【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 代開始研制，歷時(shí)20年，耗資300億美元，于1994年全面建成，為高精度導(dǎo)航和定位而研制的全球被動(dòng)式無(wú)線電衛(wèi)星系統(tǒng)，是集成無(wú)線電導(dǎo)航、定位和定時(shí)于一體的多功能系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)的特點(diǎn):全球，全天候工作：　 能為用戶提供連續(xù)，實(shí)時(shí)的三維位置，三維速度和精密時(shí)間。不受天氣的影響。定位精度高：　 單機(jī)定位精度優(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。功能多，應(yīng)用廣：　 隨著人們對(duì)GPS認(rèn)識(shí)的加深，GPS不僅在測(cè)量，導(dǎo)航，測(cè)速，測(cè)時(shí)等方面得到更廣泛的應(yīng)用，而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。 GPS定位的基本原理 GPS定位的基本原是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式：上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)x、 y、 z 和Vto為未知參數(shù)，其中di=c△ti (i=4)。　　di (i=4) 分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。　　△ti (i=4) 分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。　　c為GPS信號(hào)的傳播速度（即光速）。　　四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：　　x、y、z 為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)?！　i 、yi 、zi (i=4) 分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，　　可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得?！　t i (i=4) 分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供?！　to為接收機(jī)的鐘差。由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z 和接收機(jī)的鐘差Vto 。 GPS系統(tǒng)組成GPS衛(wèi)星星座組成GPS工作衛(wèi)星及其星座 由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座。 24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個(gè)軌道平面之間相距60度， 即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度， 一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。 在兩萬(wàn)公里高空的GPS衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵?lái)說(shuō)自轉(zhuǎn)一周時(shí)，它們繞地球運(yùn)行二周， 即繞地球一周的時(shí)間為12恒星時(shí)。這樣，對(duì)于地面觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，每天將提前4分鐘見(jiàn)到同一顆GPS 衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見(jiàn)到4顆， 最多可見(jiàn)到11顆。在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí)，為了結(jié)算測(cè)站的三維坐標(biāo)，必須觀測(cè)4顆 GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測(cè)過(guò)程中的幾何位置分布對(duì)定位精度有一定的影響。對(duì)于某地某時(shí)，甚至不能測(cè)得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)，這種時(shí)間段叫做“間隙段”。但這種 時(shí)間間隙段是很短暫的，并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度。GPS工作衛(wèi)星的編號(hào)和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。地面監(jiān)控系統(tǒng) 對(duì)于導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的 的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常 工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng) 另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè) 各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。 GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。GPS信號(hào)接收機(jī) GPS 信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)， 并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星 到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置， 位置，甚至三維速度和時(shí)間。 靜態(tài)定位中，GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中固定不變，接收機(jī)高精度 地測(cè)量GPS信號(hào)的傳播時(shí)間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機(jī)天線所在位置的 三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號(hào)接收機(jī) 所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行走的車輛等）。載體上 的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)用GPS信號(hào)實(shí)時(shí)地 測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。 GPS 輸入輸出語(yǔ)句說(shuō)明NMEA協(xié)議是為了在不同的GPS（全球定位系統(tǒng)）導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的BTCM（海事無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)，由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（NMEAThe National Marine Electronics Association）制定的一套通訊協(xié)議。GPS接收機(jī)根據(jù)NMEA0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將位置、速度等信息通過(guò)串口傳送到PC機(jī)、PDA等設(shè)備。NMEA0183協(xié)議是GPS接收機(jī)應(yīng)當(dāng)遵守的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，也是目前GPS接收機(jī)上使用最廣泛的協(xié)議，大多數(shù)常見(jiàn)的GPS接收機(jī)、GPS數(shù)據(jù)處理軟件、導(dǎo)航軟件都遵守或者至少兼容這個(gè)協(xié)議。NMEA0183協(xié)議定義的語(yǔ)句非常多，但是常用的或者說(shuō)兼容性最廣的語(yǔ)句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等（）。下面給出這些常用NMEA0183語(yǔ)句的字段定義解釋。 信息簡(jiǎn)稱序號(hào)命令說(shuō)明最大幀長(zhǎng)1$GPGGA全球定位數(shù)據(jù)722$GPGSA衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)653$GPGSV衛(wèi)星狀態(tài)信息2104$GPRMC運(yùn)輸定位數(shù)據(jù)705$GPVTG地面速度信息346$GPGLL大地坐標(biāo)信息7$GPZDAUTC時(shí)間和日期注：發(fā)送次序$PZDA、$GPGGA、$GPGLL、$GPVTG、$GPGSA、$GPGSV*$GPRMC協(xié)議幀總說(shuō)明：該協(xié)議采用ASCII碼，其串行通信默認(rèn)參數(shù)為：波特率=4800bps，數(shù)據(jù)位=8bit，開始位=1bit，停止位=1bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)。幀格式形如：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hhCRLF“$”——幀命令起始位aaccc——地址域，前兩位為識(shí)別符，后三位為語(yǔ)句名ddd…ddd——數(shù)據(jù)“*”——校驗(yàn)和前綴hh——校驗(yàn)和（check sum），$與*之間所有字符ASCII碼的校驗(yàn)和（各字節(jié)做異或運(yùn)算，得到校驗(yàn)和后，再轉(zhuǎn)換16進(jìn)制格式的ASCII字符。）CRLF——CR（Carriage Return） + LF（Line Feed）幀結(jié)束，回車和換行①、位置信息（GGA） $GPGGA、M, 112*hhCRLF 1UTC時(shí)間，hh mm ss格式（定位它的） 2經(jīng)度dd mm mmmm 格式（非0） 3經(jīng)度方向 N或S 4緯度ddd mm mmmm 格式（非0） 5緯度方向E或W 6GPS狀態(tài)批示0—未定位 1—無(wú)差分定位信息 2—帶差分定位信息 7使用衛(wèi)星號(hào)（00~08） 8精度百分比 9海平面高度 10*大地隨球面相對(duì)海平面的高度 11差分GPS信息 12差分站ID號(hào) 0000123②、GPS DOP 和活動(dòng)衛(wèi)星 $GPGSA、*hhCRLF 1模式M—手動(dòng)，A—自動(dòng) 2當(dāng)前狀態(tài) 1—無(wú)定位信息，2—2D 3—3D 3PRN號(hào)01~32 4位置精度 5垂直精度 6水平精度③、當(dāng)前GPS衛(wèi)星狀態(tài)（GSV） $GPGSV、77*hhCRLF 1GSV語(yǔ)句的總數(shù)目 2當(dāng)前GSV語(yǔ)句數(shù)目 3顯示衛(wèi)星的總數(shù)目00~12 4衛(wèi)星的PRV號(hào)星號(hào) 5衛(wèi)星 仰角 6衛(wèi)星 旋角 7信噪比 語(yǔ)句共兩條，第條最多包括4顆星的處所。每個(gè)星有4個(gè)數(shù)據(jù)，即4—星號(hào) 5—仰角④、最簡(jiǎn)特性（RMC）推薦最小數(shù)據(jù)量的GPS信息（Remended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data） $GPRMC、1*hhCRLF 1定位時(shí)UTC時(shí)間hhmmss 格式 2狀態(tài)A=定位V=導(dǎo)航 3 格式 4經(jīng)度方向N 或S 5 6緯度方向E或W 7速率 8方位敬愛(ài)（二維方向指向，相當(dāng)于二維羅盤） 9當(dāng)前UTC日期ddmmyy 格式 10太陽(yáng)方位 11太陽(yáng)方向⑤、VTG速度相對(duì)正北的方向 $GPVTG、T、M、N、4K*hhCRLF 1真實(shí)方向相對(duì)方向3步長(zhǎng)4速率例：$GPVTG,T,M,N,K*5F字段0：$GPVTG，語(yǔ)句ID，表明該語(yǔ)句為Track Made Good and Ground Speed（VTG）地面速度信息字段1：運(yùn)動(dòng)角度，000 359，（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段2：T=真北參照系字段3：運(yùn)動(dòng)角度，000 359，（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段4：M=磁北參照系字段5：水平運(yùn)動(dòng)速度（）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段6：N=節(jié)，Knots字段7：水平運(yùn)動(dòng)速度（）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段8：K=公里/時(shí)，km/h字段9：校驗(yàn)值 ⑥、$GPGLL例：$GPGLL,S,E,A*2D字段0：$GPGLL，語(yǔ)句ID，表明該語(yǔ)句為Geographic Position（GLL）地理定位信息字段1：，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0） 字段2：緯度N（北緯）或S（南緯）字段3：，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段4：經(jīng)度E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）字段5：UTC時(shí)間，字段6：狀態(tài)，A=定位，V=未定位字段7：校驗(yàn)值⑦、ALM（歷書信息）格式$GPALM、11111*hhCRLF如果板上的備用電池耗完，用此語(yǔ)句初始化信息1在歷書下傳時(shí)能將歷書總數(shù)傳至GPS板上，當(dāng)發(fā)送歷書到GPS板上此字段可空或任意數(shù)。 2當(dāng)前歷書數(shù)20這個(gè)字段可為空或任意值； 3衛(wèi)星PRN數(shù)不清0到32 4GPS星歷數(shù) 5SV狀態(tài)，每個(gè)歷書的1724位 6離心率 7星歷參考時(shí)間 8傾角 9上升速率 10半軸 11近地點(diǎn)的末端 12節(jié)經(jīng)度 13近點(diǎn)離角 14Afo 時(shí)間參數(shù) 15 Af1 時(shí)間參數(shù) hh：語(yǔ)句末端的hh為該語(yǔ)句的校檢符，應(yīng)由用戶計(jì)算送給GPS 25板，計(jì)算規(guī)則為：“S”后的所有字節(jié)的8個(gè)計(jì)，每4個(gè)組成一個(gè)BCD碼（A、B、C等應(yīng)用大寫）。GPS 25輸出，語(yǔ)句后均有校驗(yàn)位，用戶可通過(guò)它，驗(yàn)證結(jié)果。 GPS型號(hào)選擇本系統(tǒng)采用GPS模塊GS87，GPS模塊GS87是一個(gè)高效能、低耗電的智能型衛(wèi)星接收模塊或稱做衛(wèi)星接收引擎，它采用美國(guó)瑟孚SiRF star III 公司所設(shè)計(jì)的第三代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收器具備全方位功能，能滿足專業(yè)定位的嚴(yán)格要求與個(gè)人消費(fèi)需求。產(chǎn)品特色：采用SiRF第三代高效能芯片高靈敏度、低耗電量芯片STAR III。具有6個(gè)針腳，內(nèi)建ARM7TDMI CPU 可符合客制需求，具備快速定位及追蹤20顆衛(wèi)星的能力16