GPS的工作原理

Question

如题所述

Answer 1

GPS定位系统通过测量用户接收机与多颗卫星之间的距离，确定用户的位置。这一过程涉及卫星星历的查询、伪距的计算以及载波相位的观测。卫星星历提供了卫星位置的信息，伪距是通过记录信号传播时间并乘以光速获得的，而载波相位则是信号载波与接收机本振信号相位差的观测值。
GPS卫星发射的导航电文包含星历数据、卫星工作状态等信息，并以特定的伪随机码进行编码。系统中有两种伪码：民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码用于民用导航，而P码则提供更高的精度和保密性。Y码是基于P码的更高级别保密码。
用户接收机接收并解调导航电文，提取卫星时间，并与自身时钟对比，计算出距离。结合星历数据，用户在WGS-84坐标系中的位置和速度信息可以被确定。由于接收机和卫星时钟不同步，需要引入时间差作为未知数，通过解算四个方程来确定用户位置。
为了获取高精度定位，至少需要接收四个卫星的信号。接收机可以接收到精确到纳秒级别的时间信息、预测星历、广播星历以及系统信息。通过量测伪距和载波相位，可以校正误差并提高定位精度。
GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位使用伪距测量，适用于大致导航定位。相对定位则利用两台以上接收机的数据，采用伪距或相位测量，可显著提高定位精度。双频接收机通过使用两个频率的观测量，可以减少电离层误差的影响，适用于要求高精度且接收机间距离较大的定位。
在实际应用中，GPS接收机还涉及坐标系选择、地图基准设置、参考方位确定、公制/英制选择和数据接口格式等配置。坐标系通常有经纬度（LAT/LON）和UTM两种，地图基准一般采用WGS84。参考方位区分磁北和真北，而公制/英制则根据个人喜好选择。数据接口格式主要遵循NMEA 0183标准，用于GPS接收机与其他设备的通讯。
GPS数据通常以经纬度表示，有多种表示方法，包括度.分的十进制小数、度.分.秒等。纬度以平均分配的方式从南极到北极共180个纬度，而经度在赤道上每度长度为111.319KM，随着纬度的增加而缩短，最终交汇于南北极。