GPS系統

目前世界使用最多的全球衞星導航定位系統是美國的GPS系統，一共由24顆衞星組成。它採用時間測距定位原理，可對地面車輛、海上船隻、飛機、導彈、衞星和飛船等各種移動用户進行全天侯的、實時的高精度三維定位測速和精確授時。

GPS系統是由分佈在6個軌道面上的24顆衞星組成的星座。GPS衞星的軌道高度為20000km，星上裝有10-13高精確度的原子鐘。地面上有一個主控站和多個監控站，定期地對星座的衞星進行精確的位置和時間測定，並向衞星發出星曆信息。用户使用GPS接收機同時接收4顆以上衞星的信號，即可確定自身所在的經緯度、高度及精確時間。

車載GPS導航系統，其內置的GPS天線會接收到來自環繞地球的24顆GPS衞星中的至少3顆所傳遞的數據信息，結合儲存在車載導航儀內的電子地圖，通過GPS衞星信號確定的位置座標與此相匹配，進行確定汽車在電子地圖中的準確位置，這就是平常所説的定位功能。

GPS系統的軍用定位精度<10m，民用定位精度<100m。美國在海灣戰爭、科索沃戰爭和阿富汗戰爭中廣泛使用了GPS系統。

俄羅斯也有類似的系統，名叫GLONASS系統。但由於俄經濟困難，且衞星壽命短，星座不能保持足夠數目，影響了其正常功能。

靜態定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衞星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衞星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的三維座標。而動態定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。GPS信號接收機所位於的運動物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機，行走的車輛等）。載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衞星的過程中相對地球而運動，接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態參數（瞬間三維位置和三維速度）。

在長途班車、旅遊客車、危險品運輸車輛上安裝車載GPS衞星定位系統後，通過中心監控系統可以對車輛進行實時監控，對管理部門監督駕駛員超速行車、疲勞駕駛、提高運輸生產組織水平等具有積極的輔助管理作用；同時監控中心可對與正處於超速、拋錨等情況的長途營運車實施報警功能，從而降低交通事故的發生率，提高運輸安全生產具有積極的意義。目前車載GPS系統已被相關管理部門和企業所認識並正在積極推廣應用中。

接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的後處理軟件包，構成完整的GPS用户設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對於測地型接收機來説，兩個單元一般分成兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元置於測站附近的適當地方，用電纜線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元製作成一個整體，觀測時將其安置在測站點上。

GPS接收機一般用蓄電池做電源。同時採用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在於更換外電池時不中斷連續觀測。在用機外電池的過程中，機內電池自動充電。關機後，機內電池為RAM存儲器供電，以防止丟失數據。

NMEA協議是為了在不同的GPS（全球定位系統）導航設備中建立統一的BTCM（海事無線電技術委員會）標準，由美國國家海洋電子協會（NMEA-The National Marine Electronics Associa-tion）制定的一套通訊協議。GPS接收機根據NMEA-0183協議的標準規範，將位置、速度等信息通過串口傳送到PC機、PDA等設備。

NMEA-0183協議是GPS接收機應當遵守的標準協議，也是目前GPS接收機上使用最廣泛的協議，大多數常見的GPS接收機、GPS數據處理軟件、導航軟件都遵守或者至少兼容這個協議。 不過，也有少數廠商的設備使用自行約定的協議比如GARMIN的GPS設備（部分GARMIN設備也可以輸出兼容NMEA-0183協議的數據）。

全球定位系統的主要特點：

(1)全球、 全天候工作。

①定位精度高。單擊定位精度優於10m，採用差分定位，精度可達釐米級和毫米級。

②功能多，應用廣。

GPS系統的特點：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等。

1、定位精度高

應用實踐已經證明，GPS相對定位精度在50KM以內可達10-6，100-500KM可達10-7，1000KM可達10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小於1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm,校差中誤差為0.3mm。

2、觀測時間短

隨着GPS系統的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以內相對靜態定位，僅需15-20分鐘；快速靜態相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15KM以內時，流動站觀測時間只需1-2分鐘，然後可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。

GPS的空間部分是由21顆工作衞星組成,它位於距地表20 200km的上空,均勻分佈在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有3 顆有源備份衞星在軌運行。衞星的分佈使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衞星,並能在衞星中預存的導航信息。GPS的衞星因為大氣摩擦等問題，隨着時間的推移，導航精度會逐漸降低。

地面控制系統由監測站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天線(Ground Antenna)所組成,主控制站位於美國科羅拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站負責收集由衞星傳回之訊息,並計算衞星星曆、相對距離,大氣校正等數據。

用户設備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衞星截止角所選擇的待測衞星，並跟蹤這些衞星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衞星信號後，就可測量出接收天線至衞星的偽距離和距離的變化率,解調出衞星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用户所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS 數據的後處理軟件包構成完整的GPS 用户設備。GPS 接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般採用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在於更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機後，機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便於野外觀測使用。其次則為使用者接收器,現有單頻與雙頻兩種,但由於價格因素,一般使用者所購買的多為單頻接收器。