GPS接收機

GPS接收機是接收全球定位系統衛星信號並確定地面空間位置的儀器。GPS衛星傳送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的信息資源。對於陸地、 海洋和空間的廣大用戶，其所擁有的能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備， 即GPS信號接收機。

基本介紹

• 中文名：GPS接收機
• 外文名：GPS receiver
• 學科：測繪學
• 設備所屬：測繪儀器

GPS簡介

可以同時接收12顆衛星。早期的型號，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收機收到3顆衛星的信號可以輸出2D（就是2維）數據，只有經緯度，沒有高度，如果收到4顆以上的衛星，就輸出3D數據，可以提供海拔高度。但是因為地球自己的問題，不是太標準的圓，所以高度數據有一些誤差。現有些GPS接收機內置了氣壓表，比如etrex的SUMMIT和VISTA，這些機器根據兩個渠道得到的高度數據綜合出最終的海拔高度，應該比較準確了。

NAVSTAR GPS衛星

GPS接收機的第一次開機，或者開機距離里上次關機地點超過800KM以上，因為接收機里存儲的星曆都對不上了，所以要在接收機上重新定位。

GPS接收機的使用要在開闊的可見天空下，所以，屋裡就不能用了。手持GPS的精度一般是誤差在10米左右，就是說一條路能看出走左邊還是右邊。精度主要依賴於衛星的信號接收，和可接收信號的衛星在天空的分布情況，如果幾顆衛星分布的比較分散，GPS接收機提供的定位精度就會比較高。

坐標

坐標種類

(coordinate)有2維、3維兩種坐標表示，當GPS能夠收到4顆及以上衛星的信號時，它能計算出本地的3維坐標：經度、緯度、高度，若只能收到3顆衛星的信號，它只能計算出2維坐標：經度和緯度，這時它可能還會顯示高度數據，但這數據是無效的。大部分GPS不僅能以經/緯度(Lat/Long)的方式，顯示坐標，而且還可以用UTM(UniversalTransverseMercator)等坐標系統顯示坐標但我們一般還是使用LAT/LONG系統，這主要是由你所使用的地圖的坐標系統決定的。坐標的精度在SelectiveAvailability(美國防部為減小GPS精確度而實施的一種措施)打開時，GPS的水平精度在100-50米之間，視接受到衛星信號的多少和強弱而定，若根據GPS的指示，說你已經到達，那么四周看看，應該在大約一個足球場大小的面積內發現你的目標的。

GPS衛星群的示意圖

在SA關閉時

(2001年已經關閉)，精度能達到10米左右(GPS性能介紹上說的精度都給的是NASA值，唬人的)。高度的精確性由於系統結構的原因，更差些。經緯度的顯示方式一般都可以根據自己的愛好選擇，一般有"hddd.ddddd","hddd*mm.mmm""，"hddd*mm"ss.s"""(其中的"*"代表"度"，以下同)地球子午線長是39940.67公里，緯度改變一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地區緯在北緯40度左右，緯度圈長為40075*sin(90-40),此地經度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以選定某個顯示方式，並把各位數字改變一對應地面移動多少米記住，這樣能在經緯度和實際里程間建立個大概的對應。大部分GPS都有計算兩點距離的功能，可給出兩個坐標間的精確距離。高度的顯示會有英制和公制兩種方式，進GPS的SETUP頁面，設定成公制，這樣在其他象速度、距離等的顯示也都會成公制的了。

如何分類

可以在任何時候用GPS信號進行導航定位測量。根據使用目的的不同， 用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。現世界上已有幾十家工廠生產GPS接收機， 產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。

按接收機的用途分類

導航型接收機

此類型接收機主要用於運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機 一般採用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為±25m，有SA影響時為±100m。 這類接收機價格便宜，套用廣泛。根據套用領域的不同，此類接收機還可以進一步分為： 車載型——用於車輛導航定位； 航海型——用於船舶導航定位； 航空型——用於飛機導航定位。由於飛機運行速度快，因此，在航空上用的接收機 要求能適應高速運動。 星載型——用於衛星的導航定位。由於衛星的速度高達7km/s以上，因此對接收機的要求更高。

測地型接收機

測地型接收機主要用於精密大地測量和精密工程測量。定位精度高。儀器結構複雜，價格較貴。 授時型接收機 這類接收機主要利用GPS衛星提供的高精度時間標準進行授時，常用於天文台及無線電通訊中時間同步。

載波頻率分類

單頻接收機

單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由於不能有效消除 電離層延遲影響，單頻接收機只適用於短基線（<15km）的精密定位。

雙頻接收機

雙頻接收機可以同時接收L1，L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層 對電磁波信號的延遲的影響，因此雙頻接收機可用於長達幾千公里的精密定位。

通道數分類

GPS接收機能同時接收多顆GPS衛星的信號，為了分離接收到的不同衛星的信號，以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據接收機所具有的通道種類可分為： 多通道接收機 序貫通道接收機 多路多用通道接收機

接收機工作原理分類

碼相關型接收機

碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀測值。

平方型接收機

平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調製信號,來恢復完整的載波信號 通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。

混合型接收機

這種儀器是綜合上述兩種接收機的優點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。

干涉型接收機

這種接收機是將GPS衛星作為射電源，採用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。

發展歷史

第一顆GPS衛星

於1978年發射。

現使用的系統是由第二代GPS衛星組成的，稱為Block II。

第一顆Block II衛星

於1989年發射。

美國國防部於1995年宣布GPS全面運作。

當該系統剛剛推出時，GPS信號傳輸中存在故意計算錯誤的做法，以此限制非軍用GPS接收機的精確度。2000年5月份，相關部門停止了這一做法。

這時，

已有GPS衛星

運行在軌道上。

這24顆衛星的建造和發射總共花費了約120億美元。

每顆衛星重約787公斤。

這些衛星運行在地球上空約20公里的軌道上。

衛星沿軌道繞地球運行一周的時間為12小時。

俄羅斯也有一套與美國一樣的系統，被稱為GLONASS系統。

全球衛星定位系統(GPS) 實際上是一個衛星群，由27顆沿環地球軌道運行的衛星（24顆為工作衛星，另外三顆為備用衛星）組成。雖然這一衛星網路由美國軍方研發並作為軍用導航系統而使用，但很快這一系統就進入了普通百姓的生活中。

每一顆由太陽能提供動力的衛星的造價在3,000-4,000萬英鎊之間，並且在地球上空大約19,300千米的高度繞地球運行，每天繞地球運轉兩周。它們的運行軌道是經過特殊安排的，所以在任何時候，地球上任何地方的上空都至少可以“見到”四顆衛星。

GPS接收機的任務就是確定四顆或更多衛星的位置，並計算出它與每顆衛星之間的距離，然後用這些信息推算出自己的位置。這一計算過程的基礎是一條被稱為三邊測量法的簡單數學定理。

如何測距

GPS接收機是通過計量信號

在衛星和接收機之間的往返時間來計算距離的。事實證明，這是一個相當精細的過程。

在某一時刻（假定是午夜），衛星開始傳送一長串稱為偽隨機碼的數字序列。 同樣，接收機也在午夜開始發出相同的數字序列。 當衛星信號到達接收機時，數字序列的傳送會比接收機發出信號的時間稍稍滯後。

時間延遲的長度就是信號傳送的時間。接收機將這一時間乘以光速就可以計算出信號傳送的距離。假設信號是以直線傳送的，則這一結果即為接收機到衛星的距離。

為了使這一測量法準確有效，接收機和衛星都需要可以精確到納秒的同步時鐘。為了使衛星定位系統使用同步時鐘，我們需要在所有衛星以及接收機上都安裝原子鐘。但原子鐘的價格在5-10萬美元之間，對於普通消費者而言有點太貴了。

全球衛星定位系統

的方案解決了這一難題。每一顆衛星上仍然使用昂貴的原子鐘，但接收機使用的是經常需要調校的普通石英鐘。簡言之，接收機接收來自四顆或更多衛星的信號並計算自身的誤差。換句話說，接收機使用的“當前時間”必須是唯一值。正確的時間值的意義在於，使接收機收到的所有信號就好像都來自太空中的單一點。這一時間值是所有衛星上原子鐘的統一時間。因此接收機就可以將自身的時鐘調整到這一時間值，進而使接收機的時間與所有衛星上的原子鐘相同。GPS接收機就可以“免費”獲得原子鐘的精確度。

當測量到四顆定位衛星到您所處位置的距離時，您就可以畫出相交於一點的四個球面。即使您的數字有誤差，三個球面仍然可能相交，但如果您的測量有誤，四個球面就不可能相交於一點。由於接收機利用自身內置的時鐘來測量所有的距離，距離測量會呈現一定的比例誤差。

接收機可以輕易地計算出使四個球面相交於一點所進行的必要調整。基於此，接收機需要重新設定自身的時鐘以便和衛星原子鐘同步。接收機只要開啟就處在不斷的調整中，這也意味著接收機幾乎與衛星中昂貴的原子鐘一樣精確。

距離信息定位

接收機還必須知道衛星的確切位置。這並不是特別難辦到的事，因為衛星運行在很高的既定軌道上。GPS接收機儲存有星曆，其作用是告訴接收機每顆衛星在各個時刻的位置。雖然一些外在因素，如月球和太陽的引力作用，會緩慢地改變衛星運行的軌道，但美國國防部會不斷監控衛星的精確位置，並把任何調整信息都作為衛星信號的一部分傳送給所有的GPS接收機。

雖然這一系統工作性能不錯，但錯誤還是會不時發生。其中一個原因是，這一測量方式是建立在一種假設上的，即無線電信號會勻速（光速）穿過大氣層。事實上，地球大氣層在一定程度上減慢了電磁能量的傳播速度，特別是當電磁信號進入電離層和對流層時。延遲狀況因您在地球上所處地點的不同而不同，這意味著很難將這一因素準確地納入距離的計算中去。難題還在於無線電信號可能被大型物體反彈回去，例如摩天大樓，這將導致接收機計算出的與衛星的距離比實際的要遠。最糟的情況是，有時衛星會傳送錯誤的星曆數據，誤報自己的位置。

差分GPS

（DGPS）有助於糾正此類錯誤。其基本原理是用一個已知位置的固定接收機站來測算GPS的誤差。由於機站的DGPS硬體已經知道它自己的位置，它可以很容易地計算出它覆蓋範圍內的接收機的誤差。該機站會向所在區域內所有裝配DGPS的接收機傳送無線電信號，為這一區域提供信號糾正信息。一般而言，能獲得這些糾正信息使DGPS接收機比普通的接收機要精確得多。

GPS接收機最基本的功能就是接收來自至少四顆衛星的信號，並且將這些信號中的信息與電子星曆的信息相結合以計算出接收機在地球上的位置。

一旦接收機計算完畢，它就可以告訴您它所處位置的經度、緯度和海拔（或與之類似的測量信息）。為了使導航更加人性化，大多數接收機會把這些原始數據標註在存儲於記憶體中的地圖檔案上。