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GPS系统

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  目录
  1 简介
  2 GPS系统
  3 车载GPS导航系统
  4 定位原理
  5 GPS应用
  6 NMEA协议
  7 应用举例
  8 GPS系统的特点
  9 GPS系统的构成
  ? 空间部分
  ? 地面控制系统
  ? 用户设备部分
  简介
  目前世界使用最多的全球卫星导航定位系统是美国的GPS系统,一共由24颗卫星组成。它采用时间测距定位原理,可对地面车辆、海上船只、飞机、导弹、卫星和飞船等各种移动用户进行全天侯的、实时的高精度三维定位测速和精确授时。
  GPS系统
  GPS系统是由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成的星座。GPS卫星的轨道高度为20000km,星上装有10-13高精确度的原子钟。地面上有一个主控站和多个监控站,定期地对星座的卫星进行精确的位置和时间测定,并向卫星发出星历信息。用户使用GPS接收机同时接收4颗以上卫星的信号,即可确定自身所在的经纬度、高度及精确时间。
  车载GPS导航系统
  车载GPS导航系统,其内置的GPS天线会接收到来自环绕地球的24颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息,结合储存在车载导航仪内的电子地图,通过GPS卫星信号确定的位置坐标与此相匹配,进行确定汽车在电子地图中的准确位置,这就是平常所说的定位功能。
  GPS系统的军用定位精度<10m,民用定位精度<100m。美国在海湾战争、科索沃战争和阿富汗战争中广泛使用了GPS系统。
  俄罗斯也有类似的系统,名叫GLONASS系统。但由于俄经济困难,且卫星寿命短,星座不能保持足够数目,影响了其正常功能。
  定位原理
  静态定位中,GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变,接收机高精度地测量GPS信号的传播时间,利用GPS卫星在轨的已知位置,解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰,空中的飞机,行走的车辆等)。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动,接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。
  GPS应用
  在长途班车、旅游客车、危险品运输车辆上安装车载GPS卫星定位系统后,通过中心监控系统可以对车辆进行实时监控,对管理部门监督驾驶员超速行车、疲劳驾驶、提高运输生产组织水平等具有积极的辅助管理作用;同时监控中心可对与正处于超速、抛锚等情况的长途营运车实施报警功能,从而降低交通事故的发生率,提高运输安全生产具有积极的意义。目前车载GPS系统已被相关管理部门和企业所认识并正在积极推广应用中。
  接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包,构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说,两个单元一般分成两个独立的部件,观测时将天线单元安置在测站上,接收单元置于测站附近的适当地方,用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体,观测时将其安置在测站点上。
  GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中,机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止丢失数据。
  NMEA协议
  NMEA协议是为了在不同的GPS(全球定位系统)导航设备中建立统一的BTCM(海事无线电技术委员会)标准,由美国国家海洋电子协会(NMEA-The National Marine Electronics Associa-tion)制定的一套通讯协议。GPS接收机根据NMEA-0183协议的标准规范,将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等设备。
  NMEA-0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议,也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议,大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。 不过,也有少数厂商的设备使用自行约定的协议比如GARMIN的GPS设备(部分GARMIN设备也可以输出兼容NMEA-0183协议的数据)。
  应用举例
  国际领先GPS导航仪品牌:Ahada(艾航达)――源自美国硅谷,现已登录中国!
  Ahada(艾航达)――专注于发展先进的GPS卫星导航便携式设备供应商,公司产品线涉及便携式导航、GPS手机导航及个人手持导航装置等全系列GPS便携产品。
  Ahada(艾航达)――在美国硅谷、中国分别成立研发、生产、销售的机构,汇集多位在GPS、通讯领域拥有多年经验的国际化一流科技精英,实现Ahada的领先技术和卓越品质。
  国内上线首款产品:Ahada N310――高性价比机王(为商务精英和白领女性量身定做的GPS导航仪机型)产品核心功能:
  1) 地图查询
  ◎可以在操作终端上搜索你要去的目的地位置。
  ◎可以记录你常要去的地方的位置信息,并保留下来,也和可以和别人共享这些位置信息。
  ◎模糊的查询你附件或某个位置附近的如加油站,宾馆、取款机等信息,
  2)路线规划
  ◎GPS 导航系统会根据你设定的起始点和目的地,自动规划一条线路。
  ◎规划线路可以设定是否要经过某些途径点。
  ◎规划线路可以设定是否避开高速等功能。
  3)自动导航
  ◎语音导航:
  用语音提前向驾驶者提供路口转向,导航系统状况等行车信息,就像一个懂路的向导告诉你如何驾车去目的地一样。导航中最重要的一个功能,使你无需观看操作终端,通过语音提示就可以安全到达目的地。
  ◎画面导航:
  在操作终端上,会显示地图,以及车子现在的位置,行车速度,目的地的距离,规划的路线提示,路口转向提示的行车信息。
  ◎重新规划线路:
  当你没有按规划的线路行驶,或者走错路口时候,GPS 导航系统会根据你现在的位置,为你重新规划一条新的到达目的地的线路。
  GPS系统的特点
  全球定位系统的主要特点:
  (1)全球、 全天候工作。
  ①定位精度高。单击定位精度优于10m,采用差分定位,精度可达厘米级和毫米级。
  ②功能多,应用广。
  GPS系统的特点:高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。
  1、定位精度高
  应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6,100-500KM可达10-7,1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中,1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较,其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。
  2、观测时间短
  随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20KM以内相对静态定位,仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15KM以内时,流动站观测时间只需1-2分钟,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟。
  GPS系统的构成
  空间部分
  GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题,随着时间的推移,导航精度会逐渐降低。
  地面控制系统
  地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。
  用户设备部分
  用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。


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