GPS与车载导航系统
1 GPS系统
1.1 什么是GPS
GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是70年代由美国陆、海、空三军联合研制的．具有在海、陆、空进行全方位实时二三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和令球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等目的。经过20余年的研究实验，耗资200亿美元，于1994年全面建成。建成后，一天24小时免费为全球提供卫垦导航定位信号。
GPS卫星发送两种码：P码(精码)和C／A码(粗码)。P码只供美军及其盟军以及美国政府批准的用户使用，定位精度达到3 m；C／A码为民用，对社会开放，定位精度为14 m。出于自身安全的考虑，美国先后实施了SA和AS政策。SA政策是在C／A码中人为引人误差，使定位精度下降到100 m；AS政策是对P码实行加密。2000年5月1日起美国停止了故意降低民用信号性能的SA政策，对民用码不加干扰，使民用信号精度大大提高，SA已经成为历史。
1.2 GPS系统的组成
GPS系统由3部分构成：
(1)空间星座部分：即GPS卫星星座。由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。卫星高度约2.02万干米，均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，24颗卫星均匀分布在6个轨道面上(每轨道面4颗)，轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP)。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
(2)地面监控部分：他包括1个主控站、3个注入站和5个监测站，负责卫星的监控和卫星星历(描述卫星运动及其轨道的参数)的计算。监测站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监测站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地，他的主要任务是收集各监测站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值，另外，他还要对地面监控部分实行全面控制。注入站也设在范登堡空军基地，他的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把各类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。
GPS_百度百科
一、GPS的基本概念和原理
GPS，全称为全球定位系统（Global Positioning System），是一种基于卫星导航系统的定位技术。它由一系列的卫星、地面控制站和用户设备组成，能够准确测量地球上任意点的位置坐标，并提供导航、定位等功能。
GPS的原理主要基于三个方面：卫星发射的信号、接收器接收的信号和测量时间。首先，GPS系统中有24颗卫星（包括备用卫星），它们通过人造卫星轨道在地球上的分布。这些卫星以恒定速度绕地球旋转，每颗卫星每天都会固定几次跟踪站的位置，并通过无线电信号发送卫星的位置信息。
其次，GPS接收器位于地面或者其他移动设备中，用来接收卫星发射的信号。接收器会接收到至少四颗卫星的信号，并通过测量信号的传播时间来计算接收器到每颗卫星的距离。通过将这些距离进行三角测量，GPS接收器能够确定接收器所在的位置。
最后，GPS接收器需要测量时间来确定信号传播的速度，并精确计算出定位信息。GPS接收器内置一个高精度的原子钟，用来测量信号传播的时间。接收器通过比较卫星发射信号的时间和它接收到信号的时间差来计算信号的传播时间，从而得出定位信息。
二、GPS的应用领域 GPS的应用广泛，涵盖了几乎所有与位置有关的领域。下面简要介绍几个主要的GPS应用领域：
1.车辆导航和交通管理：GPS可以实时导航汽车、飞机等交通工具，提供最佳路线和交通信息，并帮助交通管理部门监控交通流量和疏导交通。
2.航海和航空：GPS已经成为航海和航空领域的重要工具，可用于船舶和飞机的导航定位、航线规划等。
3.军事应用：GPS最初是作为军事导航系统而研发的，现在仍广泛应用于军事领域，用于战术导航、目标定位、军事通信等。
4.地质勘探和测绘：GPS能够提供高精度的地球表面位置坐标，因此在地质勘探、测绘和地质灾害预警等方面有重要应用。
5.环境监测和气象预测：GPS可以用于监测大气湿度、气压和大气延迟等数据，从而提供准确的气象预测和环境监测。
全球卫星定位系统（ GPS ）
24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。
全球定位系统属于美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。该系统的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座。 21+3 颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为 55 度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（ DOP ）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
全球卫星定位系统（GPS）综述
GPS是“Global Positioning System”即“全球定位系统”的简称。该系统原是美国国防部为其星球大战计划投资100多亿美元而建立的。 其作用是为美军方在全球的舰船、飞机导航并指挥陆军作战。在海湾战争中，涌现了大量高科技装备，而GPS全球卫星定位系统则是使用最广泛的一种。人们普遍认为是GPS技术在整个海湾战争中充分显示了威力，起了至关重要的作用，从而赢得了战争的胜利。
GPS全球定位系统是一项工程浩繁、耗资巨大的工程， 被称为继阿波罗飞船登月、航天飞机之后的第三大空间工程。海湾战争期间，GPS系统尚未完全建成， 初步使用已显神威。随着1993年GPS太空卫星网的完全建成， 其应用领域不断扩大。而且美国1994年宣布在10年内向全世界免费提供GPS全球定位系统的使用权。 使世界各国都在争相利用这一系统。
前苏联早在1982年就开始建立自己的全球卫星定位系统。后来，俄罗斯继续执行这一系统工程计划，到1995年已完成建成。目前这套全球卫星导航系统只由俄罗斯控制使用，未向全世界提供服务。欧洲联盟考虑到全球卫星定位导航系统的应用前景，也打算建立他们自己的全球卫星定位导航系统。目前德俄已联合生产了可以同时接收美国GPS和俄国Glonass信号的卫星定位接收器。当前世界各国对全球卫星定位导航这一高新技术都非常重视，认为其对导航定位和大地勘测技术是一场革命，其民用潜力相当巨大，经济效益相当可观。
GPS是美国国防部发射的24颗卫星组成的全球定位、导航及授时系统。这24 颗卫星分布在高度为2万公里的6个轨道上绕地球飞行。每条轨道上拥有4颗卫星， 在地球上任何一点，任何时刻都可以同时接受到来自4颗卫星的信号。也就是说GPS的卫星所发射的空间轨道信息覆盖着整个地球表面。
GPS卫星定位系统由地面控制站、GPS卫星网和GPS接收机三部分组成。 地面主控站实施对GPS卫星的轨道控制及参数修正。GPS卫星网向地面发射两个频率的定位导航信息，其中包括两个定位码信号：即C/A码(供世界范围内的民用)及P码( 只供美国军方使用)。GPS接收机接收GPS卫星信号进行解算，即可确定GPS接收机的位置。
