迈进导航之门 GPS原理及分类全解释

    作者：都广宇

    当你来到一个陌生的城市，你是否为找到朋友住址而心焦？

　　而在你知道朋友的住址之后，怎么走能到他家，也是个问题。

　　当你的车子半路汽油快要耗尽，怎样找到附近的加油站，成了燃眉之急。

　　没办法，出门在外不容易，而对路程以及周围欢迎的不熟悉，成了这不爽的主要原因。就算你手有地图，不知道你的当前位置也只能摸瞎。这个时候，大多数人脑子里会有个想法：“请个向导！”但你也知道在这个市场经济社会，向导可不是谁都请的起。怎么办？

　　科技总是为人类服务的，尽管有些科技的诞生是出于军事目的。GPS就是美国陆海空三军联合研制的空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。那么这种匪夷所思的功用是怎么实现的呢？

    GPS原理的最通俗解释

　　24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

　　由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X、Y、Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度、高程，再根据经纬度计算精确时间等信息。

    GPS导航系统的前身

　　GPS系统的前身为美军研制的一种卫星定位系统(Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。

　　由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。

　　而美国空军则提出了“伪随机码”的概念，此技术具有强大的功能，甚至当信号强度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。在此基础上1973年美国国防部成立了卫星导航定位联合计划局，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

    GPS导航系统的组成

　　GPS导航系统简单说来分为3个部分：天上飞的卫星、地面的控制站、咱们手里拿的接收机。

　　GPS的空间部分由罗克韦尔集团建造的24颗导航卫星组成，它们运行于距地面17700公里的6个和赤道平面成55度夹角的轨道平面上，每个轨道平面配备3颗卫星和一个备用卫星，据此信息计算其在地球上的位置。系统提供3种定位服务P码、C/A码和电报码。该系统力求在地球上的任何地点的用户，都可以通过一台GPS接收机接收到至少4颗卫星发出的位置和时间信息。

　　地面控制站位于美国本土的科罗拉多，还有3个地面天线和5个监测站分布在全球，主要任务是收集数据、计算导航信息、诊断卫星状态以及调度等杂事。

　　第三部分则是我们手中的接收机了，它们大大小小千姿百态，分为手机型、MP4型、PDA型、车载型与笔记本型等等，在这方面下文再作详细介绍。