GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)基礎(chǔ)知識介紹

GLOBAL Positioning System，簡稱GPS，即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)產(chǎn)生了可觀的GPS產(chǎn)品需求。并且隨著科技水平的提高、應(yīng)用方向的不斷開拓，GPS將會不容置疑的迅速滲透到人們的日常生活中來。

我們經(jīng)常提到的GPS定位系統(tǒng)由美國軍方所設(shè)計、控制。除此之外，我國的北斗雙星定位系統(tǒng)正在默默地為我國的現(xiàn)代化建設(shè)做貢獻(xiàn)；俄羅斯的 GLONASS系統(tǒng)也曾有過輝煌的歷史；歐盟組織設(shè)計的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)兼容目前廣泛應(yīng)用的GPS系統(tǒng)，在幾年后將會給全球定位系統(tǒng)增添更加光彩的一頁。

GPS系統(tǒng)由三大部分組成：空間部分、控制部分和用戶部分。

空間部分是GPS人造衛(wèi)星的總稱。人造衛(wèi)星的平均高度約20200Km，運行軌道是一個橢圓，地球位于該橢圓的一個焦點上；運行周期約12小時。在 6個傾角約55°的軌道面上不平均地分布著近30顆導(dǎo)航衛(wèi)星，部分為備用衛(wèi)星，美國軍方可通過地面控制部分調(diào)整工作衛(wèi)星的數(shù)目。在GPS系統(tǒng)中，GPS衛(wèi)星是動態(tài)的已知點，用戶端所有的導(dǎo)航定位信息都是依據(jù)這個動態(tài)已知點發(fā)送的“星歷”計算得到的。GPS星歷，實際上是一系列描述GPS衛(wèi)星運動及軌道的實時狀態(tài)參數(shù)。民用GPS模塊所接收到的廣播星歷是由GPS衛(wèi)星以擴(kuò)頻通信方式通過導(dǎo)航電文直接向用戶播發(fā)的用于實時數(shù)據(jù)處理的預(yù)報星歷，在不同的載波上以不同的速率廣播民用的偽隨機(jī)碼C/A碼星歷和軍用的P碼星歷。

對于整個GPS系統(tǒng)來說，實際上地面控制部分是整個系統(tǒng)的核心。所有的GPS衛(wèi)星所播發(fā)的用于導(dǎo)航定位的星歷，都是由分布在地面的5個監(jiān)控站提供的。地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測GPS信號、收集數(shù)據(jù)、計算并注入導(dǎo)航電文，狀態(tài)診斷、軌道修正等。正是有了地面監(jiān)控系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)處理，才使得GPS系統(tǒng)精確運轉(zhuǎn)。

我們常說的GPS定位模塊稱為用戶部分，它像“收音機(jī)”一樣接收、解調(diào)衛(wèi)星的廣播C/A碼信號，中以頻率為1575.42MHz。GPS模塊并不播發(fā)信號，屬于被動定位。通過運算與每個衛(wèi)星的偽距離，采用距離交會法求出接收機(jī)的得出經(jīng)度、緯度、高度和時間修正量這四個參數(shù)，特點是點位速度快，但誤差大。初次定位的模塊至少需要4顆衛(wèi)星參與計算，稱為3D定位，3顆衛(wèi)星即可實現(xiàn)2D定位，但精度不佳。GPS模塊通過串行通信口不斷輸出NMEA格式的定位信息及輔助信息，供接收者選擇應(yīng)用。

GPS模塊性能的*價指標(biāo)主要有接收靈敏度、定位時間、位置精度、功耗、時間精度等。模塊開機(jī)定位時間在不同的啟動模式下有很大不同。一般來說，冷啟動時間是指模塊內(nèi)部沒有保存任何有助于定位的數(shù)據(jù)的情況，包括星歷、時間等，一般標(biāo)稱在1分鐘以內(nèi)；溫啟動時間是指模塊內(nèi)部有較新的衛(wèi)星星歷(一般不超過2小時)，但時間偏差很大，一般標(biāo)稱在45秒以內(nèi)；熱啟動時間是指關(guān)機(jī)不超過二十分鐘，并且RTC時間誤差很小時的情況。一般標(biāo)稱在10秒以內(nèi)；重新捕捉時間就如同汽車鉆過了一個隧道，出隧道時重新捕捉衛(wèi)星。一般標(biāo)稱在4秒以內(nèi)。

如果模塊在定位后放的時間很久，或模塊在定位后運輸?shù)綆装俟镆酝獾牡胤剑@樣模塊內(nèi)部有星歷，但是這個星歷是錯誤的或不具有參考意義的。在這些情況下，定位時間可能要幾分鐘甚至更久的時間。所以一般GPS模塊出廠時要將模塊內(nèi)部的星歷等數(shù)據(jù)清掉，這樣客戶拿到模塊后可以冷啟動方式快速定位。

定位精度可在靜態(tài)與動態(tài)情況下進(jìn)行考察，且動態(tài)定位效果優(yōu)于靜態(tài)定位。GPS模塊所標(biāo)稱的定位參數(shù)是指在完全開放的天空下，衛(wèi)星信號優(yōu)良的情況下測得。所以在常規(guī)的測試中很難達(dá)到標(biāo)稱的定位時間與定位精度。常見的水平定位精度描述方式有兩種：一是?m CEP，即圓概率誤差，意指測出的點有50%的概率位于一個以真實坐標(biāo)為圓心，以?m 為半徑的圓內(nèi)；二是?m 2DRMS，即2倍水平均方根誤差，意指測出的點有約95.5%的概率位于一個以真實坐標(biāo)為圓心，以?m 為半徑的圓內(nèi)。

GPS模塊的定位精度取決于很多方面，比如來自于GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星鐘差及軌道差、可見GPS衛(wèi)星數(shù)量及幾何分布、太陽輻射、大氣層、多徑效應(yīng)等。另外，同一個GPS模塊，還會因為天線及饋線質(zhì)量、天線位置和方向、測試時間段、開放天空范圍及方向、天氣、 PCB設(shè)計等原因產(chǎn)生不同的定位誤差。即使是同一個廠家同一個型號的不同GPS模塊使用天線分集器同時進(jìn)行測試時，靜態(tài)漂移量也會有差別。

GPS模塊在實際應(yīng)用中經(jīng)常作為時間基準(zhǔn)，輔以模塊內(nèi)部的RTC，可獲得非常高精度的時間參考，為產(chǎn)品的設(shè)計提供了很大的方便。至于GPS測速，只是在獲得經(jīng)緯度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行簡單的計算實現(xiàn)的一種擴(kuò)展應(yīng)用。

GPS常見的天線是陶瓷平板天線，這種天線成本低，外部加有源放大電路，接收信號方向單一，增益比較高，所以采用最多。但它的缺點是體積大，易受溫度影響產(chǎn)生頻率飄移。如果把陶瓷面積做小，會影響接收增益；如果做薄，會影響接收天線接收帶寬，還會受有源放大部分影響。目前使用效果很好的尺寸是 25×25×4mm3。陶瓷片天線在實際使用時垂直向上放置時的效果最好。

GPS天線的信號傳輸線同樣非常重要，包括外部饋線與PCB走線。只有在阻抗匹配時輸出功率才可能最大。因此整個傳輸線要保證50Ω的高頻阻抗，對于PCB上如何設(shè)計RF走線阻抗，有些小軟件可以幫您很方便的計算。