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GPS的发展历程人类是在一次偶然事件中发现可以利用卫星进行导航。1957年，前苏联成功发射第一枚人造卫星“斯普特尼克”1号(Sputnik-1)进入轨道后不久，美国詹斯·霍普金斯（JohnsHopkins）大学应用物理实验室（APL）两位科学家在跟踪这颗苏联卫星时无意中发现，他们收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星在飞近地面时，接收机收到的无线电频率逐渐增高，飞远时则逐渐降低。科学家对这种现象研究后产生灵感，卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确定，若知道卫星的精确轨道，不就能确定地面接收机的位置了吗?从此，一种先进的导航技术“卫星导航”悄然兴起。当时美国科学家们即倡议利用卫星，为其核动力弹道导弹潜艇进行定位导航，以修正惯性导航系统的时间累积误差。于是美国在1958年提出利用“多普勒频移效应”与“标准时间差”定位原理的第一代卫星定位系统——经纬仪(Transit)构想，1960年4月开始发射首颗卫星，1964年提供军用服务，1967年开放给民间使用，此后曾进行两次改进，1988年8月进行最后一次发射，2000年系统报废。“经纬仪卫星导航定位系统”的成功，导致美国与苏联研发与建立更大规模、高精度的卫星导航定位系统，即全球定位系统(GPS)与和全球导航卫星系统(GLONASS格洛纳斯)。GPS的概述Gps是GlobalPositioningSystem的简称，即全球卫星定位系统，最初应用于军事领域，是美军71年代初“子午仪卫星导航定位”技术发展起来的具有球性，全能性（陆地，海洋，航空），全天候优势。民用方面：最大的民用市场就是汽车导航系统汽车导航的目的：引导汽车在繁忙交通状态和复杂的道路网络中,选择最佳的路径,使其能在尽量短的时间和路程内到达目的地。GPS系统包括三大部分：1).空间部分—GPS卫星星座；2).地面控制部分—地面监控系统；3).用户设备部分—GPS信号接收机。美国的GPS卫星星座GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。地面监控系统对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。GPS信号接收机GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。目前，在全球卫星定位系统方面，有美国的GPS系统、欧盟的伽利略系统、俄罗斯的“格洛纳斯”系统和中国即将建立的“北斗二号”系统，使用范围最广的就是美国的GPS全球定位系统。“北斗”导航卫星北斗二号”卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为厘米级，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米／秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。“伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。“伽利略”卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成，2008年投入使用，总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。Gps的原理GPS接收机的定位实际是就是通过计算接收机距不同卫星的距离来完成的这一过程称为测距。当出现接受信息时钟误差是三个球面无法相交时利用第四颗卫星的信息进行修正。通过求出上式中的四个未知量，x,y,z,接收机的钟差Vt0，得到了基本的信号结构及准确率一般民用GPS使用的是GPS系统的L1载波，频率为1575.42MHz。在这个载波频率上面以调相方式加载了两种不同的伪随机噪声码：C/A码和P码。C/A码是用于民用的测距码，码长为1023个码元，即1023次从数字零到数字1的跳动，这1023个码元每秒重复1000次，即1.023MHz,或每一百万分之一秒跳动一次。P码是军用码，码长非常长，码速为10.23MHz，即每千万分之一秒跳动一次。由于GPS接收机通过对比码元的跳动来计算从卫星到接收机的时间，然后再转换成距离，显而易见，P码的时间精度高了10倍，距离精度也就高了10倍：现代信号处理技术计算码元跳动的时间精度是码宽的百分之一，一百万分之一秒折合出来的距离是300米，它的百分之一就是3米。而P码的精度是这个数值的十分之一，即0.3米。换句话说，在计算某个卫星距离接收机的实际距离的时候，C/A码的理论精度是3米。接收机“知道”了自己与卫星的距离，并不能计算出自己的位置，因为它不知道卫星在发射电波时的位置，因此在卫星载波上面，还加载了一个50Hz的导航电文，导航电文后面会说到。很多种因素会影响到GPS的准确率，总定位误差大概是28米，主要GPS定位误差来自于电离层和大气层，不过在卫星的导航电文中，已经包含了大气层的修正参数，能够消除50%到70%误差。这里面提到了两个知识点，就是导航电文的格式和地面差分台。导航电文的格式NMEA协议是为了在不同的GPS（全球定位系统）导航设备中建立统一的BTCM（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（NMEA-TheNationalMarineElectronicsAssocia-tion）制定的一套通讯协议。NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。$GPGGA例：$GPGGA,092204.999,4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,,,,0000*1F字段6：GPS状态，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，3=无效PPS，6=正在估算字段7：正在使用的卫星数量（00-12）（前导位数不足则补0）字段8：HDOP水平精度因子（0.5-99.9）字段9：海拔高度（-9999.9-99999.9）字段10：地球椭球面相对大地水准面的高度字段11：差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）字段12：差分站ID号0000-1023（前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空）字段13：校验值$GPGSA例：$GPGSA,A,3,01,20,19,13,,,,,,,,,40.4,24.4,32.2*0A字段0：$GPGSA，语句ID，表明该语句为GPSDOPandActiveSatellites（GSA）当前卫星信息字段1：定位模式，A=自动手动2D/3D，M=手动2D/3D字段2：定位类型，1=未定位，2=2D定位，3=3D定位字段3：PRN码（伪随机噪声码），第1信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段15：PDOP综合位置精度因子（0.5-99.9）字段16：HDOP水平精度因子（0.5-99.9）字段17：VDOP垂直精度因子（0.5-99.9）字段18：校验值$GPGSV例：$GPGSV,3,1,10,20,78,331,45,01,59,235,47,22,41,069,,13,32,252,45*70字段0：$GPGSV，语句ID，表明该语句为GPSSatellitesinView（GSV）可见卫星信息字段1：本次GSV语句的总数目（1-3）字段2：本条GSV语句是本次GSV语句的第几条（1-3）字段3：当前可见卫星总数（00-12）（前导位数不足则补0）字段4：PRN码（伪随机噪声码）（01-32）（前导位数不足则补0）字段5：卫星仰角（00-90）度（前导位数不足则补0）字段6：卫星方位角（00-359）度（前导位数不足则补0）字段7：信噪比（00－99）dbHz字段8：PRN码（伪随机噪声码）（01-32）（前导位数不足则补0）字段9：卫星仰角（00-90）度（前导位数不足则补0）字段10：卫星方位角（00-359）度（前导位数不足则补0）字段11：信噪比（00－99）dbHz字段12：PRN码（伪随机噪声码）（01-32）（前导位数不足则补0）字段13：卫星仰角（00-90）度（前导位数不足则补0）字段14：卫星方位角（00-359）度（前导位数不足则补0）字段15：信噪比（00－99）dbHz字段16：校验值$GPGSV,3,1,10,24,82,023,40,05,62,285,32,01,62,123,00,17,59,229,28*70每条语句包含四部分内容，例如：第一部分是“24,82,023,40”，第二部分是“05,62,285,32”等等。每部分的第一个词为PRC，第二个词为卫星高程，跟着为方位角和信号强度。这个语句里最重要的指标应该算是“信号躁声比”。NMEA0183标准语句另一种表达方式详解1、GlobalPositioningSystemFixData（GGA）GPS定位信息$GPGGA,1,2,3,4,5,6,7,8,9,M,10,M,11,12*hhCRLF1UTC时间，hhmmss（时分秒）格式2纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）3纬度半球N（北半球）或S（南半球）4经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）5经度半球E（东经）或W（西经）6GPS状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算7正在使用解算位置的卫星数量（00~12）（前面的0也将被传输）8HDOP水平精度因子（0.5~99.9）9海拔高度（-9999.9~99999.9）10地球椭球面相对大地水准面的高度11差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）12差分站ID号0000~1023（前面的0也将被传输，如果不是差分定位将为空）2、GPSDOPandActiveSatellites（GSA）当前卫星信息$GPGSA,1,2,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,4,5,6*hhCRLF1模式，M=手动，A=自动2定位类型，1=没有定位，2=2D定位，3=3D定位3PRN码（伪随机噪声码），正在用于解算位置的卫星号（01~32，前面的0也将被传输）。4PDOP位置精度因子（0.5~99.9）5HDOP水平精度因子（0.5~99.9）6VDOP垂直精度因子（0.5~99.9）3、GPSSatellitesinView（GSV）