GPS接收机

用于运动载体的导航的设备

GPS接收机是接收全球定位系统卫星信号并确定地面空间位置的仪器。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，其所拥有的能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机。

GPS简介

可以同时接收12颗卫星。早期的型号，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收机收到3颗卫星的信号可以输出2D（就是2维）数据，只有经纬度，没有高度，如果收到4颗以上的卫星，就输出3D数据，可以提供海拔高度。但是因为地球自己的问题，不是太标准的圆，所以高度数据有一些误差。现有些GPS接收机内置了气压表，比如etrex的SUMMIT和VISTA，这些机器根据两个渠道得到的高度数据综合出最终的海拔高度，应该比较准确了。

GPS接收机的第一次开机，或者开机距离里上次关机地点超过800KM以上，因为接收机里存储的星历都对不上了，所以要在接收机上重新定位。

GPS接收机的使用要在开阔的可见天空下，所以，屋里就不能用了。手持GPS的精度一般是误差在10米左右，就是说一条路能看出走左边还是右边。精度主要依赖于卫星的信号接收，和可接收信号的卫星在天空的分布情况，如果几颗卫星分布的比较分散，GPS接收机提供的定位精度就会比较高。

坐标

坐标种类

(coordinate)有2维、3维两种坐标表示，当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3维坐标：经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：经度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式，显示坐标，而且还可以用UTM(UniversalTransverseMercator)等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。坐标的精度在SelectiveAvailability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时，GPS的水平精度在100-50米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。

在SA关闭时

(2001年已经关闭)，精度能达到10米左右(GPS性能介绍上说的精度都给的是NASA值，唬人的)。高度的精确性由于系统结构的原因，更差些。经纬度的显示方式子午线长是39940.67公里，纬度改变一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地区纬在北纬40度左右，纬度圈长为40075*sin(90-40),此地经度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住，这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。大部分GPS都有计算两点距离的功能，可给出两个坐标间的精确距离。高度的显示会有英制和公制两种方式，进GPS的SETUP页面，设置成公制，这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。

分类方式

可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。现世界上已有几十家工厂生产GPS接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。

按接收机的用途分类

导航型接收机

此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25m，有SA影响时为±100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型——用于车辆导航定位；航海型——用于船舶导航定位；航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动。星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。

测地型接收机

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。

载波频率分类

单频接收机

单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（＜15km）的精密定位。

双频接收机

双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。

通道数分类

GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：多通道接收机序贯通道接收机多路多用通道接收机

接收机工作原理分类

码相关型接收机

码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。

平方型接收机

平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。

混合型接收机

这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。

干涉型接收机

这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。

发展历史

第一颗GPS卫星

于1978年发射。

现使用的系统是由第二代GPS卫星组成的，称为Block II。

第一颗Block II卫星

于1989年发射。

美国国防部于1995年宣布GPS全面运作。

当该系统刚刚推出时，GPS信号传输中存在故意计算错误的做法，以此限制非军用GPS接收机的精确度。2000年5月份，相关部门停止了这一做法。

这时，

已有GPS卫星

运行在轨道上。

这24颗卫星的建造和发射总共花费了约120亿美元。

每颗卫星重约787公斤。

这些卫星运行在地球上空约2万公里的轨道上。

卫星沿轨道绕地球运行一周的时间为12小时。

俄罗斯也有一套与美国一样的系统，被称为GLONASS系统。

全球卫星定位系统(GPS) 实际上是一个卫星群，由27颗沿环地球轨道运行的卫星（24颗为工作卫星，另外三颗为备用卫星）组成。虽然这一卫星网络由美国军方研发并作为军用导航系统而使用，但很快这一系统就进入了普通百姓的生活中。

每一颗由太阳能提供动力的卫星的造价在3,000-4,000万英镑之间，并且在地球上空大约19,300千米的高度绕地球运行，每天绕地球运转两周。它们的运行轨道是经过特殊安排的，所以在任何时候，地球上任何地方的上空都至少可以“见到”四颗卫星。

GPS接收机的任务就是确定四颗或更多卫星的位置，并计算出它与每颗卫星之间的距离，然后用这些信息推算出自己的位置。这一计算过程的基础是一条被称为三边测量法的简单数学定理。

测距方式

GPS接收机是通过计量信号

在卫星和接收机之间的往返时间来计算距离的。事实证明，这是一个相当精细的过程。

在某一时刻（假定是午夜），卫星开始发送一长串称为伪随机码的数字序列。同样，接收机也在午夜开始发出相同的数字序列。当卫星信号到达接收机时，数字序列的传送会比接收机发出信号的时间稍稍滞后。

时间延迟的长度就是信号传送的时间。接收机将这一时间乘以光速就可以计算出信号传送的距离。假设信号是以直线传送的，则这一结果即为接收机到卫星的距离。

为了使这一测量法准确有效，接收机和卫星都需要可以精确到纳秒的同步时钟。为了使卫星定位系统使用同步时钟，我们需要在所有卫星以及接收机上都安装原子钟。但原子钟的价格在5-10万美元之间，对于普通消费者而言有点太贵了。

全球卫星定位系统

的方案解决了这一难题。每一颗卫星上仍然使用昂贵的原子钟，但接收机使用的是经常需要调校的普通石英钟。简言之，接收机接收来自四颗或更多卫星的信号并计算自身的误差。换句话说，接收机使用的“当前时间”必须是唯一值。正确的时间值的意义在于，使接收机收到的所有信号就好像都来自太空中的单一点。这一时间值是所有卫星上原子钟的统一时间。因此接收机就可以将自身的时钟调整到这一时间值，进而使接收机的时间与所有卫星上的原子钟相同。GPS接收机就可以“免费”获得原子钟的精确度。

当测量到四颗定位卫星到您所处位置的距离时，您就可以画出相交于一点的四个球面。即使您的数字有误差，三个球面仍然可能相交，但如果您的测量有误，四个球面就不可能相交于一点。由于接收机利用自身内置的时钟来测量所有的距离，距离测量会呈现一定的比例误差。

接收机可以轻易地计算出使四个球面相交于一点所进行的必要调整。基于此，接收机需要重新设置自身的时钟以便和卫星原子钟同步。接收机只要开启就处在不断的调整中，这也意味着接收机几乎与卫星中昂贵的原子钟一样精确。

距离信息定位

接收机还必须知道卫星的确切位置。这并不是特别难办到的事，因为卫星运行在很高的既定轨道上。GPS接收机储存有星历，其作用是告诉接收机每颗卫星在各个时刻的位置。虽然一些外在因素，如月球和太阳的引力作用，会缓慢地改变卫星运行的轨道，但美国国防部会不断监控卫星的精确位置，并把任何调整信息都作为卫星信号的一部分传送给所有的GPS接收机。

虽然这一系统工作性能不错，但错误还是会不时发生。其中一个原因是，这一测量方式是建立在一种假设上的，即无线电信号会匀速（光速）穿过大气层。事实上，地球大气层在一定程度上减慢了电磁能量的传播速度，特别是当电磁信号进入电离层和对流层时。延迟状况因您在地球上所处地点的不同而不同，这意味着很难将这一因素准确地纳入距离的计算中去。难题还在于无线电信号可能被大型物体反弹回去，例如摩天大楼，这将导致接收机计算出的与卫星的距离比实际的要远。最糟的情况是，有时卫星会发送错误的星历数据，误报自己的位置。

差分GPS

（DGPS）有助于纠正此类错误。其基本原理是用一个已知位置的固定接收机站来测算GPS的误差。由于机站的DGPS硬件已经知道它自己的位置，它可以很容易地计算出它覆盖范围内的接收机的误差。该机站会向所在区域内所有装配DGPS的接收机发送无线电信号，为这一区域提供信号纠正信息。一般而言，能获得这些纠正信息使DGPS接收机比普通的接收机要精确得多。

GPS接收机最基本的功能就是接收来自至少四颗卫星的信号，并且将这些信号中的信息与电子星历的信息相结合以计算出接收机在地球上的位置。

一旦接收机计算完毕，它就可以告诉您它所处位置的经度、纬度和海拔（或与之类似的测量信息）。为了使导航更加人性化，大多数接收机会把这些原始数据标注在存储于内存中的地图文件上。

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