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发信人: bage (网事如疯·春心萌动), 信区: AerospaceScience
标  题: 备份1(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年02月01日15:30:15 星期四), 转信

【 以下文字转载自 Test 讨论区 】
【 原文由 leonado 所发表 】

全球定位系统(Global Positioning System)
什么是全球定位系统？
    全球定位系统是由一系列卫星组成的，它们24小时提供高精度的世界范围的定位和
导航信息。准确地说，它是由24颗沿距地球12000公里高度的轨道运行的NAVSTAR GPS卫
星组成，不停地发送回精确的时间和它们的位置。 GPS接收器同时收听3～12颗卫星的信
号，从而判断地面上或接近地面的物体的位置，还有它们的移动速度和方向等。
    GPS接收器利用GPS卫星发送的信号确定卫星在太空中的位置，并根据无线电波传送
的时间来计算它们间的距离。等计算出至少3～4个卫星的相对位置后，GPS接收器就可以
用三角学来算出自己的位置。每个GPS卫星都有四个高精度的原子钟，同时还有一个实时
更新的数据库，记载着其他卫星的现在位置和运行轨迹。当GPS接收器确定了一个卫星的
位置时，它可以下载其他所有卫星的位置信息，这有助于它更快地得到所需的其他卫星
的信息。
全球定位系统的精度
    尽管拥有高精度的原子钟，定位过程中仍旧潜伏着一些误差。Selective Availabi
lity ( SA)是美国国防部为非军方GPS用户提供的程序，出于安全方面的考虑，它把定位
精度略微降低了一些。当SA起作用时，你的定位的精度在50m～100m之间。即使没有SA，
其他一些误差也是要考虑的。最明显的误差是由于地球电离层的变化引起的，它们对GP
S的无线电波的速度有影响。另外一个引起误差的原因是大气中的水蒸汽。不过这些误差
都是极小的。GPS的精度可通过DGPS功能来提高，它是指你的接收器可以接收邻近的GPS
接收器的信号的功能。
全球定位系统的用途
    GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS
产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军
用飞机提供位置和导航信息等。
    GPS也在商业领域大显身手，消费类GPS主要用在勘测制图，航空、航海导航，车辆
追踪系统，移动计算机和蜂窝电话平台等方面。
    勘测制图由一系列的定位系统组成，一般都要求特殊的GPS设备。在勘测方面的应用
有：结构和工程勘测、道路测量和地质研究。收集到的数据可以以后再估算，也可以在
野外实时使用。制图过程中使用大量的GIS数据库的数据，还有纸质地图的数据。 许多
商业和政府机构使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一
些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。
    最近几年，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了。随着技术的进步，这些
设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌，尺寸也越来越小
了。两三年前GPS设备还像艺术品一样令人望而却步，而现在消费者终于可以拥有一款梦
想已久的GPS接收器了，还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能。
    消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有12个并行通道和数
据功能。有些甚至能与便携电脑相连，可以上传/下载GPS信息，并且使用精确到街道级
的地图软件，可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
常用的GPS接收器
    1.汽车导航仪
    计算机和通信的发展使人们的生活更加快捷、轻松，汽车导航和移动办公已风靡全
球，并逐渐成为现代社会中不可缺少的部分。在日本、美国等国家，为了方便用户，很
多汽车制造商在车辆出厂时就装配了导航和移动办公设备。在我国，类似产品的研制工
作刚刚起步。
    汽车导航仪是集计算机、通信导航、地图信息为一体的高科技产品，通常它都具备
笔记本PC的基本功能，可以方便地驳接网络、发送传真和数据通信；并且内置GPS接收器
，提供GPS天线接口，装载定位导航软件，利用接收到的GPS卫星信号为车辆提供全天候
、全时域位置信息，并可以在屏幕上显示当时车辆运行情况。用户可以预先自定义行进
路线、路旁标记和航路点，保存预先设定的路线或已走过的路线，以便再次查询。通过
查询电子地图，用户能了解某地区的地理环境和交通状况，增加对未来旅途的预测，当
发现了一些原地图中没有的道路，可以通过“记录新路”来更新地图。
    2.GPS手持机
    GPS手持机是利用GPS基本原理设计而成的，体积小巧、携带方便、独立使用的全天
候实时定位导航设备。好的手持机必备的条件是：灵敏度高，存贮量大，外部接口齐全
。
    GPS手持机按用途可分为陆用型、空用型、海用型。图2是一款陆用型GPS手持机。陆
用型一般没有内置地图，主要利用航路点记录，选择相应航路点可自动生成路线。内置
天线使得机型小巧，它是应用最广的GPS设备；空用型提供全球空域图和地域图，灵敏度
极高，适用于在高速行进的飞机中定位；海用型内置全球海图，超大屏幕，提供可固定
在船体上的配套支架和天线。
GPS接收器的知识
    1.坐标
    描述你的位置的一组数值，一般有纬度（北或南）和经度（东或西）。UTM坐标系以
米为单位测量你离赤道（北或南）和本初子午线（东或西）的距离。另外一个坐标系MG
PS （Military Grid Reference By Stem）也基于UTM，但是把UTM坐标分隔得更细了，
它只用在军用的GPS接收器上。
    2. 2维和3维坐标
    你的平面位置，例如经度和纬度，称做2维坐标，至少需要3颗GPS卫星的数据来定位
2维坐标。如果因为树木、山峰或建筑物挡住了卫星，你可能只能得到2维坐标。 纬度、
经度和速度称为3维坐标，确定它需要至少4颗卫星。几乎所有GPS接收器都以提供3维坐
标做为标准。
    3.路旁标记和航路点
    你可以把一个位置存储为一个路旁标记（landmark）或航路点（waypoint）。它可
以是你途中定位的一个位置，也可能是你输入的一个坐标或其他位置，例如目的地。GP
S设备会给它一个名称，例如LMKOZ，你也可以用一个容易记住的名称重新命名。
    4.位置
    当你的接收器根据GPS卫星的信息标出了你的坐标后，它会确定你的位置。许多GPS
设备允许你选择标记或存储你的现在位置做为路旁标记或航路点。一些甚至允许你为位
置命名或添加一个图标。
    5.路线
    路线包括开始位置和目的地，同时也有途径的地点。一条路线上的两点之间称为航
段。一条路线可由一个或若干个航段组成。如果你徒步旅行，你可以输入一条路线，其
中包括方向、计划休息的地点或宿营地，还有你的目的地。有一些GPS 设备允许你反向
跟踪路线或设置逆向路线。
    路线主要有两种用途：
    1）如果你去探险或旅行，你可以从高速路地图或一些地图软件中获取地点的坐标。
这在以后的旅行中很有用。一些 GPS接收器允许在计算机上设计你的旅线，然后把它载
入你的GPS接收器；
    2）如果你拿着GPS接收器旅行时记录下你走过的地点，回家后可以复制或者下载你
的路线并且找出最有价值的景点的位置，或者最适合钓鱼的地点，或者你看见一只珍稀
小鸟的地点，或者你在恶劣天气藏身的岩洞位置。如果有队员受伤了，救援队就可以根
据确切的坐标找到伤员所在的地方。搜索救援人员可以下载完整的路线来知道探险队所
在的位置。
    6.高度
    如果有足够的GPS卫星可见，一些GPS设备可提供高度信息（海拔）。由于GPS系统本
身的特点，高度不如平面坐标那么精确。
    7.航向 这是反映沿水平方向GPS接收器移动的方向，并不需要你把GPS接收器确切地
指向这个方向。在你移动时可以看到这个值，航向的值是按0～359度顺时针方向分布的
，和指南针的值相对应。
    8.方位角
    如果你选定了一个路旁标志或航路点，想知道从你现在所处位置到它的方向，你就
需要知道方位角的值。它是从北方向算起沿顺时针分布的值。如果到你的目的地的方位
角是270度，而你的移动方向是240度，你的航线就和目的地有30 度的偏差。如果你是在
坐火车，这可能没关系，但如果这个偏差值很大，你需要查看一下地图，说不定你的路
线错了。
    操作要点
    大部分GPS接收器是很容易安装和使用的，用户手册可帮你快速学会怎样装电池、确
定初始位置或输入一个位置等。
    当你在一个新的地点首次开启GPS接收器时，如果输入一个估计的大概位置（例如邻
近的大城市的坐标）将有助于你的设备快速得出卫星所在位置，从而快速定位。如果设
备是冷启动的，或者你不在你最后一次存贮位置的附近，一般可能需要15分钟定位；但
是，如果你给它一点提示，或者你在上一次存贮位置的附近，一般需要3～5分种定位。

    向GPS接收器中输入数据的方式因设备而异，有些是用菜单结合上、下箭头选择的，
有些设备则像使用电话机的键盘一样简单。
    常见功能
    大多数GPS设备的面板上都有一些按钮，引导你到不同的操作选项。也许它们的名称
不太一样，但功能都是类似的。它们可能是让你浏览一个导航画面、查看可用的卫星信
号，检查位置目录、清单或者到选定目标的方向。最主要的功能就是显示你的位置，包
括当前坐标、海拔和时间，如果选定了目的地或路线，它还指示通往目的地的方向。其
他常用的功能有导航、菜单、卫星状态、路旁标志或航路点清单/路线清单、设置选项、
距离、偏航、上次定位地点、日出/日落时间等。 结合地图使用 不同的地图使用不同的
坐标系，美国地理最常用的两种地图是： 1. LAT/LONG矢量地图：包括经度、纬度、分
和秒； 2. UTM栅格地图，以米为单位。 LAT/LONG是我们最熟悉的形式，地球从赤道到
极点的位置被等分为0～90度的北纬或南纬（地球仪上的平行线），而地球从东向西等分
为从0～360度的经度（地球仪上的弧线），通过英国格林威治的线，称为本初子午线。
用这种坐标人工计算出两点之间的距离是很难的，因为我们生存的地球是椭圆的。
    UTM坐标是那些需要精确距离信息的地图使用者的首选。这个坐标系选择一条子午线
，标明你在它东面或西面多少米，还有你在赤道南面或北面多少米。
    大部分GPS设备在设置时允许你选择LAT/LONG或UTM或其他坐标系作为你的坐标系，
当你有了你所在位置的坐标，你可以在地图上查找，从而得知你所在位置的确切地址。
当你在地图上找到了目的地时，你可以输入它们的坐标到你的GPS接收器中以形成一条路
线。可以利用透明的塑料尺子在TOPO地图或UTM地图上测量，这样更容易估计一个位置的
坐标，一些GPS设备有这样的功能：你可以测量一个位置到地图右下角的距离，然后用地
图名和刻度为这个位置命名。
GPS接收器的性能指标
    1.卫星轨迹 这里有24颗GPS卫星沿六条轨道绕地球运行（每四颗一组），一般不会
有超过12个卫星在地球的同一边，大多数GPS接收器可以追踪8～12颗卫星。计算LAT/LO
NG（2维）坐标至少需要3颗卫星。再加一颗就可以计算3维坐标。对于一个给定的位置，
GPS接收器知道在此时哪些卫星在附近，因为它不停地接收从卫星发来的更新信号。
    2.并行通道
    一些消费类GPS设备有2～5条并行通道接收卫星信号。因为最多可能有12颗卫星是可
见的（平均值是8），这意味着GPS接收器必须按顺序访问每一颗卫星来获取每颗卫星的
信息。
    市面上的GPS接收器大多数是12并行通道型的，这允许它们连续追踪每一颗卫星的信
息，12通道接收器的优点包括快速冷启动和初始化卫星的信息，而且在森林地区可以有
更好的接收效果。一般12通道接收器不需要外置天线，除非你是在封闭的空间中，如船
舱、车厢中。
    3.定位时间
    这是指你重启动你的GPS接收器时，它确定现在位置所需的时间。对于12通道接收器
，如果你在最后一次定位位置的附近，冷启动时的定位时间一般为3～5分钟，热启动时
为15～30秒，而对于2通道接收器，冷启动时大多超过15 分钟，热启动时为2～5分钟。

    4.定位精度
    大多数GPS接收器的水平位置定位精度在20m～30m左右，但这只是在SA没有开启的情
况下，有些GPS接收器声称它们可以达到这个精度，但是往往有一个小小的标签附在后面
：“在SA关闭时”。
    你可能会发现，大多数GPS生产商不怎么提及“高度”的精度，因为这是GPS设备中
精度最没有保证的方面。据我所知，几乎所有的GPS设备（除非那些专为航海定制的在海
拔为0m的海平面上使用的设备）在4颗卫星可见的情况下，可以定位高度，但是偏差可能
达到3倍。30m的精度意味着什么？这意味着，当SA关闭时，从统计的角度讲，你的平面
定位的位置距离你的实际位置在30m之内的概率是95%。GPS接收器工作时是依靠卫星信号
到达GPS接收器的时间来定位的（时间X光速=距离）。对于高度读数，这意味着精度在4
5～100m之间的概率是95%。
    如果政府开启了SA（为了安全原因，而且几乎是所有时间都开启着），水平精度在
100m之内的概率是95%，高度在300m之内的概率是95%，这可能比你期望值高很多，但不
影响你找到想去的街道或那条河流。
    5. DGPS功能
    为了将SA和大气层折射带来的影响降为最低，有一种叫做DGPS发送机的设备。它是
一个固定的GPS接收器（在一个勘探现场100km～200km的半径内设置）接收卫星的信号，
它确切地知道理论上卫星信号传送到的精确时间是多少，然后将它与实际传送时间相比
较，然后计算出“差”，这十分接近于SA和大气层折射的影响，它将这个差值发送出去
，其他GPS接收器就可以利用它得到一个更精确的位置读数（5m～10m或者更少的误差）
。
    许多GPS设备提供商在一些地区设置了DGPS发送机，供它的客户免费使用，只要客户
所购买的GPS接收器有 DGPS功能。
    6.信号干扰
    要给予你一个很好的定位，GPS接收器需要至少3～5颗卫星是可见的。如果你在峡谷
中或者两边高楼林立的街道上，或者在茂密的丛林里，你可能不能与足够的卫星联系，
从而无法定位或者只能得到二维坐标。同样，如果你在一个建筑里面，你可能无法更新
你的位置，一些GPS接收器有单独的天线可以贴在挡风玻璃上，或者一个外置天线可以放
在车顶上，这有助于你的接收器得到更多的卫星信号。
    7.物理指标
    选购GPS设备时，大小、重量、显示画面、防水、防震、防尘性能、耐高温、耗电等
物理指标都要考虑在内。
结   语
　   我们的生活充斥着数字—数字经济、数字神经、数字化生存、数字……也许我们都
需要利用GPS技术，来了解这个数字化地球，帮助我们培养数字思维，来适应这个数字时
代。

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小妖刚要把那段“我已经尽可能的掩饰我的锋芒，奈何还是被慧眼人看出”云云背出来...
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