【转载】浅析GPS原理及应用
浅析GPS原理及应用 提起Gps我们中间有些人可能对这个名词比较陌生,提起伊拉克战争大家应该都比较熟悉。 2003年3月20日,伊拉克战争爆发。大批轰炸机、战斗机猛扑向伊拉克首都巴格达,用炸弹准确地将一座建筑彻底摧毁,行动代号:“斩首行动”;4月,一架B-1B“枪骑兵”轰炸机临时接到任务,用炸弹摧毁了另一座建筑。他们的目标都是一个人:萨达姆.侯赛因,他们所使用的炸弹都是一种:联合攻击炸弹(JDAM),这些炸弹之所以都能够精确的打击目标,是因为他们都是通过卫星定位来实现定位,提供这种定位服务的正是由24颗美国卫星组成的全球定位系统--GPS。 GPS是英文GLOBAL POSITIONING SYSTEM 的缩写。原名为“导航星”(NAVSTAR),是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫星导航系统,是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机之后第三大航天工程。1994年全面建成,历时20年,耗资300亿美元。 GPS全球定位系统是一个无线电空间定位系统,它利用导航卫星和地面站为全球提供全天候﹑高精度﹑连续﹑实时的三维坐标(纬度,经度,海拔)﹑三维速度和定位信息,地球表面上任何地点均可以用于定位和导航。 GPS系统包括三大部分:空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机。 空间部分—GPS卫星星座 GPS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,其中由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,记作(21+3)GPS星座。 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角为55度,各个轨道平面之间相距60度, 即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度, 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。卫星的分布使得在全球的任何地方,任何时间都可观测到四颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP)。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 地面控制部分—地面监控系统 地面监控部分包括四个监控间、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。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站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。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要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。 用户设备部分—GPS信号接收机 GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以及GPS系统信息,如卫星状况等。 GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距,精度约为20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。 GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢复载波。严格而言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。 按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高,双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显差别),应选用双频接收机。 如:某品牌车载终端技术参数 GPS不仅用于导弹、飞船的导航定位,更是广泛用于飞机、汽车、船舶的导航定位,公安、银行、医疗、消防等用它建立监控、报警、救援系统,企业用它建立现代物流管理系统,农业、林业、环保、资源调查、物理勘探、电信等都离不开导航定位,特别是随着卫星导航接收机的集成微型化,出现各种融通信、计算机、GPS于一体的个人信息终端,使卫星导航技术从专业应用走向大众应用,成为继通信、互联网之后的IT第三个新的增长点。以GPS为代表的卫星导航定位应用产业越来越吸引众多人的关注。有关专家预测,到"十五"末期,我国的卫星导航定位应用市场的总产值将超过100亿元,导航定位运营服务产值超过30亿元。卫星导航定位产业在国内是一个具有巨大发展空间的朝阳产业。 以上讲的是GPS原理,下面我们再来讲GPS系统在实际应用中是如何实现?GPS系统只是一个单一的定位系统,需要结合GSM等通讯网络系统来实现定位信息的传递。 GSM(Global System for Mobile Communications环球移动通讯系统),是一个开放、不断演变改进的系统。这个系统最强的优点之一在于拥有国际漫游的功能,消费者可以凭一个号码,在全球超过159个国家不受阻各地接受同等质量的电话服务。 GSM标准将会继续演变改进,与无线、卫星和移动系统配合下提供大幅增多的服务,包括高速多媒体数据服务、为同步使用该项服务而设的内置支援,以及将互联网与固网完美结合。 传统的定位信息是靠短信息SM方式来传递,现在又出现了一种新的分组数据承载业务,即GPRS,GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称。我们先来介绍传统的SM方式传递定位信息的方式。 ①移动交换中心(MSC)同公众有线网(PSTN)、短消息中心(SMS)、监管维护通过有线方式连接;同蜂窝基站(BSS)通过有线或无线(如微波)方式连接。 GPS系统工作流程 监控中心—移动目标 监控中心由数据库服务器、短信接口机、通信中心管理机、数据中心管理机、监控座席构成,可以增加GPRS接口和全国联网接口,还可以增加分中心和远程座席。关于GSM方式和GPRS方式的比较我们在后面会讲到。 刚才我们介绍了监控中心的组成,当车在马路上行使时,我们可以通过监控座席来监控车辆的位置,要在监控地图上看到监控车辆,必须要安装MapX软件。 MapX是MapInfo公司向用户提供的具有强大地图分析功能的ActiveX控件产品,能够把基于位置信息的数据以高清晰可视化效果的显示与分析,使车辆位置清晰准确的在计算机中反映出来,更好的服务于用户。在监控座席中它起到了调用地图的功能。 MapInfo Professional GSM定位应用系统与GPRS定位应用系统的比较 技术 与GSM传统的电路交换技术不同,GPRS采用分组交换技术,具有“永远在线”、“自如切换”、“高速传送”等优点,属于移动通信中的2.5G(2.5代)技术,它能全面提升移动数据通信服务,目前下行传输速率理论上可达到40kbit/s,上行传输速率可达9.6kbit/s,特别适用于象GPS系统那样具有突发性、每次数据流量小、总体数据流量大、实时性要求高等特点的移动数据通信的应用。 覆盖范围 通信费用
GPS数据根据不同的指令,其长度不完全一样,平均按60个字节计算,加上打包数据,每传一次在100个字节左右。如果一辆车要求每天监控10个小时,每分钟自动回传一次位置信息,每月30天,则每月的GPRS信息量为: 系统设备 在接入方式上,GSM系统可以采用点对点、DDN、INTERNET等方式;GPRS系统则要看当地中国移动的接入条件,有的需要固定IP,有的只须接入INTERNET即可,目前,以后一种方式越来越普及。 车载终端来源:阿里互联电子网 |
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