什麼是全球定位系統？ 了解 GPS

全球定位系統或 GPS 是提供定位、導航和授時系統 (PNT) 的全球導航衛星系統 (GNSS)。 它是由美國國防部（US DoD) 在 1970 年代初期。還有其他衛星導航系統，如俄羅斯的 GLONASS、歐洲的伽利略和中國的北斗，但美國的全球定位系統 (GPS) 和俄羅斯全球導航衛星系統 (GLONASS) 是唯一功能齊全的衛星導航系統導航系統分別有32個衛星星座和27個衛星星座。 在 GPS 技術發展之前，導航（海、陸或水）的主要輔助工具是地圖和指南針。 隨著 GPS 的引入，導航和定位變得非常容易，定位精度為兩米或更小。接收器在 2-D 平面接收器在 3D 空間中的位置 GPS 接收器的類型全球定位系統 (GPS)的應用 GPS 的歷史在 GPS 發展之前，地面導航系統如美國的 LORAN（遠程導航） 和英國的 Decca Navigator System 是導航的主要技術。 這兩種技術都基於無線電波，範圍僅限於數百公里。 在 1960 年代初期，三個美國政府組織，即美國國家航空航天局 (NASA)、國防部 (DoD) 和運輸部(DoT) 與其他幾個組織開始開發基於衛星的導航系統，旨在提供高精度、不受天氣影響的操作和全球覆蓋。該計劃演變為導航衛星授時和測距全球定位系統（NAVSTAR 全球定位系統）。 該系統最初是作為軍事系統開發的，以滿足美國軍方的需求。 美國 軍方使用 NAVSTAR 進行導航以及武器系統瞄準和導彈制導系統。 敵人使用這種導航系統對抗美國的可能性是平民無法使用它的主要原因。第一顆 NAVSTAR 衛星于 1978 年發射，到 1994 年，一個由 24 顆衛星組成的完整星座被放置在軌道上，從而使它完全可操作。1996年，美國 政府認識到 GPS 對平民的重要性，並宣布了雙重用途系統，允許軍用和民用。 GPS 結構概述 基於衛星的導航系統全球定位系統 (GPS) 的基本技術是測量接收器和同時觀測的幾顆衛星。這些衛星的位置是已知的，因此通過測量其中四顆衛星與接收器之間的距離，GPS 接收器位置的三個坐標即 可以確定緯度、經度和高度。 由於可以非常準確地確定接收器的位置變化，因此也可以確定接收器的速度。 GPS 段這個複雜的全球定位系統的結構分為三個主要部分：空間段、控制段和用戶部分。 其中，控制段和空間段由美國空軍開發、運營和維護。 下圖顯示了 GPS 系統的三個部分。空間部分 GPS 的空間部分 (SS) 由 24 顆衛星組成，這些衛星以近似圓形軌道環繞地球運行。 衛星放置在六個軌道平面中，每個軌道平面由四顆衛星組成。 軌道平面的傾斜度和衛星的定位以特定的方式排列，以便至少有六顆衛星始終在地球上任何位置的視線內。 談到空間中星座的排列，GPS衛星被放置在大約 20,000 公里高度的中地球軌道 (MEO) 中。 為了增加冗餘和提高精度，星座中的 GPS 衛星總數已增加到 32 顆，其中 31 顆衛星正在運行。 控制段 GPS 的控制段 (CS) 由全球監測和控製網絡組成和跟踪站。 控制部分的主要任務是跟踪 GPS 衛星的位置並通過幫助機動命令將它們保持在適當的軌道上。此外，控制系統還確定和維護機載系統完整性、大氣條件、來自原子鐘的數據GPS 控制段再次分為四個子系統：新主控站 (NMCS)、備用主控站 (AMCS)、四個地面天線 (GA) 和全球監測站網絡 (MS)。 GPS 衛星星座的中央控制節點是主控制站 (MSC)。 它位於科羅拉多州施里弗空軍基地，24×7 全天候運行。主控制站的主要職責是：衛星維護、有效載荷監測、同步原子鐘、衛星機動、管理 GPS 信號性能、上傳導航信息數據、檢測GPS 信令故障和對這些故障的響應。有幾個監測站 (MS)，但其中六個很重要。 它們位於夏威夷、科羅拉多斯普林斯、阿森松島、迭戈加西亞、誇賈林和卡納維拉爾角。 這些監測站持續跟踪衛星的位置並將數據發送到主控站進行進一步分析。為了將數據傳輸到衛星，有四個地面天線 (GA) 位於阿森松島、卡納維拉爾角、迪戈加西亞和誇賈林。 這些天線用於將數據上傳到衛星，數據可以是時鐘校正、遙測命令和導航消息等任何內容。定位和計時。 通常，為了訪問 GPS 服務，用戶必須配備 GPS 接收器，如獨立 GPS 模塊、支持 GPS 的手機和專用 GPS 控制台。有了這些 GPS 接收器，民用用戶可以知道標準位置、準確時間和速度，而軍隊使用它們進行精確定位、導彈制導、導航等。 GPS 的工作原理在 GPS 接收器的幫助下，我們可以計算地球上任何地方的物體在二維或三維空間中的位置. 為此，GPS 接收器使用一種稱為三邊測量的數學方法，該方法可以通過測量物體與少數其他已知位置的物體之間的距離來確定物體的位置。因此，在 GPS 接收器的情況下，為了要找出接收器的位置，接收器模塊必須知道以下兩件事：• 衛星在空間中的位置和• 衛星與 GPS 接收器之間的距離確定衛星的位置為了確定衛星的位置衛星，GPS 接收器利用 GPS 衛星傳輸的兩種類型的數據：年曆數據和星曆數據。 GPS 衛星連續傳輸其大致位置。 這些數據稱為年曆數據，隨著衛星在軌道上移動，它會定期更新。 該數據由 GPS 接收器接收並存儲在其內存中。 在年曆數據的幫助下，GPS 接收器可以確定衛星的軌道以及衛星應該在哪裡。 太空中的條件無法預測，衛星很有可能偏離他們的實際路徑。 主控制站 (MCS) 和專用監測站 (MS) 跟踪衛星的路徑以及其他信息，如高度、速度、軌道和位置。如果任何參數有任何錯誤，校正後的數據是發送到衛星，使它們保持在準確的位置。 這種由 MCS 發送到衛星的軌道數據稱為星曆數據。 衛星收到此數據後，會校正其位置並將此數據發送到 GPS 接收器。借助這兩個數據，即 曆書和星曆，GPS接收器可以隨時知道衛星的確切位置。確定衛星和GPS接收器之間的距離為了測量GPS接收器和衛星之間的距離，時間起著主要作用。 計算衛星到 GPS 接收器距離的公式如下：距離 = 光速 x 衛星信號的傳播時間這裡，傳播時間是衛星信號（無線電波形式的信號，由衛星發送到 GPS 接收器）到達接收器。光速是一個恆定值，等於 C = 3 x 108 m/s。 為了計算時間，首先我們需要了解衛星發送的信號。衛星發送的轉碼信號稱為偽隨機噪聲（PRN）。 當衛星生成此代碼並開始傳輸時，GPS 接收器也開始生成相同的代碼並嘗試同步它們。 GPS 接收器然後計算接收器生成的代碼在與發射的衛星同步之前必須經歷的時間延遲量代碼。一旦知道衛星的位置及其與 GPS 接收器的距離，就可以使用以下方法找出 GPS 接收器在 2D 空間或 3D 空間中的位置。接收器在 2-D 平面中的位置為了在二維空間中找到物體或 GPS 接收器的位置，即 一個 XY 平面，我們只需要找到 GPS 接收器和兩顆衛星之間的距離。 設D1和D2分別為接收器與衛星1和衛星2的距離。現在，以衛星為中心，半徑為D1和D2，在XY平面上圍繞它們畫兩個圓。 這種情況的圖示如下圖所示。從上圖可以清楚地看出，GPS 接收器可以位於兩個圓相交的兩個點中的任何一個。 如果排除衛星上方的區域，我們可以在衛星下方圓圈的交點處精確定位 GPS 接收器的位置。 兩顆衛星的距離信息足以確定 GPS 接收器的位置二維或 XY 平面。 但現實世界是一個 3 維空間，我們需要確定 GPS 接收器的 3 維位置，即 它的緯度、經度和高度。 我們將看到一個逐步確定 GPS 接收器的 3 維位置的過程。接收器在 3D 空間中的位置讓我們假設衛星相對於 GPS 接收器的位置是已知的。 如果衛星 1 與接收器的距離為 D1，則顯然接收器的位置可以是以衛星 1 為中心，D1 為半徑形成的球體表面的任何位置。如果距離為來自接收器的第二顆衛星（衛星 2）是 D2，那麼接收器的位置可以限制在由半徑為 D1 和 D2 的兩個球體與分別位於中心的衛星 1 和 2 相交形成的圓。來自此圖像, GPS 接收器的位置可以縮小到交點圓上的一個點。 如果我們添加第三顆衛星（衛星 3），從 GPS 接收器到現有的兩顆衛星的距離為 D3，則接收器的位置被限制在三個球體的交點，即 兩個點中的任何一個。在實時情況下，將 GPS 接收器的模糊性定位在兩個位置之一是不可行的。 這可以通過引入與接收器距離為 D4 的第四顆衛星（衛星 4）來解決。第四顆衛星將能夠從可能的兩個位置精確定位 GPS 接收器的位置，這些位置之前僅用三顆衛星確定。 因此，實時至少需要 4 顆衛星來確定物體的確切位置。實際上，GPS 系統的工作原理是至少有 6 顆衛星對位於地球上任何地方的物體（GPS 接收器）始終可見。類型GPS 接收器 GPS 被民用和軍用。 因此，GPS接收器的類型可以分為民用GPS接收器和軍用GPS接收器。 但是標準的分類方式是基於接收器能夠檢測到的代碼類型。基本上，GPS 衛星傳輸的代碼有兩種類型：粗採集代碼（C/A 代碼）和 P – 代碼。 消費者 GPS 接收器單元只能檢測 C/A 代碼。 此代碼不准確，因此民用定位系統稱為標准定位服務 (SPS)。另一方面，P 代碼由軍方使用，是一種高度準確的代碼。 軍方使用的定位系統稱為精確定位服務（PPS）。 GPS 接收器可以根據對這些信號進行解碼的能力進行分類。另一種對商用 GPS 接收器進行分類的方法是基於接收信號的能力。 使用這種方法，GPS接收機可以分為：單頻碼接收機單頻載波平滑碼接收機單頻碼和載波接收機雙頻接收機全球定位系統（GPS）的應用GPS已經成為全球基礎設施的重要組成部分，類似於互聯網。 GPS 一直是發展廣泛應用的關鍵因素，廣泛應用於現代生活的不同方面。 大規模製造和組件小型化的增加降低了 GPS 接收器的價格。 下面提到了一小部分 GPS 發揮重要作用的應用。在 GPS 的幫助下，現代農業的產量得到了提高。 農民正在使用 GPS 技術和現代電子設備來獲取有關田地面積、平均產量、燃料消耗、覆蓋距離等的精確信息。在汽車領域，自動導引車最常用於工業或消費應用。 GPS 使這些車輛能夠進行導航和定位。平民使用 GPS 接收器進行導航。 GPS接收器可以是手機和手錶中的專用模塊或嵌入式模塊。 它們在徒步旅行、公路旅行、駕駛等方面非常有幫助。 附加功能包括車輛的準確時間和速度。消防和救護車等緊急服務受益於 GPS 對災難位置的準確定位，並且能夠準時響應。軍隊使用高精度 GPS 接收器進行導航、目標跟踪、導彈制導系統等。 還有許多其他應用程序正在使用 GPS 或在未來使用範圍很大。相關文章：無線通信：介紹、類型和應用多路復用器和多路分解器為什麼您的互聯網總是斷開連接？嵌入式 C 程序的基礎什麼是 MEMS 傳感器？

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