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        GPS的歷史、發展、工作原理

        2021-02-22 13:39:47

        全球定位系統的種類和發展歷史


            首先,在世界上可以提供準確定位的全球定位系統有四種,分別為:美國GPS全球定位系統、中國的北斗定位系統、俄羅斯的Glonass定位系統和歐盟正在建設的伽利略定位系統。但是,目前后三種定位系統還沒有建設完善,距離實際應用還有很長的一段路要走?,F在只有美國的GPS全球定位系統已經有了成熟的應用,我們可以使用的設備都是基于此系統的。因此,下面將著重介紹該系統。


            其次,GPS全球定位系統是美國政府與20世紀70年代就開始研制建設的,并與1994年全面建成,投入使用。其采取了廣播的方式來散發信號,因此終端用戶只需要擁有一臺終端設備就可以使用該系統,無需付費。該系統具備了很多優點:例如全天候使用、高達98%的全球覆蓋率等等。


            美國在實際設計該GPS系統的時候,采用了將21+3顆衛星的分布方式,每7顆衛星加一顆備用衛星處于互成30度的6條軌道上。在此之前曾經一再修改方案,從24顆衛星放置到互成120度的三條軌道的方案,轉為18顆衛星分布在互成60度的6條軌道上,后在1988年才終確定21+3的分布方式。


        GPS定位系統的工作原理


            到底衛星信號中包含什么樣的信息才能幫助我們準確的定位呢?并且要經過怎樣的處理才能完成終的運算呢?其實非常的簡單,衛星信號中所包含的信息大致包括衛星的星圖軌道信息和準確無比的時間信號,通過速度時間與距離的公式,再輔助上四點定位的原理就可以確定用戶的位置了。


            因此,我們只需要知道兩個信息就足夠了:

            1、衛星的準確位置;

            2、衛星與我們之間的距離。


            首先,怎樣才能準確的知道衛星的準確位置呢?我們要有非常完好的軌道設計,并且在地面設立監測站,不斷的檢測衛星的運行狀態,并且適時發送指令來保證衛星運行在預定的軌道上面。后將正確的軌道轉換為星圖軌道的準確信息,注入衛星,再轉發至我們的定位設備中。


            然后,解決衛星與我們之間的距離需要一個非常簡單的公式,距離=速度×時間。在這里,速度不是衛星的速度,也不是我們的速度,而是使用了一個JUE

        對速度,光速。將所有的問題歸結到了對時間信號的校準和測量上。因此,在每一個GPS衛星上都裝載了十分準確的原子鐘。(原子鐘:利用原子的自震動頻率來測量時間,是目前為準確的測量方法。)并且在地面還有3個數據注入站,將衛星時鐘與地面測控站的時間準確校對。


          最后,將所有的信息傳遞到我們的定位終端中,測算出相對距離來運算我們的位置,在理論上只需要搜尋到4顆衛星就可以準確定位。在實際使用中會由于誤差等因素,而需要更多的衛星或者更長的運算時間,但在實際使用的時候至少可以保證6顆至9顆衛星的連接沒有問題。


        GPS與A-GPS的差別

        GPS全球定位系統

            為什么我的手機支持GPS,在實際使用中還要花流量費呢?原因在于目前在手機上所搭載的不一定是GPS模塊,而是一種改進的技術,A-GPS(Asist-GPS輔助定位系統)。這種技術的產生是為了可以更快更方便的為用戶提供定位服務,同時在成本上也要節省一些,因為可以省一部分運算性能。


            A-GPS主要使用了隨處可用的網絡,首先通過將手機的IP地址或者信號塔的基站地址定位來先大致確定范圍,這個范圍的確定只需要瞬間的速度,再通過數據連接將手機接收到的信號交由連接至的網絡服務器來運算,后在傳回來結果,整個過程的時間可以控制在40秒之內。


            但是,這樣的解決方案也隨之而來會有一些問題出現,例如一些過于廉價的A-GPS模塊將原生的GPS運算部分削減,無法聯網也就意味著無法定位;還有用戶在聯網時需要額外的向手機的運營商來交數據流量費用;后,用戶的隱私得不到保證,需要交由第三方來處理敏感的位置信息。


        全球定位系統未來的發展方向


            首先,在GPS終端進行大量普及之后,我們會更加深刻的體驗到全球定位系統帶來的便捷。但是由于美國GPS所提供的免費民用衛星信號都加入了干擾碼,在終定位精度上達不到用戶的要求,因此我們對于正在建設中的其他3種定位系統更抱有希望,尤其是歐盟的伽利略計劃。(我國的北斗衛星定位系統與俄羅斯的Glonass系統在基本原理和運算方式上有較大的出入,因此在民用上有一定的障礙。)


            其次,因為歐盟的伽利略計劃是一個開放的工程,在其中已經有很多的國家加入。我們國家也積極的參與到了其中,并且做出了重要貢獻。歐盟的伽利略系統在基本原理與運算方式上與美國的GPS系統完全兼容,雖然其自身的精度還達不到GPS的高度,但我們在未來可以將使用上將兩者融合的設備,這樣可以達到更高的精度。


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