GPS,GPS是什么?GPS原理

GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱，而其中文簡(jiǎn)稱為“球位系”。GPS是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、 全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國(guó)獨(dú)霸全球戰(zhàn)略的重要組成。經(jīng)過20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。在機(jī)械領(lǐng)域GPS則有另外一種含義：產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(Geometrical Product Specifications)-簡(jiǎn)稱GPS。

GPS原理
　　GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三幀各10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。
　　可見GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)Δt即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。
　　GPS接收機(jī)可接收到可用于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息；用于預(yù)報(bào)未來幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷；用于計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。
　　GPS接收機(jī)對(duì)碼的量測(cè)就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對(duì)0A碼測(cè)得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對(duì)P碼測(cè)得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。
　　GPS接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測(cè)值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對(duì)定位、并有一段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值，而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位 精度也只能采用相位觀測(cè)值。
　　按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。
　　在GPS觀測(cè)量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個(gè)頻率的觀測(cè)量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。

近年來，GPS 可說是發(fā)展相當(dāng)迅速的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，除了以往的車用導(dǎo)航專用設(shè)備外，PDA 也加入了 GPS 功能（雖然 PDA 功能也被併入手機(jī)內(nèi)了），而手機(jī)內(nèi)建 GPS 功能已經(jīng)不是什麼新鮮事，連相機(jī)也要內(nèi)建 GPS 定位功能。

本文將介紹 GPS 的原理以及生活上的應(yīng)用。

定位原理－三邊測(cè)量

以最簡(jiǎn)單的說法來說，GPS 定位就是利用三邊測(cè)量原理算出使用者在地球上的座標(biāo)。我們複習(xí)一下三邊測(cè)量 (trilateration)：假設(shè)你現(xiàn)在在臺(tái)北市某不知名的地方，而有人告訴你：你現(xiàn)在離臺(tái)北車站 (P1) 3 公里，離市政府站 (P2) 4 公里，離公館站 (P3) 3 公里，只要知道這些地方的座標(biāo)以及這些地方離你的距離，就能推算出你所在的位置 B。而在海上時(shí)，某些時(shí)候即使只知道兩點(diǎn)，也能推測(cè)出自己的位置（譬如說兩個(gè)可能的位置其中一個(gè)是在陸地上）。

以上是 2D 平面上的三邊測(cè)量，而 GPS 則是運(yùn)用 3D 的三邊測(cè)量，這裡有簡(jiǎn)易的動(dòng)畫可以幫助了解。那麼，使用者的裝置又要怎麼利用這個(gè)原理得知現(xiàn)在所在的位置呢？

GPS 系統(tǒng)的構(gòu)成

我們先來介紹 GPS 整個(gè)系統(tǒng)的模樣。首先，像 GPS 這樣的定位系統(tǒng)泛稱為 GNSS (Global Navigation Satellite Systems)－全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前實(shí)際使用中的最廣為人知的就是美國(guó)的 GPS (Global Positioning System)，另外還有俄羅斯的 GLONASS，正在發(fā)展中的歐洲 Galileo 及中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。以下主要介紹美國(guó)的 GPS，但架構(gòu)大致上都是相同的。

完整的 GPS 系統(tǒng)總共有三個(gè)部分：太空中的衛(wèi)星 (Space Segment)、地面管制站 (Control Segment)，以及使用者接受端 (User Segment)。

衛(wèi)星

目前使用中的 GPS 衛(wèi)星共有 31 顆（2009/1；列表可見 GPS Constellation Active Nanu Status），分布在六個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面至少有四顆衛(wèi)星，在任何位置與時(shí)間使用者都可至少接到 4 顆衛(wèi)星訊號(hào)以進(jìn)行定位。衛(wèi)星距離地表 20,183 公里，每 11 小時(shí) 58 分鐘公轉(zhuǎn)一週。

地面管制站

負(fù)責(zé)追蹤監(jiān)測(cè)及維持 GPS 衛(wèi)星的運(yùn)行，以及分析整理 GPS 訊號(hào)並實(shí)行需要的修正回傳至 GPS 衛(wèi)星。

使用者接收端

使用者手上的 GPS 裝置，可計(jì)算所在位置。

GPS 定位方式

前面提到 GPS 定位原理是利用三邊測(cè)量，那麼我們又要拿什麼來當(dāng)計(jì)算的參考點(diǎn)呢？就是天上的 GPS 衛(wèi)星。衛(wèi)星會(huì)不斷向地面廣播資訊，這些資訊包括：我是幾號(hào)衛(wèi)星，我的位置，時(shí)間訊息等許多資訊。有了當(dāng)使用者手上的 GPS 裝置接收到這些訊號(hào)，就得知了他所收到的衛(wèi)星訊號(hào)來自哪一顆衛(wèi)星，以及他在天上的位置，只要有足夠的資訊（夠多的衛(wèi)星），就能計(jì)算出自己的位置。

不過還有一個(gè)問題－我跟衛(wèi)星有多遠(yuǎn)？由於衛(wèi)星訊號(hào)是用廣播的，因此使用者的距離跟衛(wèi)星的距離也是不固定的，因此為了三邊測(cè)量，我們還得有我們與衛(wèi)星之間的距離才有辦法計(jì)算出來自己的位置。

每個(gè)衛(wèi)星所發(fā)射的訊號(hào)裡面，也有包括時(shí)間訊號(hào)，衛(wèi)星上有搭載精確的原子鐘，因此能傳送精準(zhǔn)的時(shí)間，由於使用者與每個(gè)衛(wèi)星之間的距離都不同，因此能夠推算出時(shí)間，以及根據(jù)時(shí)間差去計(jì)算出與每個(gè)衛(wèi)星之間的距離（因?yàn)橐阎馑伲松蟼鬏敃r(shí)間就能得到距離）。數(shù)學(xué)計(jì)算在此略過不提。

也因?yàn)橛袝r(shí)間資訊的關(guān)係，GPS 接收器上面通常不需要自己設(shè)定時(shí)間，因?yàn)楫?dāng)你定位完成時(shí)，就擁有正確的時(shí)間了。

整理一下，整個(gè)流程就是：接收各個(gè)衛(wèi)星的訊號(hào)，利用時(shí)間資訊計(jì)算出與衛(wèi)星的距離，再利用三邊測(cè)量就能得知自己所在位置。一般來說，需要四顆以上的衛(wèi)星，會(huì)得到較為精確的定位資訊。

GPS 定位的應(yīng)用

車用導(dǎo)航

能夠定位之後，就能有許多相關(guān)應(yīng)用了，最普遍的應(yīng)用就是汽車導(dǎo)航。GPS 汽車導(dǎo)航系統(tǒng)目前成長(zhǎng)最快的就是個(gè)人導(dǎo)航裝置－PND (Personal Navigation Device，也有人說 P 是 Portable)，也有越來越多車子出廠時(shí)就搭配車內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)。目前全球 PND 市佔(zhàn)率最大的兩家廠商是美國(guó)的 Garmin 以及歐洲的 TomTom。日本是目前 GPS 汽車導(dǎo)航使用率最高的國(guó)家，以往多是車內(nèi)裝設(shè)的為主，現(xiàn)在 PND 領(lǐng)域也逐漸成長(zhǎng)，Sanyo、Sony 等廠商也有 PND 產(chǎn)品。上圖是 Garmin 最新的 PND。

所謂汽車導(dǎo)航就是：給定一個(gè)目的地，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各種條件及限制算出一條路徑，並且搭配語音或畫面指示駕駛在適當(dāng)時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)彎，譬如在上圖中，畫面就是在指示稍後要在路口左轉(zhuǎn)。

若要有導(dǎo)航指示，那麼單單定出你在地球上的經(jīng)緯度是沒有用的，還要有地圖才行，也就是所謂的「圖資」。在 GPS 裝置中，有的可以搭配電子地圖，儲(chǔ)存著道路的各種資料（譬如道路的名稱、速限、等級(jí)、車道等）。除了道路以外，還有 POI (Point of Interest)，也就是供使用者查詢的點(diǎn)位資料，如餐廳、醫(yī)院等各種資訊，可以讓使用者直接查詢想去的地方。

由於現(xiàn)實(shí)生活中，道路及景點(diǎn)不斷地在改變，因此地圖的更新頻度也是使用車用導(dǎo)航的一個(gè)重要因素。

PND 還能進(jìn)一步搭配交通資訊 (TMC, Traffic Message Channel) 讓使用者能得知現(xiàn)在的路況，導(dǎo)航系統(tǒng)也會(huì)據(jù)此改變路線規(guī)劃。日本的 VICS (Vehicle Information and Communication System) 則提供更為豐富的資訊，包括停車場(chǎng)、簡(jiǎn)圖等資訊。

行人導(dǎo)航

而在手機(jī)紛紛內(nèi)建 GPS 之後，行人導(dǎo)航也逐漸成了下一代 GPS 發(fā)展的方向之一。由於車子跟行人的特性相差甚多，因此所需要的圖資大不相同，連規(guī)劃的方式都有所改變（譬如說，公園就是行人可穿越的）。而大眾運(yùn)輸?shù)牟樵円蚕喈?dāng)重要，從甲地到乙地，行人導(dǎo)航能夠告訴你如何走到某個(gè)車站，搭什麼車，怎麼轉(zhuǎn)乘，下車後如何走到目的地。Nokia 現(xiàn)在正在積極投入這塊領(lǐng)域。

戶外、運(yùn)動(dòng)

登山等戶外運(yùn)動(dòng)也有專門的 GPS，主要訴求在於防水，並且加上羅盤、高度計(jì)等功能。另外也有搭配跑步、腳踏車用的，甚至能連接心律記錄器，回家後還能檢討在各路段的表現(xiàn)。

記錄

每隔一段時(shí)間（譬如一秒鐘）記錄一次 GPS 定位的位置，連起來就成了軌跡 (GPS track log)。最陽春的 GPS logger 裡面完全沒有地圖，只能在回來以後連到電腦上，將軌跡讀出來以後，在地圖上呈現(xiàn)（譬如顯示在 Google Earth 中），也能將自己走過的路以及高度變化剖面圖分享給其他人。更進(jìn)一步則可以將所拍攝的照片依據(jù)軌跡時(shí)間加上地點(diǎn)資訊，稱為 geotagging。

其他

• 軍事：美國(guó)之所以發(fā)展 GPS 系統(tǒng)，最開始的目的就是軍事用途，利用 GPS 達(dá)到精準(zhǔn)定位及導(dǎo)航（例如導(dǎo)彈）。
• 航空、航海：可用來作導(dǎo)航，譬如避開暗礁，導(dǎo)引更為省燃油的路線等。
• 測(cè)量：有了 GPS 以後，以往的大地測(cè)量方式因此改變，透過 GPS 定位方式，所得到的測(cè)量數(shù)據(jù)更為精確。
• 車隊(duì)管理：監(jiān)控車輛位置，派車管理等。
• 安全追蹤：追蹤兒童或老人的位置。
• 對(duì) GPS 的誤解

GPS 導(dǎo)航會(huì)將資料送回衛(wèi)星
不是的，GPS 裝置只有接收衛(wèi)星訊號(hào)並算出自己所在位置的能力，不可能將訊號(hào)送回衛(wèi)星。之所以會(huì)有此誤解，是來自於像是車隊(duì)管理（可監(jiān)視車輛位置）、安全追蹤等應(yīng)用會(huì)將位置回報(bào)，但其實(shí)回報(bào)並非透過衛(wèi)星傳輸，而是搭配手機(jī)通訊將資訊傳到某個(gè)中心。

用 GPS 要另外付費(fèi)
只要你有 GPS 裝置，那麼接收衛(wèi)星訊號(hào)並計(jì)算出現(xiàn)在所在位置是不用再另外付什麼月租費(fèi)之類的。但是如果你用的是網(wǎng)路型的 GPS 導(dǎo)航（也就是說，地圖不是存在機(jī)器裡，而是即時(shí)透過手機(jī)網(wǎng)路連線下載或是其變形），則要另外付費(fèi)，但這個(gè)費(fèi)用跟定位本身沒有關(guān)係。另外，電子地圖更新如果收費(fèi)也與 GPS 定位本身無關(guān)。

導(dǎo)航是可以完全相信的

很多人常常會(huì)以為買了車用導(dǎo)航的 GPS 以後，就完全相信他的指示，這是不對(duì)的。第一，地圖資料可能是舊的，就算是新的，也無法保證沒有錯(cuò)（譬如不能左轉(zhuǎn)的地方，卻沒有建立這筆資料而叫你左轉(zhuǎn)），因此實(shí)際上駕駛還是得依照實(shí)際情形應(yīng)變才行。請(qǐng)看看這張圖，由於 GPS 的地圖資訊錯(cuò)誤，常有車子進(jìn)入後卡在那裡，因此當(dāng)?shù)刂缓昧K牌子 “Do Not Follow SAT NAV”。另一張圖。奉勸各位開車時(shí)還是要看著外面的路況與指示牌，不要一直看著導(dǎo)航機(jī)啊！