航空航天与国防

全球定位系统（GPS）是全球使用最广泛的卫星导航系统。它是提供地理位置，时间和速度信息的全球导航卫星系统（GNSS）之一。 GPS从1978年开始运行，从1994年开始在全球范围内可用。最新的GPS接收器可提供30厘米的精度地理定位。 GPS系统归美国政府所有，由美国太空部队维护。

GPS是由30多个中地球轨道（MEO）卫星组成的网络。这些卫星在GPS接收器可以收听的专用RF频率上连续发送信号。通过计算距四颗或更多卫星的距离，GPS接收器可以找出地球上任何地方的经度和纬度位置。有许多种具有不同功能的GPS接收器。本质上，所有GPS接收器都能够提供其地理位置，UTC时间和速度信息。最新的GPS接收器比以往任何时候都更加紧凑和准确。这些纤巧的设备免费提供地理位置，时间和速度数据，现在大多数智能手机中都可以找到它们。 GPS接收器还用于汽车，贸易追踪以及无人机和无人机等多种跟踪应用中。

GPS的构成要素
GPS包含三个部分：

1. 空间段–此部分由GPS导航卫星组成。在大约60000 Km的高度绕地球的六个轨道上部署了30多个GPS卫星。这些卫星每隔12个小时绕地球旋转一圈，因此它们始终可以覆盖全世界。
2. 控制段–此部分包括地面控制站。这些站负责监视，控制和维护GPS卫星的轨道。地面控制站确保卫星偏离其轨道和定时的偏差在公差范围内。
3. 用户群–此部分由GPS接收器组成。 GPS接收器侦听GPS卫星发出的RF信号，并计算与至少四颗卫星的距离，以获取其位置和时间。任何时候，GPS接收器最多只能在天空中看到12颗GPS卫星。卫星在范围为1.1至1.5 GHz的射频频带上发送信息。

GPS定位
GPS卫星在RF频段上连续发送不同的信息。例如，卫星安装了非常精确的原子钟。 GPS卫星在其原子钟上发送时间，并发送有关其轨道位置和到达轨道不同点的到达时间的信息。 GPS接收器使用此信息来计算其与卫星的距离。如果已知物体到空间中三个固定点的距离，则可以找到该物体的绝对位置。因此，GPS接收器可以通过计算与三颗卫星的距离来找到其地理位置。但是，至少需要4颗GPS卫星才能准确找到时间和位置。与第四颗卫星的距离用于补偿GPS接收器时钟中的时间误差。因此，GPS接收器通过计算与三颗GPS卫星的距离并将其与其他GPS卫星的距离进行校正和准确性来计算其地理位置。如果接收器至少看到4颗GPS卫星，则称它处于锁定状态。通过计算至少与四颗卫星的距离，GPS接收器可以准确找到其地理位置（经度和纬度）和当前（UTC）时间戳。

增广
GNSS增强是一种通过将外部信息集成到位置计算中来提高导航系统的准确性，可靠性，可用性和其他属性的方法。其中一些增强系统是：广域增强系统（WAAS），欧洲对地静止导航叠加服务（EGNOS），GPS辅助GEO增强导航（GAGAN），差分GPS，多功能卫星增强系统（MSAS）和惯性导航系统（使用加速度计和陀螺仪）。

GPS信号
GPS卫星以两个载波频率广播RF信号； L1（1,575.42 MHz）和L2（1,227.60 MHz）。普通公众可以使用的光束以C / A（粗略/获取）代码进行编码，仅美军使用的光束以P（精确）代码进行编码。

C / A代码包括每个卫星的识别代码和导航消息。来自GPS卫星的L1信号以C / A码进行了相位调制。 C / A代码是数字信号，其中0和1由1023个连续的数字脉冲模式编码。导航消息由25个帧组成，每个帧都有5个300位的子帧。因此，每个帧具有1500位（0和1）。每个位的数据长度为20毫秒（即，一个位的C / A信号的总脉冲宽度为20毫秒）。

每个卫星的轨道数据称为星历表。此数据用于生成卫星的精确位置，这是GPS接收器计算位置信息所必需的。所有卫星的轨道数据称为年历。它包括网络中所有卫星的粗略轨道和状态信息。此数据用于定位GPS接收器的可用卫星，以便可以找到其当前时间和在地球上的位置。

GPS精度
GPS位置的准确性取决于几个因素。由于电离层中GPS信号的传播速度变化，可能会导致位置误差；对流层的无线电反射；来自地面，建筑物和其他结构的反射（称为多径传播）；和GPS接收器本身周围的噪声源。

GPS位置的精度由精度稀释（DoP）表示。 DoP指示GPS位置精度的降低。 DoP的价值较小； GPS定位精度更高。 DoP主要取决于参与跟踪接收器的GPS卫星的位置’的位置。如果跟踪的GPS卫星在天空上均匀分布，则定位精度会更高。如果跟踪的卫星间隔不成比例，则定位精度会降低。

GPS接收器需要跟踪至少四颗卫星以准确提供位置和时间。首次锁定或锁定使GPS接收器可以获取历书信息，因此它可以知道它还可以收听其他哪些卫星。如果接收器可以看到更多的卫星，则信号强度会很高，并且定位精度也会更好。 GPS接收器一次最多只能看到12颗卫星。

辅助GPS
辅助GPS是一种方法，其中当GPS信号较弱或无法到达时，地面无线网络（如移动网络）位于卫星和GPS接收器之间。 AGPS可以向GPS接收器提供年历数据和精确的时间，以便它可以跟踪GPS卫星。它还可以补充来自地面的计算能力和卫星信号，以补偿GPS接收器接收到的微弱信号或碎片化的卫星数据。 AGPS通常用于移动电话，相机和汽车。 AGPS在城市环境中非常有用，在这些城市中，由于建筑物和构筑物的位置紧密，多径传播成为普遍问题。

差分GPS
差分GPS（DGPS）是具有固定GPS位置的地面站。 DGPS可用于查找从卫星到地面站的距离读数之间的差异。 DGPS是WAAS或EGNOS等增强系统的一部分。使用差分GPS的GPS接收器通常较为昂贵。这种接收器的尺寸也更大，因为它们必须容纳电路和天线以与DGPS站连接。

GPS数据
GPS接收器通过串行接口以不同格式传送GPS数据。有标准数据格式和专有数据格式。 NMEA是标准的GPS数据格式，并且所有GPS接收器都使用NMEA。除了NMEA数据外，GPS接收机还可以使用其他专有数据格式。 NMEA数据由消息字符串组成，其中用逗号分隔各种数据字段。该字符串以$符号和消息ID开头，后跟数据字段。消息字符串以*结尾，后跟校验和字节，以及回车符和换行符。

不同的GPS接收器具有不同的功能。因此，不同的GPS接收器将不同组的NMEA消息和其他专有消息传送到计算机/控制器。 GPS接收器以固定的时间间隔通过串行端口将数据发送出去，这称为更新速率。大多数GPS接收器的更新速率均为1 Hz，即GPS数据每1秒传送一次。现在有GPS接收器的更新速率从5 Hz到20 Hz。

GPS芯片组
任何GPS接收器都具有包含强大处理器的GPS芯片组。该处理器负责所有计算，为天线提供用户界面和模拟电路。这取决于芯片组，GPS接收器支持的GPS数据格式以及如何通过串行接口传输数据。

一些常见的GPS芯片组是u-blox，SiRF和SkyTraq。要了解GPS接收器的输出方式和数据，必须检查其芯片组的参考手册。例如，NEO-6M GPS接收器使用u-blox芯片组，因此它支持NMEA和UBX数据格式。因此，可以从u-blox NMEA和UBX参考手册中找到NEO-6M支持的确切GPS消息。

这些芯片组通常具有许多串行接口，可将GPS数据传送到计算机/控制器。常见的串行接口包括UART，I2C，SPI和USB。在GPS模块中，一个或多个接口可用于获取GPS数据。例如，NEO-6M GPS芯片具有UART，SPI，USB和DDC（与I2C兼容）串行接口，而使用NEO-6M的GPS模块只能暴露UART或I2C或SPI来与GPS接收器进行数据通信。

连接GPS接收器
可以使用芯片组中可用的串行接口将GPS接收器连接到计算机或控制器。例如，如果芯片组具有用于数据通信的UART，USB和I2C串行接口，则可以使用相同的接口将GPS接收器与控制器或计算机接口。某些GPS芯片组还提供了演示软件，可以在计算机或嵌入式Linux计算机上使用该软件来查看来自接收器的GPS数据。还可以对计算机或控制器进行编程，以使用串行通信协议从GPS接收器/模块中获取GPS数据。在那种情况下，用户程序必须能够识别GPS接收器发送的GPS消息并解码数据字段以获得有用的GPS信息。