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GPS原理
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引言
在我们的外游旅途当中,经常可以见到驴友用红飘带来标记路线,用来提示后来人以及记录返回路线,这其实就是GPS发明的原动力:
自从人类诞生以来,就一直为出行问题困扰:我在哪里?应该向哪个方向走?
从远古时候起人类就开始用标记的方法来记录线路,不过这种普通标记物有很多缺点:万一标记物被雪盖住怎么办?如何用标记物标记不同的线路?虽然后来地图被发明了,不过在过去的几千年中,使用地图及确定自己的位置依然是只有专业人员才能完成的事情。
时光进入20、21世纪,这个问题终于有了一个简单的解决办法,那就是GPS——全球定位系统。GPS系统的使用带来了导航、测量、地图制作行业一系列的革命,并广泛应用于各行各业,这些例子大家在电视、报纸和杂志上已经看到很多了。
那么GPS全球定位系统究竟是什么东西呢?它是一套美国军方设计的,以航天技术为基础的导航与定位系统。这套系统可以使美军士兵独立测定精度为10米以下的自己的位置。这个“独立测定”非常重要:在实际使用中,如果这套系统需要士兵发射电波确定自己位置的话,会很容易地被敌方侦测到自己的实际位置,所以整个地面接收系统需要完全被动接收信号。
现在我们国家的北斗卫星导航系统还不能做到这一点:北斗卫星的用户需要通过无线电发射位置请求信息到卫星,并从卫星接收自己的位置信息。
俄罗斯有自己的卫星定位系统,全球导航卫星系统(GLObal NAvigation Satellite System)。欧洲也要发展自己的定位系统NAVSAT(伽利略系统),但根据前景来看,伽利略公司的在2012年之后的发展前景最具实力,民用级别的GPS即可达到1米的定位标准,并且增加了紧急救援功能.
由于美国全球战略的需要,美国的GPS系统需要覆盖全世界,并且的用户接收端的成本要非常低,因为系统的设计要求是每个士兵、每台军车都要安装接收系统。
GPS并不是世界上第一个无线电导航系统,早在第二次世界大战以前,就已经出现了无线电导航系统。

   最早人们采用的是长波信号,波长长达26公里,因为长波信号可以轻易地被电离层反射,所以美国的Omega(奥米茄)系统用了八个发射器就把信号覆盖了全球。不过因为信号波长比较长,定位精度受到很大影响:OMEGA系统的精度只有六公里。
  另外还有罗兰--C:工作在100KHZ,由三个地面导航台组成,导航工作区域2000KM,一般精度200-300M。
   为提高定位精度,只有提高无线电信号频率,但是借助电离层反射的全球覆盖就受到了影响:波长越短的信号,直线传输特性越强,同时不能被电离层反射:,LORAN系统倒是把定位精度提高到450米了,可全球只有10%的面积被信号覆盖。
多卜勒系统:利用多卜勒频移原理,通过测量其频移得到运动物参数(地速和偏流角),推算出飞行器位置,属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。缺点:覆盖的工作区域小;电波传播受大气影响;定位精度不高

自从1957年有了卫星,科学家的兴趣自然就转到这上面来了:卫星可以发射短波长信号,穿透电离层覆盖半个地球的面积。
整个GPS系统由三部分组成:控制部分,空间部分,用户端
空间部分和控制部分由美国军方维护,主要是保证卫星正常工作及其发送的信号准确无误, 地面控制站位于美国本土的科罗拉多,还有3个地面天线和5个监测站分布在全球,主要任务是收集数据、计算导航信息、诊断卫星状态以及调度等杂事。
用户端就是大家平常用的GPS接收机,虽然形式多种多样,但基本操作都是接收卫星信号并计算接收机所在位置
                
在空间部分,美军布置了24颗BLOCK II卫星,由ROCKWELL公司制造,星重700-900公斤,包含太阳能极板为5米宽,。卫星轨道距地面20200公里,轨道面与地球赤道面夹角为55度,轨道面之间在赤道面投影的夹角为60度,每个轨道面布置4颗卫星,所以总卫星数是6个轨道面乘以4为24颗。其中21颗正式使用,3颗备用。每颗卫星每12个小时绕地球一周。这样算下来,在任何时刻、地球的任意地方,基本都能“看到”12颗左右的卫星。
最早的卫星定位系统是美国的子午