GPS卫星定位系统的工作原理

Question

如题所述

Answer 1

1. GPS卫星定位系统由24颗卫星组成，这些卫星以大约12小时的周期绕地球运行，确保地面上的任何位置在任何时间都能同时接收到至少4颗卫星的信号。
2. 卫星的准确位置已知，GPS接收机测量卫星到接收机的距离，利用三维空间中的距离公式，结合三颗卫星的信息，可以解算出接收机的位置（X, Y, Z）。
3. 由于卫星时钟与接收机时钟之间可能存在差异，实际求解时会有四个未知数，即X、Y、Z和时间差，因此需要第四颗卫星来构成四个方程，进一步解算出观测点的位置和时间差。
4. 在实际应用中，接收机通常能够锁定多于四颗卫星，此时，接收机会根据卫星星座的分布将卫星分成多组，每组四颗，通过算法选择误差最小的一组来进行定位，这有助于提高定位的精度。
5. 然而，由于卫星轨道的误差、卫星时钟的不准确性、大气层和对流层对信号的影响，民用的GPS定位精度通常只有大约10米。
6. 为了提高定位的精度，差分GPS（DGPS）技术被广泛采用。这种技术通过建立基准站（差分台）进行GPS观测，并将观测值与已知的精确基准站坐标进行比较，计算出修正值，并通过无线电或其他方式对外发布。
7. 接收机接收到这些修正值后，会将其与自身的观测值进行比较，以消除大部分误差，从而得到更准确的位置信息。实验证明，采用差分GPS技术，定位精度可以提高到大约5米。
8. GPS模块是GPS信号接收器，可以通过无线蓝牙或有线方式与电脑或手机连接，将接收到的GPS信号传递给设备中的GPS软件进行处理。
9. GPS模块像“收音机”一样接收和解码来自卫星的1575.42MHz的C/A码信号，它不发射信号，而是被动地接收定位信号。
10. GPS模块的应用关键在于串口通信协议的制定，包括数据类型和信息格式的定义，如二进制信息和NMEA（全国海洋电子协会）数据信息，这些信息通过串口与GPS接收机进行通信。
11. GPS模块通过计算与每个卫星的伪距离，并采用距离交会法来确定接收机的位置、速度和其他参数。至少需要四颗卫星参与计算来进行三维定位，而使用三颗卫星可以进行二维定位，尽管精度较低。
12. GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式的定位信息及辅助信息，供接收者选择应用，这些信息包括位置、速度、时间等数据，为用户提供了实时的定位数据。