衛(wèi)星的軌道、估計(jì)預(yù)測(cè)衛(wèi)星時(shí)鐘和星歷參數(shù)、生成GPS導(dǎo)航電文、維持衛(wèi)星授時(shí)與UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步、監(jiān)測(cè)導(dǎo)航服務(wù)完整性、循環(huán)校對(duì)記錄傳輸給GPS用戶(hù)的導(dǎo)航信息、控制衛(wèi)星激動(dòng)變化以及在飛行器故障時(shí)維持GPS衛(wèi)星軌道并回復(fù)位置。換句話(huà)說(shuō)，地面控制段的主要作用就是實(shí)時(shí)監(jiān)控每一個(gè)衛(wèi)星，保證其正常的工作狀態(tài)，避免衛(wèi)星出現(xiàn)問(wèn)題或者偏差影響了地面用戶(hù)接收計(jì)算定位信息?？梢哉f(shuō)雖然地面控制段我們普通用戶(hù)是不會(huì)接觸到的，但是其作用與GPS衛(wèi)星的的作用同樣重要，維持衛(wèi)星定位系統(tǒng)正常運(yùn)行就需要地面控制段全天候監(jiān)測(cè)。小記：其實(shí)地面控制段與衛(wèi)星段一樣重要，遠(yuǎn)在高空的衛(wèi)星如果沒(méi)有地面控制段的監(jiān)控，出現(xiàn)了位置的偏差，時(shí)間發(fā)布不同步，或者說(shuō)因?yàn)槲恢闷畎l(fā)生相撞事故的話(huà)，會(huì)直接影響到我們用戶(hù)使用導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)衛(wèi)星造價(jià)到發(fā)射費(fèi)用都非常昂貴，維護(hù)衛(wèi)星的工作也顯得尤為重要。最熟悉的接收設(shè)備那么我們用戶(hù)最常遇到的就是GPS的接收器了，在GPS系統(tǒng)中也被歸于用戶(hù)段，用戶(hù)通過(guò)GPS接收機(jī)來(lái)接收衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)，并加以計(jì)算，并得到相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行定位。接收機(jī)的組成部分其實(shí)并不復(fù)雜，如果說(shuō)把GPS接收機(jī)看做是一臺(tái)個(gè)人電腦的話(huà)，那么僅僅是在這個(gè)個(gè)人電腦上添加上了天線(xiàn)以及接收器的硬件部分，然后將接收到的數(shù)據(jù)交由電腦來(lái)進(jìn)行運(yùn)算并顯示出來(lái)。GPS接收機(jī)的組成部分主要包括5個(gè)部分，（1）天線(xiàn)部分連接（2）接收機(jī)并將接收到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入（3）處理器進(jìn)行運(yùn)算，然后將結(jié)果通過(guò)（4）顯示單元來(lái)進(jìn)行顯示，而所有的電子產(chǎn)品都建立在（5）電源上。雖然詳細(xì)分析的話(huà)GPS接收機(jī)其實(shí)還有很多知識(shí)，比如說(shuō)天線(xiàn)的類(lèi)型、接收機(jī)的性能等，但是我們簡(jiǎn)化之后這么理解就足夠了。而GPS信號(hào)到坐標(biāo)結(jié)果的計(jì)算方式也比較復(fù)雜，原理是通過(guò)同步時(shí)間然后計(jì)算接收機(jī)到衛(wèi)星的位置，并加入衛(wèi)星所在位置的變量，通過(guò)我們幾何中學(xué)習(xí)到的已知三角形2邊長(zhǎng)計(jì)算第3邊長(zhǎng)度的原理來(lái)計(jì)算的。但是因?yàn)榈厍虮旧聿⒎钦龍A形，所以在這個(gè)簡(jiǎn)單的公式中需要逃入非常多的公式進(jìn)行補(bǔ)差，筆者也并非數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)，所以在這里也沒(méi)有辦法為大家詳細(xì)介紹GPS是如何計(jì)算坐標(biāo)的過(guò)程了。小記：其實(shí)我們用戶(hù)手中的GPS接收機(jī)無(wú)論是那一種類(lèi)別的，基本原理都與電腦的構(gòu)架相似，可能有的跟蹤器或者記錄器產(chǎn)品少有不同，因?yàn)楣δ艿脑O(shè)計(jì)不需要顯示設(shè)備，但是在接收運(yùn)算坐標(biāo)位置是同一個(gè)原理。其它的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因?yàn)樾l(wèi)星定位無(wú)論是在軍事、民用服務(wù)、還是公共設(shè)施的應(yīng)用反面都有非常重要的作用。那么簡(jiǎn)單介紹完了GPS系統(tǒng)的組成部分，那么我們?cè)賮?lái)看看世界上還有那些衛(wèi)星定位系統(tǒng)正在建造中的。首先是我們比較熟悉的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前已經(jīng)發(fā)射8顆在軌衛(wèi)星，并將在2020年完成約30顆衛(wèi)星組成的全球?qū)Ш较到y(tǒng)。目前與美國(guó)GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)、歐洲GALILEO系統(tǒng)被全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)委員會(huì)（ICG）確定的四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)核心供應(yīng)商。俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)為俄羅斯建造，命名為俄語(yǔ)全球?qū)Ш较到y(tǒng)的縮寫(xiě)，最早開(kāi)發(fā)與蘇聯(lián)時(shí)期，并一直持續(xù)至今，目前俄羅斯境內(nèi)已經(jīng)開(kāi)放了系統(tǒng)的服務(wù)，并逐漸擴(kuò)大至全球范圍，是目前除GPS系統(tǒng)之外完成度最高的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。歐洲GALILEO系統(tǒng)歐洲計(jì)劃建設(shè)的新一代民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，按照規(guī)劃伽利略計(jì)劃將耗資約27億美元，系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為候補(bǔ)衛(wèi)星。但是由于資金問(wèn)題該系統(tǒng)的建造進(jìn)度受到了影響，原計(jì)劃在2008年完成系統(tǒng)建設(shè)為客戶(hù)提供服務(wù)，但是目前系統(tǒng)的進(jìn)度情況不明。加上美國(guó)GPS系統(tǒng)，這四大導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成了目前地球上的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主力。除此之外日本為了保證國(guó)內(nèi)的衛(wèi)星定位的穩(wěn)定性，研發(fā)了準(zhǔn)天頂系統(tǒng)，該系統(tǒng)不具備全球定位服務(wù)的功能，依靠于GPS系統(tǒng)來(lái)輔助日本國(guó)內(nèi)的定位產(chǎn)品進(jìn)行精準(zhǔn)定位，同理還有印度的GAGAN系統(tǒng)。小記：全球目前有1個(gè)建成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，3個(gè)在建的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2個(gè)輔助GPS定位的系統(tǒng)，通過(guò)這些系統(tǒng)覆蓋全球，我們?cè)谖磥?lái)可以有更多的定位選擇，同時(shí)系統(tǒng)是全天候不間斷且免費(fèi)的，無(wú)疑是我們用戶(hù)的一大福音。最熟悉的接收設(shè)備雖然衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的資金投入非常大，但是因?yàn)槠淙旌?、不間斷且不存在用戶(hù)接入數(shù)量的問(wèn)題，一套衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為地球上每一個(gè)人提供導(dǎo)航定位服務(wù)，其性能的強(qiáng)大不言而喻。并且基本上我們都會(huì)在生活中或多或少的接觸到GPS定位功能，包括目前的智能手機(jī)產(chǎn)品中絕大多數(shù)都帶有了GPS定位功能，利用手機(jī)作為運(yùn)算載體來(lái)