GPS器设计与实现文献综述

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文献综述GPS器设计与实现1前言本文主要论述了从GPS电脑端接收机获取数据,提取数据，以及经过坐标转换成实用的北京54坐标。从GPS上获得的数据是属于WGS-84中的地心大地坐标，要使它应用于北京54坐标必须经过一系列的坐标转换，最后进行高斯投影。首先简要论述了地球形状及常用坐标系，GPS系统的组成及运行情况，时间系统，坐标系统及星历等基础知识。然后重点阐述了从GPS终端接收机中获取数据，提取出经度，纬度，高度，时间等参数，以及WGS84到北京84坐标的转换，并列出了相应的程序和试验数据[1]。通过MFC编程实现了WINDOWS窗口界面化的输入和显示方式，使烦琐的手动计算变为通过计算机高效准确的转换出来，快速实现了从WGS84到BJ54之间的一系列转换。(1)定义：GPS即全球定位系统（英文名：GlobalPositioningSystem），又称全球卫星定位系统，中文简称为“球位系”，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统，结合卫星及通讯发展的技术,利用导航卫星进行测时和测距[2]。GPS是美国从本世纪70年代开始研制,历时20余年,耗资200亿美元,于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实施三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用表明,全球定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点,赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。目前全球定位系统是美国第二代卫星导航系统，使用者只需拥有GPS终端机即可使用该服务，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，StandardPositioningService）和军规的精确定位服务（PPS，PrecisePositioningService）两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入误差(即SA政策，SelectiveAvailability)以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度[3]。 GPS系统并非GPS导航仪，多数人提到GPS系统首先联想到GPS导航仪，GPS导航仪只是GPS系统运用中的一部分。GPS系统是迄今最好的导航定位系统，随着它的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断的开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活[4]。(2)国内外发展现状及趋势全球卫星定位系统GPS是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。GPS定位采用空间被动式测量原理，即在测站上安置GPS用户接收系统，以各种可能的方式接收GPS卫星系统发送的各类信号，由计算机求解站星关系和测站的三维坐标。由对GPS信号观测量的不同，GPS定位的基本方法有以下几种形式：◆伪距测量◆载波相位测量◆多普勒测量◆卫星射电干涉测量为了精密定位，一台GPS接收机往往不是单纯采用一种测量方式，而是以某种方式为主，并辅以其他方法。目前，全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。GPS技术按待定点的状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在观测过程中固定不变的，如GPS在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载体上，在观测过程中是变化的，如GPS在船舶导航中的应用。静态相对定位的精度一般在几毫米几厘米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。对GPS信号的处理从时间上划分为实时处理及后处理。实时处理就是一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度及时间等信息；后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。三维导航是GPS的首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用GPS导航接收器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CD—ROM驱动器、LCD显示器组成[5]。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，这些功能包括：车辆跟踪，提供出行路线规划和导航，信息查询，话务指挥，紧急援助等。 GPS技术在汽车导航和交通管理工程中的研究与应用目前在中国刚刚起步，而国外在这方面的研究早已开始并已取得了一定的成果。加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统，两台GPS接收机和一台微机，可测定已有道路的线形参数，为道路管理系统服务。美国研制了应用于城市的道路交通管理系统，该系统利用GPS和GIS建立道路数据库，在数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的准确位置、路面状况、沿路设施等，该系统于1995年正式运行，为城市道路交通管理起到重要作用[6]。近些年来国外研制了各种用于车辆诱导的系统，其中车辆位置的实时确定以往主要依据惯性测量系统以及车轮传感器，随着GPS的发展和所显示出的优越性，有取代前两种方法的趋势。用于城市车辆诱导的GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，车载GPS实时接收基准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置与所要到达的目标在道路网中进行优化计算，便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为公安、消防、抢修、急救等车辆服务[7]。GPS除了用于导航、定位、测量外，由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟为基础，在地面监测站的监控下，传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用，应用该功能可进行精确时间或频率控制，可为许多工程实验服务。此外，据国外资料显示，还可利用GPS获得气象数据，为某些试验和工程应用。国内GPS市场呈现出两个重点发展趋势。◆以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。在GPS应用领域，车辆应用所占的比例较大。最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后，它就成了发展的方向。GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构成[8]。系统的工作原理是：安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往控制中心。控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。以车辆防盗为例，一般分为静态车辆防盗与动态车辆追踪两种。前者是指车主离开汽车，停泊的车辆遭遇偷盗、毁坏和移动时，车辆通过自身的监控系统向 GPS监控中心发出警报，并自动与车主手机联系、电话报警等。后者则可对行驶中的被盗车辆进行定位跟踪、车况监听、车迹记录，甚至控制车辆断电和断油等。◆面向个人消费者的GPS终端产品。芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素，使GPS产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品[9]。移动监控终端是移动目标监控系统的关键部分。有用于集装箱等货物、车辆的跟踪等领域的隐蔽式安装产品，也有多功能的综合车载平台。但随着产品成本的降低与体积的微型化，市场上已出现供儿童、老人、病人甚至宠物等特殊群体使用的手表类、寻人仪和儿童玩具型GPS产品。它们可佩带在身上，嵌入老人的拐棍中，甚至植入体内。与上述产品相比，各种个人消费类GPS电子产品则更加接近人们的生活。有集成了GPS芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS手持机、GPS手表，甚至GPS相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡(CF卡式GPS接收机)式、外接(GPS接收机)式等集成产品。目前国内市场上多见的是高明公司、麦哲伦公司、Navman等外国公司品牌的GPS手持机和汽车导航仪等。在我国，GPS已经成为地基无线电跟踪与测量系统的一种补充手段，但它在导航和航天测控领域的应用潜力却令人瞩目。例如，我国的导弹和航天测控系统用户可根据所需测量精度、目标大小及动态特性的要求，选择导弹/航天器，装载GPS转发机或GPS接收及测量系统，以完成各类导弹、卫星、飞机和炮弹，以及低空长弧段飞行目标等各种飞行体，甚至多个目标的精确跟踪和定位。GPS亦可为一切航天器(卫星、飞船等)精确定轨、定姿，定轨精度可达厘米级；也可为载人航天器实时入轨和返回提供判断信息；还可为航天器的交会对接，提供高精度的相对位置、速度和姿态信息。此外，GPS可为一切用户提供高精度的时间与频率基准。十多年来，GPS在中国的应用发展势头迅猛，已从少数科研单位和军事部门迅速扩展到各个民用领域。伴随着GPS技术应用日趋广泛，国内GPS用户正越来越多。随着我国GPS市场的逐渐开发，市场容量会越来越大。GPS作为一种发展起来的高新产业，必将充满着无限的商机。通过卫星导航应用示范工程和基础设施的建设，推动卫星导航应用设备及其扩展系统在国民经济诸多部门和人民大众日常生活中的广泛应用，以期产生明显的经济和社会效益。全球定位系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和道路工程之中。目前，GPS技术在我国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，相信随着我国经济的发展，高等级公路的快速修建和GPS 技术应用研究的逐步深入，其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用。2主题(1)定位原理GPS的基本定位原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。当苏联发射了第一颗人造卫星后，美国约翰•霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出既然可以已知观测站的位置知道卫星位置，那么如果已知卫星位置，应该也能测量出接收者的所在位置。这是导航卫星的基本设想。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m[10]。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中-{A|zh-cn:解调制;zh-tw:解调变}-出来，以50b/s-{A|zh-cn:调制;zh-tw:调变}-在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84-{A|zh-cn:大地坐标系;zh-tw:大地坐标系}-中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维-{A|zh-cn:坐标;zh-tw:坐标}-x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号[11]。(2)GPS接收机如何测量距离 在卫星和接收机之间的往返时间来计算距离的。事实证明，这是一个相当精细的过程。在某一时刻（假定是午夜），卫星开始发送一长串称为伪随机码的数字序列。同样，接收机也在午夜开始发出相同的数字序列。当卫星信号到达接收机时，数字序列的传送会比接收机发出信号的时间稍稍滞后。时间延迟的长度就是信号传送的时间。接收机将这一时间乘以光速就可以计算出信号传送的距离。假设信号是以直线传送的，则这一结果即为接收机到卫星的距离。为了使这一测量法准确有效，接收机和卫星都需要可以精确到纳秒的同步时钟。为了使卫星定位系统使用同步时钟，我们需要在所有卫星以及接收机上都安装原子钟。但原子钟的价格在5-10万美元之间，对于普通消费者而言有点太贵了。全球卫星定位系统使用了一个巧妙而有效的方案解决了这一难题。每一颗卫星上仍然使用昂贵的原子钟，但接收机使用的是经常需要调校的普通石英钟。简言之，接收机接收来自四颗或更多卫星的信号并计算自身的误差。换句话说，接收机使用的“当前时间”必须是唯一值。正确的时间值的意义在于，使接收机收到的所有信号就好像都来自太空中的单一点。这一时间值是所有卫星上原子钟的统一时间。因此接收机就可以将自身的时钟调整到这一时间值，进而使接收机的时间与所有卫星上的原子钟相同。GPS接收机就可以“免费”获得原子钟的精确度。当测量到四颗定位卫星到您所处位置的距离时，您就可以画出相交于一点的四个球面。即使您的数字有误差，三个球面仍然可能相交，但如果您的测量有误，四个球面就不可能相交于一点。由于接收机利用自身内置的时钟来测量所有的距离，距离测量会呈现一定的比例误差。接收机可以轻易地计算出使四个球面相交于一点所进行的必要调整。基于此，接收机需要重新设置自身的时钟以便和卫星原子钟同步。接收机只要开启就处在不断的调整中，这也意味着接收机几乎与卫星中昂贵的原子钟一样精确[12]。(3)全球定位系统组成系统由监控中心和移动终端组成，监控中心由通讯服务器及监控终端组成。通讯服务器由主控机、GSM/GPRS接受发送模块组成[13]。移动终端由GPS接收机，GSM收发模块，主控制模块及外接探头等组成，事实上GPS定位系统是以GSM、GPS、GIS组成具有高新技术的“3G”系统。GPS接收机的结构分为：天线单元和接收单元两大部分。(3)GPS接收机GPS接收机是可以接收全球定位系统卫星信号以确定地面空间位置的仪器。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS 信号的接收设备，即GPS信号接收机。可以同时接收12颗卫星。早期的型号，比如GARMIN45C就是8通道。GPS接收机收到3颗卫星的信号可以输出2D（就是2维）数据，只有经纬度，没有高度，如果收到4颗以上的卫星，就输出3D数据，可以提供海拔高度。但是因为地球自己的问题，不是太标准的圆，所以高度数据有一些误差。现在有些GPS接收机内置了气压表，比如etrex的SUMMIT和VISTA，这些机器根据两个渠道得到的高度数据综合出最终的海拔高度，应该比较准确了。GPS接收机的第一次开机，或者开机距离里上次关机地点超过800KM以上，因为接收机里存储的星历都对不上了，所以要在接收机上重新定位。GPS接收机的使用要在开阔的可见天空下，所以，屋里就不能用了。手持GPS的精度一般是误差在10米左右，就是说一条路能看出走左边还是右边。精度主要依赖于卫星的信号接收，和可接收信号的卫星在天空的分布情况，如果几颗卫星分布的比较分散，GPS接收机提供的定位精度就会比较高[14]。(coordinate)有2维、3维两种坐标表示，当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3微坐标：经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：精度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式，显示坐标，而且还可以用UTM(UniversalTransverseMercator)等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。坐标的精度在SelectiveAvailability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时，GPS的水平精度在100-50米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的[15]。3总结随着经济以及科技的发展，GPS已充分显示了其在导航定位领域的霸主地位。许多领域也由于GPS的出现而产生革命性变化。目前，几乎全世界所有需要导航定位的用户，都被GPS的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和优质价廉所吸引。我国的GPS应用发展势头迅猛，短短几年，GPS在我国的应用已从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域，GPS的广泛应用改变人们的工作方式，提高了工作效率，带来了巨大的经济以及科技效益。如今，GPS技术已不是仅仅局限于军事或者政府使用了，我们的日常生活，方方面面，从手机上的导航定位软件到汽车导航，GPS在今后的发展中，必将在我们的生活中发挥更大的作用。下面就对GPS在未来可能产生的应用谈一下我个人的观点。(1)丢失物品寻找 目前，我校的治安情况不太好，丢自行车的现象时有发生，我认识的同学有很多都买了第二辆甚至第三辆自行车了。社会中，丢汽车的人也不在少数，而且汽车丢了以后，往往是迅速开到或销往很远的地方，即使报了案，警方也破了案，车辆能找回来的也不多。如果能在每辆车出厂时就在其内部内置一个GPS定位仪，在车主买车时，为车主设置一个接收终端，那么以后，如果这辆车真的丢了，车主就可以通过全国GPS定位查询来锁定自己的车，为进一步找回自己的车做准备。美国和欧洲国家这方面起步很早，到现在为止，美国已经为90%以上的私家车配置了GPS定位装置，一旦车辆丢失，车主可以凭自己的身份证号打电话查询自己车辆的位置，还可以申请警方锁定自己丢失的车。在我国，目前为止，只有公交系统和一部分政府和军警用车运用了GPS定位技术来锁定位置。其中公交车辆运用的最为广泛，公交公司设有一个监视中心，可以了解每辆公交车的位置，以及状态，如遇特殊情况，控制中心可以方便而且准确地报告出事公交车的具体位置，十分方便。结合我国的具体国情来说，由于我国地广人多，私家车数量十分庞大、分布范围也十分广泛，想要真正的给每辆私家车都配备GPS定位仪在短时间内是不太现实的，加装GPS势必会导致汽车成本价以及售价的上涨，不利于我国汽车产业和国外汽车公司的竞争。但从长远来看，这种应用还是值得发展的，若能在将来得到广泛应用，将极大地方便我们的生活。(2)灾难救援通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。如果这项技术能广泛应用，将大大缩短确定灾害位置以及救援所需时间，尤其是当灾害发生在偏远荒凉的地区时，GPS技术的应用尤为重要。建国以来重大的自然灾害，如76年唐山大地震和512汶川地震，有很多人都是因为在震后缺乏救援而被建筑压死和困在废墟下死亡的。尤其是唐山大地震，都说重大灾年后72小时是救援的黄金时间，可是当唐山大地震以后，救援队进入唐山市开始救援已经是3天以后的事情了...由于地震的强烈以及缺乏救援，有超过24万唐山同胞死于这场地震之中，这在世界自然灾难史上也是绝无仅有的。随着科学技术的发展，同样是震惊世界的大地震，我很欣喜的看到512汶川地震时，国家动用了最先进的技术和仪器，在地震之后迅速确定了地震的位置，为救援赢得了宝贵时间，使地震的伤亡人数降到了最小，GPS在救灾方面起到了非常好的效果。有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。GPS定位现在在船舶救援上应用十分广泛，装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可迅速定位、报警，使之能更快更及时获得救援。亚丁湾地区的货轮，也都装上了GPS 定位系统，因此在发生海盗劫持事件是，各国的护航船只才可以迅速做出相应，前往营救被困船只。今后，如果GPS能都在灾害救援方面得到广泛应用，能够把我们的人身以及财产损失降到最低。4参考文献[1]付超，杨善林，马溪骏.基于GPS的低成本车载导航设备的研究实现［J.计算机应用研究，2007，24(2):249－278.[2]王明艳，刘旭，张其善，等.GPS车辆导航系统终端软件的设计与实现［J］.无线电工程，2006，36(10):31－39.[3]刘法治.常用电子元器件及典型芯片应用技术,机械工业出版社,2007[4]周兴华.单片机C语言高级程序设计,中国电力出版社,2008[5]张静，钟章队.GSM中的通用分组无线业务—GRRS.电信技术，2002.2[6]GoldbergAV，HarrelsonC.ComputingtheShortestPath:A*SearchMeetsGraphTheory［C］//Proc.16thAnnualACM-SIAMSymposiumonDiscreteAlgorithms，2005.[7]袁建平等.卫星导航原理及应用[M].北京：中国宇航出版社，2003.35-49.[8]邵联军.基于导航战的GPS通行干扰仿真与设计[D].武汉.武汉大学，2005.[9]王李军.GPS接收机抗干扰若干关键技术研究[M].南京.南京理工大学，2006.[10]王亚军，吕久明，潘启中.GPS导航战技术研究[J].舰船电子工程，2003.[11]干国强.导航与定位-现代战争的北斗星[M].北京：国防工业出版社，2000.[12]LeistenOP.Antenna[P].USA：US6181297B1.Jan.30,2001[Jan.2.2008].[13]AminM,CanhillR.Compcatquaddrfilarhelixantenna[J].ElectronicsLetters,2005,41(12):672-674.[14]PetrosA,LiculS.”Folded”quadrifilarhelixantenna[A].AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium[C],2001.IEEE,4：569-572.[15]QinWY,QiuJH,WangQ.ANovelMulti-frequencyQuadfilarHelixAntenna[A].AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium[C],2005,1B:467-470.