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GPS衛星定位系統基礎知識介紹

????GLOBAL Positioning System,簡稱GPS,即全球衛星定位系統,近年來得到了越來越廣泛的應用,已經產生了可觀的GPS產品需求。并且隨著科技水平的提高、應用方向的不斷開拓,GPS將會不容置疑的迅速滲透到人們的日常生活中來。 我們經常提到的GPS定位系統由美國軍方所設計、控制。除此之外,我國的北斗雙星定位系統正在默默地為我國的現代化建設做貢獻;俄羅斯的GLONASS系統也曾有過輝煌的歷史;歐盟組織設計的伽利略衛星定位系統兼容目前廣泛應用的GPS系統,在幾年后將會給全球定位系統增添更加光彩的一頁。 GPS系統由三大部分組成:空間部分、控制部分和用戶部分。 空間部分是GPS人造衛星的總稱。人造衛星的平均高度約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顆導航衛星,部分為備用衛星,美國軍方可通過地面控制部分調整工作衛星的數目。在GPS系統中,GPS衛星是動態的已知點,用戶端所有的導航定位信息都是依據這個動態已知點發送的“星歷”計算得到的。GPS星歷,實際上是一系列描述GPS衛星運動及軌道的實時狀態參數。民用GPS模塊所接收到的廣播星歷是由GPS衛星以擴頻通信方式通過導航電文直接向用戶播發的用于實時數據處理的預報星歷,在不同的載波上以不同的速率廣播民用的偽隨機碼C/A碼星歷和軍用的P碼星歷。 對于整個GPS系統來說,實際上地面控制部分是整個系統的核心。所有的GPS衛星所播發的用于導航定位的星歷,都是由分布在地面的5個監控站提供的。地面系統負責監測GPS信號、收集數據、計算并注入導航電文,狀態診斷、軌道修正等。正是有了地面監控系統的海量數據處理,才使得GPS系統精確運轉。 我們常說的GPS定位模塊稱為用戶部分,它像“收音機”一樣接收、解調衛星的廣播C/A碼信號,中以頻率為1575.42MHz。GPS模塊并不播發信號,屬于被動定位。通過運算與每個衛星的偽距離,采用距離交會法求出接收機的得出經度、緯度、高度和時間修正量這四個參數,特點是點位速度快,但誤差大。初次定位的模塊至少需要4顆衛星參與計算,稱為3D定位,3顆衛星即可實現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,供接收者選擇應用。 GPS模塊性能的*價指標主要有接收靈敏度、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部沒有保存任何有助于定位的數據的情況,包括星歷、時間等,一般標稱在1分鐘以內;溫啟動時間是指模塊內部有較新的衛星星歷(一般不超過2小時),但時間偏差很大,一般標稱在45秒以內;熱啟動時間是指關機不超過二十分鐘,并且RTC時間誤差很小時的情況。一般標稱在10秒以內;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星。一般標稱在4秒以內。 如果模塊在定位后放的時間很久,或模塊在定位后運輸到幾百公里以外的地方,這樣模塊內部有星歷,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部的星歷等數據清掉,這樣客戶拿到模塊后可以冷啟動方式快速定位。 定位精度可在靜態與動態情況下進行考察,且動態定位效果優于靜態定位。GPS模塊所標稱的定位參數是指在完全開放的天空下,衛星信號優良的情況下測得。所以在常規的測試中很難達到標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為圓心,以?m 為半徑的圓內;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為圓心,以?m 為半徑的圓內。 GPS模塊的定位精度取決于很多方面,比如來自于GPS系統的衛星鐘差及軌道差、可見GPS衛星數量及幾何分布、太陽輻射、大氣層、多徑效應等。另外,同一個GPS模塊,還會因為天線及饋線質量、天線位置和方向、測試時間段、開放天空范圍及方向、天氣、PCB設計等原因產生不同的定位誤差。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行測試時,靜態漂移量也會有差別。 GPS模塊在實際應用中經常作為時間基準,輔以模塊內部的RTC,可獲得非常高精度的時間參考,為產品的設計提供了很大的方便。至于GPS測速,只是在獲得經緯度的基礎上,進行簡單的計算實現的一種擴展應用。 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上如何設計RF走線阻抗,有些小軟件可以幫您很方便的計算。

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