試論GPS的工作原理及其在生活中的應(yīng)用

朱海印

摘 要：GPS技術(shù)的發(fā)展為我們開啟了一個嶄新的時代，尤其是近年來，隨著各行各業(yè)呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭，GPS在日常生活中的應(yīng)用領(lǐng)域也隨著技術(shù)的更新不斷拓寬。GPS不僅可以用于軍事專業(yè)領(lǐng)域，還可用于車輛導(dǎo)航、航空定位、工程測量、電力通訊、智能交通等生活領(lǐng)域。尤其在互聯(lián)網(wǎng)時代，借助計算機網(wǎng)絡(luò)手段，GPS為人們的生產(chǎn)生活提供了信息化、智能化、人性化的系統(tǒng)服務(wù)，有著廣闊的發(fā)展前景。該文在介紹GPS原理的同時，就GPS在生活領(lǐng)域的具體應(yīng)用進行了深入探討。

關(guān)鍵詞：GPS 基本原理 應(yīng)用

中圖分類號：V241.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（b）-0028-02

GPS最早是由美國國防部研發(fā)的一種全球衛(wèi)星系統(tǒng)。它的初始目的是用于軍用導(dǎo)航，20世紀(jì)50年代，美國為了與蘇聯(lián)開展“太空競賽”，美國空軍開始研發(fā)這種能精確時間、精確定位的衛(wèi)星系統(tǒng)[1]。隨后，世界上其他諸如俄國、歐盟等陸續(xù)開始研發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于大地、工程測量，隨著全球網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的加快，GPS也越來越多地應(yīng)用到汽車導(dǎo)航、手機等我們觸手可及的生活領(lǐng)域。

1 GPS工作原理

1.1 GPS的構(gòu)成

GPS系統(tǒng)主要由空間段、控制段和用戶段3部分構(gòu)成。其中，空間段由分布于6個軌道上的24顆衛(wèi)星構(gòu)成[2]。衛(wèi)星使用兩個L波段的無線電載波向地面用戶發(fā)出導(dǎo)航定位信號，導(dǎo)航定位信號里有衛(wèi)星的位置信息，衛(wèi)星作為動態(tài)的已知點存在。GPS可實現(xiàn)地球任何位置和時刻內(nèi)高度為15°以上6顆衛(wèi)星的信號跟蹤，多則達到9顆。同時可連續(xù)向地面用戶提供相應(yīng)的位置和時間信息?？刂贫瓮ǔＳ煞植加谌虻闹骺卣?、監(jiān)測站和注入站構(gòu)成。主控站位于美國科羅拉多州。監(jiān)測站負(fù)責(zé)跟蹤視野內(nèi)GPS衛(wèi)星收集到的衛(wèi)星測距信息，并將信息送達主站。主控站根據(jù)監(jiān)測站收集到的觀測數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)進行計算，同時編制成導(dǎo)航電文，送達注入站，再由注入站送入相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中。用戶段一般由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理器及計算機系統(tǒng)構(gòu)成。GPS接收機根據(jù)捕獲待測衛(wèi)星信號，對運行衛(wèi)星進行跟蹤，同時交換和處理信號，通過計算機等系統(tǒng)軟件解算出經(jīng)基線、網(wǎng)平差，進而計算出測站點的三維坐標(biāo)。

1.2 GPS信號

衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航信號的單位為兩種截然不同的擴頻碼。一種是粗碼，另一種是精碼。前者免費為公眾提供，為一種偽隨機碼，碼片速率以毫秒重復(fù)計算。每顆衛(wèi)星的粗碼都可以單獨識別，后再從其他衛(wèi)星發(fā)射的同頻率信號中接收；而精碼則通常經(jīng)過加密處理，集中應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[3]。精碼每周實施重復(fù)，一旦開啟“反欺騙”模式，被加密進而產(chǎn)生精碼，解碼也只能用有效密鑰設(shè)備。無論哪一種擴頻碼，GPS導(dǎo)航信號都能精確地傳遞給用戶。

1.3 GPS工作的基本原理

GPS工作的實現(xiàn)主要利用三角測量方法，或者三邊測量方法。經(jīng)過三角測量計算，GPS可采取以下步驟來確定位置，并利用衛(wèi)星來確定具體距離，衛(wèi)星中的定位探測器接收機位于“三角”衛(wèi)星中第一顆的圓心球面上，第二顆衛(wèi)星負(fù)責(zé)確認(rèn)接收機在兩個球面的交叉線。第三顆衛(wèi)星則與上述的交叉線形成交叉點，其中一個位于地球地面的交叉點就是接收機所在位置。

2 GPS在生活中的應(yīng)用

2.1 GPS在工程測量中的應(yīng)用

利用GPS進行測量工作，具備測量精度高、觀測時間短、測站之間無需通視、儀器操作簡便及全天候作業(yè)的優(yōu)點[4]。GPS提供的三維坐標(biāo)，可同時完成測站點三維坐標(biāo)的精確測量。在工程外業(yè)作業(yè)中，GPS控制選點、布網(wǎng)相當(dāng)靈活，在復(fù)雜的地形條件下尤顯其不受網(wǎng)形、通視限制的優(yōu)越性；同時，GPS對工程的觀測主要受衛(wèi)星信號和衛(wèi)星空間分布的影響，而工程測量站點的GPS接收機基本實現(xiàn)了自動化與智能化，觀測時間大大減少，觀測中按照工程選點要點，選擇了最佳時段觀測，極大降低了工程測量的作業(yè)強度。

2.2 GPS在航空攝影中的應(yīng)用

利用GPS技術(shù)進行航空攝影作業(yè)，可以動態(tài)定位時刻，根據(jù)動態(tài)位解算得出一系列拍攝坐標(biāo)序列，拍攝過程中，GPS利用天線對拍攝的中心位置進行推算。為確保曝光時間內(nèi)插的精確度，拍攝中要同時關(guān)注GPS采樣的時刻，利用內(nèi)置的扦插器（CET）將曝光的時間插入。飛機在航空拍攝中，攝影機會同時放出一個同步脈沖，計算機將脈沖數(shù)據(jù)處理后，曝光時間轉(zhuǎn)化為GPS時間，這樣就能準(zhǔn)確獲得曝光時間所在攝影站的空間位置。利用GPS進行航空三角測量，不僅降低了人工定位的工作難度與強度，還大大節(jié)省了攝影站定位的時間成本，有著廣闊的應(yīng)用空間。

2.3 GPS在汽車導(dǎo)航中的應(yīng)用

將GPS用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)，即是將地理信息系統(tǒng)、現(xiàn)代通信技術(shù)與GPS3種技術(shù)有機結(jié)合，通常以汽車導(dǎo)航設(shè)備的形式存在[5]。有了GPS的幫助，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)在電子地圖的配合下，能快速、準(zhǔn)確、實時為駕駛員指出最快捷的交通路徑。此外，汽車導(dǎo)航儀在GPS的定位支持下，還具備自動跟蹤汽車周邊地理信息的功能，包括汽車行駛路段的路況、天氣狀況等。當(dāng)前，GPS技術(shù)基礎(chǔ)上的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)已不僅限于導(dǎo)航這一種功能，還能實現(xiàn)對車輛的實時監(jiān)控、車輛超速報警、行駛信息保管、自建圖層、車輛調(diào)度等工作，日漸成為汽車駕駛員的好幫手。

2.4 GPS在緊急救援中的應(yīng)用

GPS定位的實時性、準(zhǔn)確性決定了它在突發(fā)事件緊急救援中必然有著不可替代的作用。GPS在緊急救援中的實現(xiàn)，主要通過計算機信息系統(tǒng)、語音通信系統(tǒng)、GPS子系統(tǒng)和車載終端聯(lián)合完成[6]。在實際運作中，當(dāng)生活中某地點發(fā)生突發(fā)事件，有人撥打緊急求救電話，首先由調(diào)度人員在GPS子系統(tǒng)的幫助下，通過GSM網(wǎng)絡(luò)向救護車車載GPS系統(tǒng)發(fā)出求救的調(diào)度信息，救護車同步精確定位，第一時間內(nèi)完成救援工作，這樣一來，確保緊急救援的及時性和救援效率。

3 結(jié)語

GPS已日趨成為當(dāng)今世界不可缺少的信息源，伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷進步，GPS有著更加廣闊的應(yīng)用前景。放眼我們身邊的生活，GPS已經(jīng)不再只是探險家們“發(fā)燒”級設(shè)備，GPS無處不在，工程測量、交通導(dǎo)航、航天攝影、緊急救援等等，GPS已成為現(xiàn)代人生產(chǎn)生活的必需品和重要輔助工具。正如業(yè)內(nèi)人士預(yù)言，GPS未來的發(fā)展將超乎我們想象。

參考文獻

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