GPS如何工作?

原文地址:How Does GPS Work?

仪表板上的GPS设备

让我们站在技术的角度上从卫星一直到地面接收器,仔细看看全球定位系统这项技术。

图片发布NavStar GPS卫星

背景资料

全球定位系统(GPS)最初被称为NavStar,是美军在1995年创造的。NavStar最初是地球同步轨道上二十多颗GPS卫星的集合。

如今,NavStar已经发展成为一个由30多颗卫星组成的网络,在离地表约13000英里的地方围绕地球运行。这些卫星在从西向东的轨道上运行,每天会对同一地点飞越两次。

当其他国家正在发展自己的GPS卫星网络时,美国的NavStar系统仍然是标准。

只需要24颗卫星就可以覆盖95%的地球表面。其余的主要功能是作为备份,只有在需要更精确的时候才进行查询。

卫星

这些卫星上最关键的组件是 原子钟。正如您将看到的,可靠的计时是这些卫星的最重要的功能。

图片发布这个原子钟是为1970年代后期的第一批GPS卫星建造的。

原子钟旨在测量精确的秒数,这是现代计时的基本单位。国际单位制(SI)将秒数定义为铯133原子在精确定义的状态下准确振荡所需的时间:9,192,631,770 倍。”

—生命科学

GPS有效载荷

GPS本质上是一个被动系统。GPS卫星不接收任何信息。

相反,每颗卫星都会定期报告:

  1. 伪随机码 —卫星的标识值(接收机用于解码信号)
  2. 年历数据 -卫星在任何给定时刻的位置以及所有其他活动卫星的轨道信息(这会通知接收器哪些卫星应该可用以及何时可用-帮助接收器更快地获取GPS定位信息)
  3. 星历数据 -有关卫星的更具体的信息:它是当前日期,时间,健康状况和位置。NavStar卫星大约每30秒广播一次此数据。星历数据通常每2小时更新一次,有效期为4小时。

从冷启动开始

尽管广播频率很高,但是仅凭年历表通常不足以使GPS接收器获得定位信息,尤其是在GPS接收器从冷启动中启动时。

并非总是如此,GPS接收机的缓存年历信息将过时,因此某些接收机(尤其是较旧的接收机)可能必须等待10分钟以上才能从每个卫星接收完整的年历和星历数据广播,然后才能提供GPS定位。

此外,星历数据具有自然到期时间,因为由于时钟漂移而无法将其缓存太久。等待广播和接收更新的星历表数据是导致GPS接收器启动时间长的主要原因。

全球定位系统

幸运的是,大多数现代设备(例如当今的智能手机)都可以最大程度地减少这种等待时间。大多数现代移动设备使用一种称为A-GPS(辅助全球定位系统)的传统GPS技术的变体,可以帮助他们快速获取GPS定位。

A-GPS通过利用手机的数据连接与帮助服务器联系来工作。服务器将直接提供年历和星历数据,因此电话不再需要等待来自卫星的传输。但是,一旦超出蜂窝覆盖范围,电话便会恢复为车载GPS装置,并需要几分钟来以传统方式获取星历和年历数据。

GPS信号

大多数GPS传输都在频谱的UHF部分中。大多数民用GPS通信上完成 1575.42 兆赫1227.60MHz的

另外,GPS信号使用CDMA扩频技术,以允许所有卫星在相同频率上发射而不会互相干扰。

GPS传输

根据RadioElectronics的数据,标准GPS传输的长度约为15000位,并且以50位/秒的速率进行传输,完成整个传输大约需要30秒。

该帧被分为5个子帧,每个子帧的长度为300位,传输时间为6秒。

这些帧可帮助接收器识别传输的开始和结束,因此它们可以轻松地与输入信号同步并解码传输。

子框架1: 时钟,GPS时间,卫星运行状况,卫星ID

子框架2-3: 星历数据

子框架4-5: 年历数据

接收者

三边测量

GPS在接收器端通过使用称为trilateration的方法来工作 。

想象一下,我告诉过你,我距洛杉矶150英里,拉斯维加斯200英里,弗雷斯诺75英里。

仅需使用这三个距离值,您就可以确定与这些约束匹配的区域,并能够估算出我在该区域内的当前位置。您进行的距离测量越多,对我的位置的估算就越准确。

图片发布三边测量示例

GPS要求最短距离为3颗卫星,以获取对您所在位置的修正。众所周知,GPS信号包括卫星的位置和根据卫星内部时钟的时间。如果我们测量接收消息的时间,并将时间差与从卫星发送消息的时间进行比较,则可以确定消息传输的时间。另外,知道所有这些信号都是以光速发送的,我们可以将这两个值相乘以计算到特定卫星的直线距离。

图片发布

因此,卫星使用昂贵的原子钟。传输的时间值越准确,则接收机与卫星的距离就越准确。

尽管我们仅用3颗卫星就可以确定用户的2D位置,但是使用4颗卫星可以使我们计算高度值。尽管在某些情况下2D定位可能会起作用,因为GPS会假定您接近海平面,但是如果您在山上,则2D定位可能会产生数百米的误差。

此外,由于接收器(如移动电话)通常具有更便宜,更不准确的时钟,因此我们需要解决由更便宜的硬件和其他环境因素(由电离层和对流层引起的信号速度降低)带来的定时误差。使用第四颗卫星不仅可以提供高度值,还可以让我们求解方程组,使我们可以识别时钟误差并计算出更准确的位置。

大多数现代GPS接收器将使用此附加信息来尝试将其内部时钟与卫星的原子钟同步。

图片发布

这就是为什么大多数现代GPS接收器通常会跟踪所有可用的视线卫星,但只使用一些子集进行实际计算的原因。

现在,GPS接收器的天线可以拾取至少4颗卫星,它可以在3个维度(纬度,经度和高度)中准确计算其位置和时间。

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