GPS衛星定位系統基礎知識介紹
- 發(fā)布日期: 2010-08-05
- 生成日期: 2022/6/1
- 發(fā) 布 人: 衛通達
- 信息來(lái)源: 人民網(wǎng)
GLOBAL Positioning System，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS，即全球衛星定位系統，近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應用，已經(jīng)產(chǎn)生了可觀(guān)的GPS產(chǎn)品需求。并且隨著(zhù)科技水平的提高、應用方向的不斷開(kāi)拓，GPS將會(huì )不容置疑的迅速滲透到人們的日常生活中來(lái)。
我們經(jīng)常提到的GPS定位系統由美國軍方所設計、控制。除此之外，我國的北斗雙星定位系統正在默默地為我國的現代化建設做貢獻;俄羅斯的GLONASS系統也曾有過(guò)輝煌的歷史;歐盟組織設計的伽利略衛星定位系統兼容目前廣泛應用的GPS系統，在幾年后將會(huì )給全球定位系統增添更加光彩的一頁(yè)。
GPS系統由三大部分組成：空間部分、控制部分和用戶(hù)部分。
空間部分是GPS人造衛星的總稱(chēng)。人造衛星的平均高度約20200Km，運行軌道是一個(gè)橢圓，地球位于該橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上;運行周期約12小時(shí)。在6個(gè)傾角約55°的軌道面上不平均地分布著(zhù)近30顆導航衛星，部分為備用衛星，美國軍方可通過(guò)地面控制部分調整工作衛星的數目。在GPS系統中，GPS衛星是動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)，用戶(hù)端所有的導航定位信息都是依據這個(gè)動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)發(fā)送的“星歷”計算得到的。GPS星歷，實(shí)際上是一系列描述GPS衛星運動(dòng)及軌道的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數。民用GPS模塊所接收到的廣播星歷是由GPS衛星以擴頻通信方式通過(guò)導航電文直接向用戶(hù)播發(fā)的用于實(shí)時(shí)數據處理的預報星歷，在不同的載波上以不同的速率廣播民用的偽隨機碼C/A碼星歷和軍用的P碼星歷。
對于整個(gè)GPS系統來(lái)說(shuō)，實(shí)際上地面控制部分是整個(gè)系統的核心。所有的GPS衛星所播發(fā)的用于導航定位的星歷，都是由分布在地面的5個(gè)監控站提供的。地面系統負責監測GPS信號、收集數據、計算并注入導航電文，狀態(tài)診斷、軌道修正等。正是有了地面監控系統的海量數據處理，才使得GPS系統精確運轉。
我們常說(shuō)的GPS定位模塊稱(chēng)為用戶(hù)部分，它像“收音機”一樣接收、解調衛星的廣播C/A碼信號，中以頻率為1575.42MHz。GPS模塊并不播發(fā)信號，屬于被動(dòng)定位。通過(guò)運算與每個(gè)衛星的偽距離，采用距離交會(huì )法求出接收機的得出經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間修正量這四個(gè)參數，特點(diǎn)是點(diǎn)位速度快，但誤差大。初次定位的模塊至少需要4顆衛星參與計算，稱(chēng)為3D定位，3顆衛星即可實(shí)現2D定位，但精度不佳。GPS模塊通過(guò)串行通信口不斷輸出NMEA格式的定位信息及輔助信息，供接收者選擇應用。
GPS模塊性能的*價(jià)指標主要有接收靈敏度、定位時(shí)間、位置精度、功耗、時(shí)間精度等。模塊開(kāi)機定位時(shí)間在不同的啟動(dòng)模式下有很大不同。一般來(lái)說(shuō)，冷啟動(dòng)時(shí)間是指模塊內部沒(méi)有保存任何有助于定位的數據的情況，包括星歷、時(shí)間等，一般標稱(chēng)在1分鐘以?xún)?溫啟動(dòng)時(shí)間是指模塊內部有較新的衛星星歷(一般不超過(guò)2小時(shí))，但時(shí)間偏差很大，一般標稱(chēng)在45秒以?xún)?熱啟動(dòng)時(shí)間是指關(guān)機不超過(guò)二十分鐘，并且RTC時(shí)間誤差很小時(shí)的情況。一般標稱(chēng)在10秒以?xún)?重新捕捉時(shí)間就如同汽車(chē)鉆過(guò)了一個(gè)隧道，出隧道時(shí)重新捕捉衛星。一般標稱(chēng)在4秒以?xún)取?/FONT>
如果模塊在定位后放的時(shí)間很久，或模塊在定位后運輸到幾百公里以外的地方，這樣模塊內部有星歷，但是這個(gè)星歷是錯誤的或不具有參考意義的。在這些情況下，定位時(shí)間可能要幾分鐘甚至更久的時(shí)間。所以一般GPS模塊出廠(chǎng)時(shí)要將模塊內部的星歷等數據清掉，這樣客戶(hù)拿到模塊后可以冷啟動(dòng)方式快速定位。
定位精度可在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)情況下進(jìn)行考察，且動(dòng)態(tài)定位效果優(yōu)于靜態(tài)定位。GPS模塊所標稱(chēng)的定位參數是指在完全開(kāi)放的天空下，衛星信號優(yōu)良的情況下測得。所以在常規的測試中很難達到標稱(chēng)的定位時(shí)間與定位精度。常見(jiàn)的水平定位精度描述方式有兩種：一是?m CEP，即圓概率誤差，意指測出的點(diǎn)有50%的概率位于一個(gè)以真實(shí)坐標為圓心，以?m 為半徑的圓內;二是?m 2DRMS，即2倍水平均方根誤差，意指測出的點(diǎn)有約95.5%的概率位于一個(gè)以真實(shí)坐標為圓心，以?m 為半徑的圓內。
GPS模塊的定位精度取決于很多方面，比如來(lái)自于GPS系統的衛星鐘差及軌道差、可見(jiàn)GPS衛星數量及幾何分布、太陽(yáng)輻射、大氣層、多徑效應等。另外，同一個(gè)GPS模塊，還會(huì )因為天線(xiàn)及饋線(xiàn)質(zhì)量、天線(xiàn)位置和方向、測試時(shí)間段、開(kāi)放天空范圍及方向、天氣、PCB設計等原因產(chǎn)生不同的定位誤差。即使是同一個(gè)廠(chǎng)家同一個(gè)型號的不同GPS模塊使用天線(xiàn)分集器同時(shí)進(jìn)行測試時(shí)，靜態(tài)漂移量也會(huì )有差別。
GPS模塊在實(shí)際應用中經(jīng)常作為時(shí)間基準，輔以模塊內部的RTC，可獲得非常高精度的時(shí)間參考，為產(chǎn)品的設計提供了很大的方便。至于GPS測速，只是在獲得經(jīng)緯度的基礎上，進(jìn)行簡(jiǎn)單的計算實(shí)現的一種擴展應用。
GPS常見(jiàn)的天線(xiàn)是陶瓷平板天線(xiàn)，這種天線(xiàn)成本低，外部加有源放大電路，接收信號方向單一，增益比較高，所以采用最多。但它的缺點(diǎn)是體積大，易受溫度影響產(chǎn)生頻率飄移。如果把陶瓷面積做小，會(huì )影響接收增益;如果做薄，會(huì )影響接收天線(xiàn)接收帶寬，還會(huì )受有源放大部分影響。目前使用效果很好的尺寸是25×25×4mm3。陶瓷片天線(xiàn)在實(shí)際使用時(shí)垂直向上放置時(shí)的效果最好。
GPS天線(xiàn)的信號傳輸線(xiàn)同樣非常重要，包括外部饋線(xiàn)與PCB走線(xiàn)。只有在阻抗匹配時(shí)輸出功率才可能最大。因此整個(gè)傳輸線(xiàn)要保證50Ω的高頻阻抗，對于PCB上如何設計RF走線(xiàn)阻抗，有些小軟件可以幫您很方便的計算。