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GPS接收机工作原理

时间:2012-12-20浏览:责任编辑:四川拓图测绘仪器

GPS接收机工作原理

为了不迷路,我们的祖先不得不进行非常艰苦的测量工作。他们所采取的方式包括树立里程碑,进行艰苦的地图绘制工作以及学习如何利用夜空中的星星辨别方向。

如今,一切变得非常简单。您只需花费不到100美元就可以获得一个可以装在口袋里的小工具,它在任何时候都可以告诉您在地球上的确切位置。只要您有一个GPS接收机并能使它无遮掩地对准天空,您就永远不会再迷路。

在本文中,我们将了解到这些便携式指南装置如何实现这个令人称奇的功能。正如我们所知道的,虽然全球卫星定位系统十分庞大、昂贵并且融入了许多技术发明,但它的工作原理却非常简单明了,下面进入GPS接收机工作原理正文。

当人们谈到“GPS”时,通常是指GPS接收机。全球卫星定位系统 (GPS) 实际上是一个卫星群,由27颗沿环地球轨道运行的卫星(24颗为工作卫星,另外三颗为备用卫星)组成。虽然这一卫星网络由美国军方研发并作为军用导航系统而使用,但很快这一系统就进入了普通百姓的生活中。

NAVSTAR GPS卫星

NAVSTAR GPS卫星 NASA 供图

每一颗由太阳能提供动力的卫星的造价在3,000-4,000英镑之间,并且在地球上空大约19,300千米的高度绕地球运行,每天绕地球运转两周。它们的运行轨道是经过特殊安排的,所以在任何时候,地球上任何地方的上空都至少可以“见到”四颗卫星。

GPS卫星群的示意图

GPS卫星群的示意图 美国国防部供图

GPS接收机的任务就是确定四颗或更多卫星的位置,并计算出它与每颗卫星之间的距离,然后用这些信息推算出自己的位置。这一计算过程的基础是一条被称为三边测量法的简单数学定理。三维空间的三边测量法稍微复杂一点,所以我们先从简单的二维三边测量法进行说明。 在这之前,我们先看一些有关GPS的精彩实录。

 第一颗GPS卫星于1978年发射。

目前使用的系统是由第二代GPS卫星组成的,称为Block II。第一颗Block II卫星于1989年发射,美国国防部于1995年宣布GPS全面运作,当该系统刚刚推出时,GPS信号传输中存在故意计算错误的做法,以此限制非军用GPS接收机的精确度。2000年5月份,相关部门停止了这一做法。这时,已有24颗GPS卫星运行在轨道上。这24颗卫星的建造和发射总共花费了约120亿美元。每颗卫星重约787公斤。这些卫星运行在地球上空约2万公里的轨道上。卫星沿轨道绕地球运行一周的时间为12小时。俄罗斯也有一套与美国一样的系统,被称为GLONASS系统。

二维三边测量法

想象一下,您正身处美国的某地并且完全迷了路——由于某种原因,您完全没有任何线索来确定位置。您找到一位友善的当地人问道:“我在哪儿?” 他回答说,“这里是距离爱达荷州(Idaho)博伊西市(Boise)约1005千米的地方。”

这是一个表面上看似精确,但对您来说没有什么实际用处的答案。您可能在以博伊西市为中心半径1005千米的圆周上的任何地方,比如:

GPS 三边示意图

GPS 三边示意图

当您再次向某人问路时,她回答说,“这里是距离明尼苏达州(Minnesota)明尼阿波利斯市(Minneapolis)约1110千米的地方。” 现在您就有了些头绪。如果您把这一信息与前面得到的关于博伊西市的信息结合起来分析,您就会得到两个相交的圆。如果您距离博伊西市1005千米而且距离明尼阿波利斯市1110千米,那么就可以知道您现在处在这两个交点中的一个上。

GPS 三边示意图

GPS 三边示意图

如果第三个人告诉您现在位于距离亚利桑纳州(Arizona)图森市(Tucson)约990千米的地方,那么您就可以排除其中的一个位置,因为第三个圆只会与上面提到的两个交点中的一个相交。现在您可以确定自己的位置在科罗拉多州(Colorado)的丹佛(Denver)市了。

GPS 三边示意图

GPS 三边示意图

这一原理同样适用于三维空间,但您要计算的是球面而不是平面的圆。下面,我们将了解这种三边测量法。

本质而言,三维三边测量法不会比二维三边测量法难太多,但需要较高的空间想象力。 试想一下,前面例子中的半径突破平面的局限,开始向四面八方伸展。 于是您得到的是一系列的球面而非一系列的圆。

如果您距离太空中的A卫星约16千米,您所处的位置就有可能是一个很大的面上的任何一点,设想一下这可是一个半径约为16千米的球面。 如果您知道自己距离B卫星约24千米,您就可以得到另一个很大的球面,并且与前一个球面相交。 两个球面相交处形成一个正圆。 如果您还知道与第三颗卫星的距离,就可以得到第三个球面,与上面的正圆相交于两点。

地球本身就是第四个球面——所以两个交点中只有一个位于地球的表面,而另一个位于太空的交点就可以排除掉了。 然而,接收机一般会寻找四颗或更多的卫星,以提高精度并提供精确的海拔信息。

为了进行这个简单的计算,GPS接收机必须知道下面两个方面的数据:

  • 您上方至少三颗卫星的位置
  • 您与这些卫星之间的距离

GPS接收机通过分析GPS卫星发出的高频低功率无线电信号来计算这些数据。 较好的装置通常有好几个接收机,因此可以同时接收到来自多颗卫星的信号。

无线电波是一种电磁能量,这意味着它们是以光速(真空中的速度约为每秒30万公里)传播的。 接收机根据信号到达的时长计算其传播的距离。 下面,我们将了解接收机和卫星如何协同进行这一测量。

我们了解到GPS接收机是通过计量信号在卫星和接收机之间的往返时间来计算距离的。事实证明,这是一个相当精细的过程。

在某一时刻(假定是午夜),卫星开始发送一长串称为伪随机码的数字序列。 同样,接收机也在午夜开始发出相同的数字序列。 当卫星信号到达接收机时,数字序列的传送会比接收机发出信号的时间稍稍滞后。

GPS卫星

GPS卫星 美国陆军供图

时间延迟的长度就是信号传送的时间。接收机将这一时间乘以光速就可以计算出信号传送的距离。假设信号是以直线传送的,则这一结果即为接收机到卫星的距离。

为了使这一测量法准确有效,接收机和卫星都需要可以精确到纳秒的同步时钟。为了使卫星定位系统使用同步时钟,我们需要在所有卫星以及接收机上都安装原子钟。但原子钟的价格在5-10万美元之间,对于普通消费者而言有点太贵了。

全球卫星定位系统使用了一个巧妙而有效的方案解决了这一难题。每一颗卫星上仍然使用昂贵的原子钟,但接收机使用的是经常需要调校的普通石英钟。简言之,接收机接收来自四颗或更多卫星的信号并计算自身的误差。换句话说,接收机使用的“当前时间”必须是唯一值。正确的时间值的意义在于,使接收机收到的所有信号就好像都来自太空中的单一点。这一时间值是所有卫星上原子钟的统一时间。因此接收机就可以将自身的时钟调整到这一时间值,进而使接收机的时间与所有卫星上的原子钟相同。GPS接收机就可以“免费”获得原子钟的精确度。

当测量到四颗定位卫星到您所处位置的距离时,您就可以画出相交于一点的四个球面。即使您的数字有误差,三个球面仍然可能相交,但如果您的测量有误,四个球面就不可能相交于一点。由于接收机利用自身内置的时钟来测量所有的距离,距离测量会呈现一定的比例误差。

接收机可以轻易地计算出使四个球面相交于一点所进行的必要调整。基于此,接收机需要重新设置自身的时钟以便和卫星原子钟同步。接收机只要开启就处在不断的调整中,这也意味着接收机几乎与卫星中昂贵的原子钟一样精确。

要使用距离信息进行定位,接收机还必须知道卫星的确切位置。这并不是特别难办到的事,因为卫星运行在很高的既定轨道上。GPS接收机储存有星历,其作用是告诉接收机每颗卫星在各个时刻的位置。虽然一些外在因素,如月球和太阳的引力作用,会缓慢地改变卫星运行的轨道,但美国国防部会不断监控卫星的精确位置,并把任何调整信息都作为卫星信号的一部分传送给所有的GPS接收机。

虽然这一系统工作性能不错,但错误还是会不时发生。其中一个原因是,这一测量方式是建立在一种假设上的,即无线电信号会匀速(光速)穿过大气层。事实上,地球大气层在一定程度上减慢了电磁能量的传播速度,特别是当电磁信号进入电离层和对流层时。延迟状况因您在地球上所处地点的不同而不同,这意味着很难将这一因素准确地纳入距离的计算中去。难题还在于无线电信号可能被大型物体反弹回去,例如摩天大楼,这将导致接收机计算出的与卫星的距离比实际的要远。最糟的情况是,有时卫星会发送错误的星历数据,误报自己的位置。

差分GPS(DGPS)有助于纠正此类错误。其基本原理是用一个已知位置的固定接收机站来测算GPS的误差。由于机站的DGPS硬件已经知道它自己的位置,它可以很容易地计算出它覆盖范围内的接收机的误差。该机站会向所在区域内所有装配DGPS的接收机发送无线电信号,为这一区域提供信号纠正信息。一般而言,能获得这些纠正信息使DGPS接收机比普通的接收机要精确得多。

GPS接收机最基本的功能就是接收来自至少四颗卫星的信号,并且将这些信号中的信息与电子星历的信息相结合以计算出接收机在地球上的位置。

一旦接收机计算完毕,它就可以告诉您它目前所处位置的经度、纬度和海拔(或与之类似的测量信息)。为了使导航更加人性化,大多数接收机会把这些原始数据标注在存储于内存中的地图文件上。

驾驶员用的内置地图的GPS接收机

StreetPilot II,附带驾驶员用的内置地图的GPS接收机 Garmin 佳明 供图

您可以使用接收机内存中存储的地图,也可以把接收机连接到一台内存中存有更多详尽地图的计算机,或者您直接买一张所在区域的详细地图,再根据接收机提供的经度和纬度信息找到自己的位置。部分接收机可以让您将详细的地图下载到内存中,或通过插件式地图存储装置提供详细的地图。

标准的GPS接收机不仅可以把您的确切位置标注在地图上,也可以把您移动的路线显示在地图上。如果您让接收机一直开着,它就会一直保持与GPS卫星之间的通讯联络,这样您就能看到您位置的变化情况了。有了这一信息和内置的时钟,接收机可以为您提供以下几条有价值的信息:

  • 您移动了多远的距离(里程表)
  • 您移动了多久
  • 您当前的速度(速度计)
  • 您的平均速度
  • 虚线准确地显示出您在地图上到过的地方
  • 如果您维持目前的速度,您到达目的地还需多少时间

信息标题:GPS接收机工作原理

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