GPS : 工作 , 應用和歷史

早在全球定位系統 (GPS)出現之前，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)跟蹤和監控到達目的地的路線(xiàn)。但是今天，GPS 技術(shù)確保了無(wú)憂(yōu)無(wú)慮的出行，并提高了車(chē)主的安全性。下圖說(shuō)明了在軌運行的GPS 衛星。

圖 1：全球定位系統的代表性圖像

介紹

GPS 技術(shù)在美國軍方的努力下成為現實(shí)，美國軍方建立了一個(gè)由 24 顆繞地球運行的衛星組成的衛星導航系統。GPS 也稱(chēng)為 NAVSTAR（定時(shí)和測距導航系統）。

GPS在全球范圍內適用于所有天氣條件，從而幫助用戶(hù)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)。

應用

這項技術(shù)最初是為軍事應用而開(kāi)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)、監視和跟蹤領(lǐng)域的有效工具。除了在難以檢測到信號的地方，例如水下、地下位置、建筑物內部和洞穴之外，都使用 GPS。

民用應用

· 導航——導航員使用它來(lái)進(jìn)行定位和精確的速度測量。

· 地理標記——可以通過(guò)將位置坐標應用于照片和其他類(lèi)型的文檔來(lái)創(chuàng )建地圖覆蓋。

· 測量——測量員創(chuàng )建地圖并驗證財產(chǎn)的邊界。

· 制圖——供平民和軍事制圖師使用。

· 構造學(xué)——檢測地震中的直接假動(dòng)測量。

· 地理圍欄——車(chē)輛、人或寵物可以通過(guò)使用 GPS 車(chē)輛跟蹤系統、人員跟蹤系統和寵物跟蹤系統來(lái)檢測。

軍事應用

· 導航——士兵可以借助 GPS 在黑暗和未知區域找到目標。

· 搜救——了解墜機飛行員的位置，可以輕松追蹤其位置。

· 偵察——可以處理巡邏運動(dòng)。

· 目標跟蹤——軍用武器系統使用 GPS 在空中目標和潛在地面被標記為敵對目標之前對其進(jìn)行跟蹤。

· GPS攜帶一套核爆探測器（如光學(xué)傳感器、劑量計、電磁脈沖傳感器、X射線(xiàn)傳感器），是美國核爆探測系統的一部分。

· 導彈和射彈制導——瞄準軍事武器，如巡航導彈、精確制導彈****。

GPS的結構

GPS系統由三部分組成：空間段、用戶(hù)段和控制段。GPS的結構圖如下所示。

圖 2： 圖顯示 GPS 系統的結構

· 空間部分——衛星是全球定位系統的核心，它通過(guò)廣播接收器使用的信號來(lái)幫助定位。信號在穿過(guò)建筑物、山脈和人群時(shí)會(huì )被阻擋。為了計算位置，需要鎖定四顆衛星的信號。您需要繼續四處走動(dòng)以獲得清晰的接收信號。

· 用戶(hù)部分——該部分包括軍事和民用用戶(hù)。它包括一個(gè)可以檢測信號（信號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)將數據轉換為有用信息的計算機。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)系統高效工作。傳輸信號必須更新，衛星應保持在適當的軌道上，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

在職的

GPS 衛星每天在特定軌道上圍繞地球旋轉兩次。這些衛星向地球傳輸信號信息。該信號信息由 GPS 接收器接收，以便測量用戶(hù)的正確位置。GPS 接收器將衛星發(fā)送信號的時(shí)間與接收信號的時(shí)間進(jìn)行比較。計算出的時(shí)間差使我們能夠知道衛星的距離。通過(guò)多測量幾顆衛星的距離，就可以驗證用戶(hù)的位置，并顯示在本機的電子地圖上。

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

在確定用戶(hù)的位置時(shí)，GPS 單元可以測量速度、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(lèi)型

三種類(lèi)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(cháng)，GPS定位精度可以穩定在1-3米以?xún)取?/span>

· 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。對攜帶 C/A 信號的波進(jìn)行計數，以計算衛星與接收器之間的距離。需要較長(cháng)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的 GPS 定位精度和差分校正。這些接收器以?xún)煞N不同的頻率接收來(lái)自衛星的信號，以找出準確的位置。

注：差分改正是一種將野外采集的 GPS 數據與已知點(diǎn)采集的 GPS 數據進(jìn)行比較的方法。

歷史

GPS 最初用于軍事應用，由美國國防部 (DOD) 于 1978 年建造。它最初稱(chēng)為 NAVSTAR，隨著(zhù)第一顆衛星的****而推出。

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

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

固定無(wú)線(xiàn)電臺廣播對軍隊來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題。這就是 1960 年代推出第一顆導航衛星 Transit 的主要原因。位置是在接收器的幫助下確定的，接收器計算了衛星廣播頻率與實(shí)際接收頻率的多普勒效應。在此之后，離衛星最近的接收器將獲得信息，隨后的讀數將精確地挑選出相對于衛星位置的位置。

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

圖 3： 顯示現代衛星 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。推出的新相機具有內置 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），并將信息標記在照片上。

開(kāi)車(chē)時(shí)注意力很難集中在GPS屏幕上，因此開(kāi)發(fā)者推出了“語(yǔ)音導航GPS”，讓駕駛者更方便、更安全。GPS 現在可以提供有關(guān)轉向的位置、到達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(xiàn)。這使得這項技術(shù)非常有趣。

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

如果您打算去打獵、釣魚(yú)、探索、遠足等，尤其是如果您不太熟悉該地區，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/當前的研究和主要發(fā)展在移動(dòng)電話(huà)領(lǐng)域，當今對 GPS 接收器的需求非常大。幾年后，所有 GSM 電話(huà)都有望配備卓越的 GPS 技術(shù)，以幫助用戶(hù)進(jìn)行導航。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(hù)。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)險區域工作的個(gè)人。 另一個(gè)重要特征是現在非常需要的支持 GPS 的防盜系統。這有助于摩托車(chē)和汽車(chē)制造商精確定位被盜車(chē)輛。 藍牙GPS 接收器的形式為計算機用戶(hù)提供了巨大的推動(dòng)力。這些接收器優(yōu)于傳統連接，因為不需要電纜。GPS 也被引入供應鏈，以確保所有貨物運輸順利且免于盜竊。

今天面臨的問(wèn)題

GPS 系統最常見(jiàn)的問(wèn)題是準確性。準確性取決于時(shí)間單位發(fā)送的信號。如果 GPS 單元中的時(shí)間關(guān)閉，精度會(huì )受到干擾。當遇到惡劣的大氣條件時(shí)，時(shí)間和計算都會(huì )受到影響。當信號從山脈、摩天大樓等處反彈回來(lái)時(shí)，就會(huì )出現不準確的情況。

另一個(gè)問(wèn)題與其每十二分鐘更新一次的位置有關(guān)。一旦信號到達更新時(shí)間，衛星就無(wú)法知道正確的位置，只能根據錯誤的信息進(jìn)行計算。這種錯誤是不可避免的。