老年人头皮疼:GPS的理论价值和现实意义是什么?(急..)

　　GPS设备（Global Position System）即全球定位系统，用于接收并解析太空中数个卫星回传电波中的轨道信息及时刻信息，来计算出GPS接收器所在位置的经度、纬度、水平高度及移动速度。GPS设备基本配备通常包含了一个GPS接收器、解析器及一部高效率的微电脑。

　　GPS是由美国国防部开发的星基无线电导航系统。GPS每天24小时为全球陆、海、空用户全天侯提供三维位置、速度和时间。它比其它无线电导航系统精度更高。

　　GPS由三部分组成：空间段、控制段和用户段。

　　空间段由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成。卫星轨道高度20200km，倾角55度，周期12小时。卫星的轨道分布保证在世界各地任何时间可见到至少6颗卫星，卫星连续向用户提供位置和时间信息。

　　控制段由一个主控站、5个监测站、三个注入站组成。主控站位于Colorado。监测站跟踪视野内所有GPS卫星、收集卫星测距信息，并把收集的信息送到主站。主站计算卫星精密轨道，并产生每颗卫星的导航信息，通过注入站传送到卫星。

　　用户段由接收机、处理器和天线组成。通过接收卫星广播信息计算出用户的位置速度和时间。

　　GPS的概念是基于卫星测距，用户通过测量他们到卫星的距离来计算自己的位置。卫星的位置当已知值，每个GPS卫星发送位置和时间信号，用户接收机测量信号到达接收机的时间延迟，相当于测量用户到卫星的距离。同时测量四颗卫星就可以解出位置、速度和时间。

GPS系统包含空中卫星、地面控制系统、使用者接收器三部份。目前已完成24颗卫星的发射咿D，此24颗卫星多属BLOCK II型，平均分布於六个轨道面上，轨道的倾角约为55° ，卫星高度约为20,183公里，卫星周期为11时58分；亦即每颗卫星每天依相同路境绕行地球2周，这种设计确实提供使用者在地面上任何时间、地点 至少可看见4颗以上卫星。GPS卫星以两种L-Band载波 L1(1575.42MHz)与L2(1227.60 MHz)调制PRN电码，传送其导航讯息。电码中又分两种，一为P电码(Precise Code,10.23MHz)，另一为C/A电码(Coarse/Acquisition Code,1.023MHz)。P电码因频率较高，不易被干扰，定位精度高，但受美国军方管制，民间多使用C/A电码。

地面控制站是由美国国防部JPO所控制，主要工作在追踪及预测GPS卫星轨道，控制 GPS卫星状态及轨道偏差，维护整套GPS卫星工作正常。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。其中监测站共有五个，分别位於关岛(Guam)、夏威夷(Hawaii)、阿拉斯加(Alaska)、温登堡空军基地(Vandenberg Air Force Base)及加州(California)。其功能乃在追踪卫星轨道，由接收的导航讯息中，计算相对距离、大气校正数据等，并将这些资料传回主控制站，以便分析。主控制站位於美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)，其功能为收集由监测站传来的数据，计算出卫星星历、卫星时表修正量及电离层校正系数，同时将这些校正资讯送至地面天线传送回卫星，如此卫星便能将修正后之导航讯息广播给使用者。一般而言，此导航讯息每八小时更新一次。

使用者接收器,现有单频与双频两种,但由於价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。使用者接收机是与我们关系最密切，主要目的是接收GPS卫星广播出来的定位讯号， 由接收机中的咚銌卧??馑愠鍪褂谜吣壳拔恢茫?饕獦妩蔀榻邮谍C及天线，一般GPS接收机都是相当低价位，而只接收讯号没有发射讯号，可提供全球24小时的定位服务，也不受天候状况的影响，由於采用展频（高速跳频）技术，更不易受到别人讯号的干扰。

GPS 接收机的性能：GPS 接收机无论其体积大小, 有许多元件关系到它的性能表现. 例如以可同时接收卫星数量而言, 有些 GPS 接收机是四卫星级的, 有些六卫星级的, 而目前 GPS 则大多数是 12 卫星级的. 其中尚有同步及非同步接收之分. 大体上卫星数量的多寡和锁定资料的速度有关。当 GPS 安装在交通工具一类天空被遮蔽的地点时, 必而使用外接天线来接收来自卫星的讯号. 通常 GPS 卫星的频率因为高达 1.6GHz, 它的天线通常不会太大. 有些天线具有讯号放大的的线路, 可以接续较长的电缆线到 GPS 接收机, 这一类的天线通长体积会比较大些.

GPS的精度－GPS与GPS定位系统

GPS 所使用的精度可分为标准定位精度(GPS)及精密定位精度(GPS)二种:

1.标准定位精度(Standard Position System，简称GPS) ：SPS是最常见的定位系统,其水平方向精确度约为30公尺,GPS需经过选择性效益(Selective Availability,SA)处理程序,就是会将卫星讯号的位置或时间资料重新处理,在加入了随机变动参数后误差会加大,因此其精确度不会高於SA的误差值。SA-SPS的精确度水平值100公尺,垂直为156公尺,时间为10亿分之340秒,适合提供现在的一般性商业应用,如汽车导航系统等。使用C/A码来定位观测，通常可达100m之内的误差，这是在SA(Selective Availability)开启状态之下，当SA关闭时，此差可降至30m左右，这是由於自然界中存在著许多差的因素,为了提高GPS的精度，我们可利用差分定位(Differential GPS)技术来做校正，通常精度可到2m至5m左右，甚至可达到次米级单位的程度。

2.精密定位精度(Precis Position System，简称PPS) ：PS系统则采用锁码讯号,定位精确度水平值为20公尺,垂直为27.7公尺,时间为10亿分之200秒。由於PPS为销码系统,因此不会被加入SA码干扰,事实上,GPS亦仅提供给军事单位与政府使用,为确保军事安全,美国国防部更会在一般民用GPS加入SA乱码稍加干扰,以确保各项政府与军事机密的安定性。要达到GPS的精密定位精度，则必须使用P(Y)码才可达到，一般而言，PPS在水平方向通常可达到15m左右的精度,在垂直方向可达25m的精度，但由於P(Y)码取得不易，因此，目前要做精度定位观测，大多数使用者仍以C/A码配合DGPS来使用。

过去为防止非美军使用者得到太精确的定位资料，以至妨碍到美国的国家安全，所以在供给民间使用的讯号上，另外加入所谓的S/A(Selective Availability)效应干扰讯号，使得民用的GPS接收机在定位时，只能维 持95% 的接收状况让精确度在直径100公尺内，另外 5%的接收状况可能在直径300公尺内 。事实上 , 这样的 精确度已满足大部份民间定位作业的需求。但如果某 些定位作业需要更高的精确度，也可以利用差分定位法 (Differential GPS,DGPS) 达到2~10公尺内的定位精度 。

现在对GPS使用者而言，2000年的最大收获就是，美国政府已於5月2日起取消干扰民间使用者之选择性误差；因此，精度将由原先的100公尺平均误差范围修正成15公尺平均误差范围，但美国军方仍可随意在任何地区选择性地阻碍精度。

GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。

按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。

在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级 的相位差分定位（RTK），实时差分定位需要数据链将 两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。 在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种 方式由几台接收机同时观测，它能最太限度地发挥GPS的定位精度，专用于 这种目的的接收机被称为大地型接 收机，是接收机中性能最好的一类。目前，GPS已经能 够达到地壳形变观测的精度要求，IGS的常年观测台站已 经能构成毫米级的全球坐标框架。