GPS : 工作 , 应用和历史

早在全球定位系统 (GPS)出现之前，研究人员就努力寻找可行的解决方案来帮助旅行者避免迷路。早些时候，旅行者过去常常依靠精心制作的地图来跟踪和监控到达目的地的路线。但是今天，GPS 技术确保了无忧无虑的出行，并提高了车主的安全性。下图说明了在轨运行的GPS 卫星。

图 1：全球定位系统的代表性图像

介绍

GPS 技术在美国军方的努力下成为现实，美国军方建立了一个由 24 颗绕地球运行的卫星组成的卫星导航系统。GPS 也称为 NAVSTAR（定时和测距导航系统）。

GPS在全球范围内适用于所有天气条件，从而帮助用户跟踪位置、物体甚至个人！只要有 GPS 接收器，任何人都可以使用 GPS 技术。

应用

这项技术最初是为军事应用而开发的。1980 年，政府决定将其也用于民用。GPS 已成为科学使用、商业、监视和跟踪领域的有效工具。除了在难以检测到信号的地方，例如水下、地下位置、建筑物内部和洞穴之外，都使用 GPS。

民用应用

· 导航——导航员使用它来进行定位和精确的速度测量。

· 地理标记——可以通过将位置坐标应用于照片和其他类型的文档来创建地图覆盖。

· 测量——测量员创建地图并验证财产的边界。

· 制图——供平民和军事制图师使用。

· 构造学——检测地震中的直接假动测量。

· 地理围栏——车辆、人或宠物可以通过使用 GPS 车辆跟踪系统、人员跟踪系统和宠物跟踪系统来检测。

军事应用

· 导航——士兵可以借助 GPS 在黑暗和未知区域找到目标。

· 搜救——了解坠机飞行员的位置，可以轻松追踪其位置。

· 侦察——可以处理巡逻运动。

· 目标跟踪——军用武器系统使用 GPS 在空中目标和潜在地面被标记为敌对目标之前对其进行跟踪。

· GPS携带一套核爆探测器（如光学传感器、剂量计、电磁脉冲传感器、X射线传感器），是美国核爆探测系统的一部分。

· 导弹和射弹制导——瞄准军事武器，如巡航导弹、精确制导弹****。

GPS的结构

GPS系统由三部分组成：空间段、用户段和控制段。GPS的结构图如下所示。

图 2： 图显示 GPS 系统的结构

· 空间部分——卫星是全球定位系统的核心，它通过广播接收器使用的信号来帮助定位。信号在穿过建筑物、山脉和人群时会被阻挡。为了计算位置，需要锁定四颗卫星的信号。您需要继续四处走动以获得清晰的接收信号。

· 用户部分——该部分包括军事和民用用户。它包括一个可以检测信号（信号的功率小于灯泡的十亿分之一功率）的灵敏接收器和一个将数据转换为有用信息的计算机。GPS 接收器有助于定位您自己的位置，但不允许您被其他人跟踪。

· 控制段——这有助于整个系统高效工作。传输信号必须更新，卫星应保持在适当的轨道上，这一点至关重要。

在职的

GPS 卫星每天在特定轨道上围绕地球旋转两次。这些卫星向地球传输信号信息。该信号信息由 GPS 接收器接收，以便测量用户的正确位置。GPS 接收器将卫星发送信号的时间与接收信号的时间进行比较。计算出的时间差使我们能够知道卫星的距离。通过多测量几颗卫星的距离，就可以验证用户的位置，并显示在本机的电子地图上。

要测量二维位置和跟踪运动，GPS 接收器必须锁定三颗卫星的信号。如果 GPS 接收器锁定四颗或更多卫星的信号，则接收器可以测量 3D 位置（纬度、经度和高度）。

在确定用户的位置时，GPS 单元可以测量速度、行程距离、方位、到目的地的距离、风向、日出和日落时间等。

GPS 接收器的类型

三种类型的 GPS 接收器提供不同的精度水平，并且具有不同的获取精度的必要性是：

· 粗略捕获 (C/A) 代码接收器– 这些接收器提供 1-5 米的 GPS 定位精度和差分校正。占用时间为 1 秒，这些接收器可提供 1-5 米的 GPS 定位精度。如果占用时间长，GPS定位精度可以稳定在1-3米以内。

· 载波相位接收器——这些接收器提供 10-30 米的 GPS 定位精度和差分校正。对携带 C/A 信号的波进行计数，以计算卫星与接收器之间的距离。需要较长的占用时间才能获得位置精度。

· 双频接收器——这些接收器提供亚厘米级的 GPS 定位精度和差分校正。这些接收器以两种不同的频率接收来自卫星的信号，以找出准确的位置。

注：差分改正是一种将野外采集的 GPS 数据与已知点采集的 GPS 数据进行比较的方法。

历史

GPS 最初用于军事应用，由美国国防部 (DOD) 于 1978 年建造。它最初称为 NAVSTAR，随着第一颗卫星的****而推出。

今天，大约有 30 颗完全运行的卫星环绕地球运行，距离为 20200 公里。这些 GPS 卫星传输的信号有助于定位 GPS 接收器的精确位置。最新的高效卫星技术确保拥有 GPS 接收器的任何个人都可以免费使用 GPS 信号。

GPS 的前身曾经是遍布全球已知地点的固定无线电台。首先，主站发出信号，然后全球的从站开始响应。从站在精确的时间后发出这些信号。然后接收器开始评估接收主站和从站信号之间的时间延迟，从而确定相对于从站的位置。

固定无线电台广播对军队来说是个问题。这就是 1960 年代推出第一颗导航卫星 Transit 的主要原因。位置是在接收器的帮助下确定的，接收器计算了卫星广播频率与实际接收频率的多普勒效应。在此之后，离卫星最近的接收器将获得信息，随后的读数将精确地挑选出相对于卫星位置的位置。

现代卫星以不同的方式确定确切位置。卫星信号将包括卫星的位置和信号传输的时间。有了这一关键信息，地面部队将能够迅速有效地成功定位目标。每个卫星信号都将地面单元放置在卫星的球体上。然后将 GPS 接收器的位置识别为球体的交点（用于附加卫星信号）。

图 3： 显示现代卫星 GPS 跟踪的代表性图像

GPS在我们的日常生活中变得越来越重要。推出的新相机具有内置 GPS，以便在您拍照时提供信息（您所在位置的纬度和经度），并将信息标记在照片上。

开车时注意力很难集中在GPS屏幕上，因此开发者推出了“语音导航GPS”，让驾驶者更方便、更安全。GPS 现在可以提供有关转向的位置、到达目的地的剩余距离等信息。GPS 的其他单元是语音控制的。您可以发出语音命令来寻找替代路线。这使得这项技术非常有趣。

GPS 对徒步旅行者非常有用。GPS 会显示您所在的街道，可以标记酒店的位置和要参观的地方，这可以节省您的时间，而不是将宝贵的时间花在寻找路线上。

如果您打算去打猎、钓鱼、探索、远足等，尤其是如果您不太熟悉该地区，GPS 是必不可少的。徒步旅行者的 GPS 装置重量轻、紧凑且防水。

重要日期

最新/当前的研究和主要发展在移动电话领域，当今对 GPS 接收器的需求非常大。几年后，所有 GSM 电话都有望配备卓越的 GPS 技术，以帮助用户进行导航。这种卓越的 GPS 技术还将有助于跟踪其他启用 GPS 移动功能的用户。例如，焦虑的父母可以密切关注孩子的一举一动。它还有助于跟踪在高风险区域工作的个人。 另一个重要特征是现在非常需要的支持 GPS 的防盗系统。这有助于摩托车和汽车制造商精确定位被盗车辆。 蓝牙GPS 接收器的形式为计算机用户提供了巨大的推动力。这些接收器优于传统连接，因为不需要电缆。GPS 也被引入供应链，以确保所有货物运输顺利且免于盗窃。

今天面临的问题

GPS 系统最常见的问题是准确性。准确性取决于时间单位发送的信号。如果 GPS 单元中的时间关闭，精度会受到干扰。当遇到恶劣的大气条件时，时间和计算都会受到影响。当信号从山脉、摩天大楼等处反弹回来时，就会出现不准确的情况。

另一个问题与其每十二分钟更新一次的位置有关。一旦信号到达更新时间，卫星就无法知道正确的位置，只能根据错误的信息进行计算。这种错误是不可避免的。