硬件电路设计之“GPS介绍”

[导读]全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)是美国从上世纪70年代开始研制的全球性的卫星导航和定位系统。GPS由分布在六个轨道上的24颗通信卫星组成。这些卫星每天环绕地球运转两次，相对赤道的倾斜角度约为55度。这24颗卫星以高频率(1500MHz范围)连...

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是美国从上世纪70年代开始研制的全球性的卫星导航和定位系统。

GPS由分布在六个轨道上的24颗通信卫星组成。这些卫星每天环绕地球运转两次，相对赤道的倾斜角度约为55度。这24颗卫星以高频率(1500MHz范围)连续发送编码位置和时间信息。

GPS地面接收机接收信号，使用编码信息计算地球坐标系统的位置。接收机通过计算从每个卫星发射的无线信号到达接收机的时间来判断位置。将时间乘于光速可得到接收机到每个卫星的距离：距离=光速x 时间。时间可由GPS接收机里的精确码匹配技术得到。每个卫星的位置编码在发射信号中。具有这些数据，接收机能够对地球上的位置进行三维坐标计算。
由于卫星上安装的是原子钟，稳定度很高，我们认为这种钟的时间与GPS时间吻合；接收机的时钟是石英钟，稳定度一般，我们认为它的时钟时间与GPS时间存在时间同步误差，并将这种误差作为一个待定参数。这样，对于每个地面点实际上需要求解就有4个待定参数，因此至少需要观测4颗卫星至地面点的卫地距离数据。差分（DGPS）就是把高精度的GPS接收机安装在位置准确测定的地点组成基站。基站接收GPS卫星信号所测定的位置和本站已知位置相比较求得位置测定误差或伪距测量误差，并将这些误差作为校正值向四周空间广播。基站附近的GPS用户接收机收到来自基站的校正信号，修正自身的GPS测量值，从而大大提高定位精度。

GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测值来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，存在着三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则无法消除。根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和载波相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送修正数据，由用户站接收并对其测量结果进行修正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送修正数据的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

位置差分原理

这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、 SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。

伪距差分原理(DGPS)也称为（RTD）

伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。利用伪距差分方法，定位精度可达到亚米级。

载波相位差分原理(RTK)

载波相位差分技术又称之为RTK技术（real time kinematic），是建立在及时处理两个观测站的载波相位基础上的。载波相位差分技术能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链及时将其载波观测值及基准站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行及时处理，能及时给出厘米级的定位结果。实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法与差分法。前者和伪距差分相同，基准站把载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，之后求解坐标。后者把基准站采集的载波相位发送给用户站进行求差解算坐标。前者是准RTK技术，后者为真正的RTK技术。

一般民用的GPS使用的是L1载波，频率为1575.42MHz，在这个载波频率上以调相方式加载了两种不同的伪随机噪声码：C/A码和P码，C/A码是用于民用的测距码，码长为1023个码元，即1023次从0到1的跳动，这1023个码元每秒重复1000次，即1.023MHz。P码是军用码，码长非常长，码率为10.23MHz。由于GPS接收机是通过对比码元的跳动来计算从卫星到接收机的时间差，然后转换成距离，因此P码的精度是C/A码的10倍，由于现代信号处理技术计算码元跳动的时间精度是码宽的百分之一，因此C/A码的距离精度就是3m，P码可以达到0.3m。接收机知道了自己和卫星的距离，但这并不能计算出自己的位置，因为他不知道卫星在发射电波时的位置，因此在卫星载波上还加载了一个50Hz的导航电文，导航电文的格式符合NMEA协议（NMEA协议是为了在不同的GPS导航设备之间建立的统一的BTCM标准，由NMEA制定的一套通讯协议。NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。