如何用GPS实现精确定位

GPS（Global Positioning System）,一般译为全球卫星定位系统，是美国国防部安排部署的，其首要的任务是为美军及其盟军提供全球范围内不间断的定位、导航等数据。其次，也为民用、商用提供定位、导航、测速、授时等数据服务。GPS能为全球任意地点、任意多个用户同时提供高精度、全天候、连续、实时的三维定位、三维测速和时间基准。由于这一系统在定位、导航、测速、授时等方面的高效率、高精度、多功能、易移动、低价格，因此它在地球科学中应用广泛。 　　GPS系统包括GPS卫星、GPS监控站，以及用户接收设备和GPS应用软件等部分。GPS系统目前共有24颗卫星分布在6条固定的轨道上，绕地球运行。轨道距地面约20400km，每颗星以12h为周期，连续向地面发送关于时间和自身位置的精确信息。 　　由于地球上任一点到卫星的距离不等，且都有一组相对应的比较确定的数据，因此在实际应用中在用手持接收器于测式点接收到这一组数据信号时，即可用这组数据到达的时间差来计算该点相对卫星的距离，并以此来确定该点的相对位置，从而达到定位的目的。根据计算公式，定位有二维和三维之分，二维定位至少需要接收三颗卫星的星历；而三维定位至少要接收四颗卫星的星历。 　　由于手持接收器可以提供精度在25米以内的定位信息和误差在5m/s以内的速度信息，因而有些过于精确，为了保障军事上的安全，美国政府对GPS卫星采取了SA（Selective Availability）的技术进行处理，即对卫星向地面发送的星历信号进行随机干扰,使其精度降到了100米。但这又不能满足一些精度要求比较高的应用，于是又采用了一种称为DGPS（Differential GPS）的技术进行弥补。使其精度经校正能达到50M左右。 其他卫星定位系统 　　导航卫星系统除美国的ＧＰＳ卫星系统外，能与其比拟的就是俄国的ＧＬＯＮＡＳＳ卫星系统，也是２４颗卫星组成的系统，由于经费困难，缺乏维护和补充，目前可能有19颗可用，随着俄国经济的复苏和军事上的需要，将会得到完善和健全。ＧＬＯＮＡＳＳ系统是开放性，有利于使用，许多ＧＰＳ生产厂商，为了提高ＧＰＳ接收机使用性能和精度，都积极地研究ＧＰＳ与ＧＬＯＮＡＳＳ结合双系统应用软件，充分地利用ＧＬＯＮＡＳＳ系统，已初见成效。如美国ＪＡＶＡＤ公司ＧＰＳ接收机，利用超级集成技术，在芯片中集成４０个通用信道，把ＧＰＳ与ＧＬＯＮＡＳＳ的差异无端地缩小了，结合起来使用，使观测卫星增多。欧洲的ＧＮＳＳ系统：欧洲的策略是--尽可能地利用ＧＰＳ的星基或空基导航取代陆基导航，以达到最大的成本效益比。但也坚信不能依靠由他国军方控制的卫星系统来实现本国的导航，所以，正在积极建立自己卫星导航系统ＧＮＳＳ，它的目标是分二步走，首先发展一个民间ＧＮＳＳ－１，其主要内容是对现有ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ的星基进行增强，即利用静止卫星，面向欧洲范围内的导航提供服务，即ＥＧＮＯＳ计划，已于９５年启动，９９年实现初始运行能力，２００２年实现全运行能力。第二个目标建成ＧＮＳＳ－２，从区域性渐进地扩展成全球系统。日本也正在积极筹划建立日本的多功能卫星增强系统（ＭＳＡＳ）。在我国ＧＰＳ的开发研究与应用不断在深化和广化。特别是建立了全国永久性ＧＰＳ跟踪网和相应的通讯网络和数据处理设施，并发展成为我国ＧＰＳ的综合性服务体系，为国民经济建设、国防建设和社会进步提供了服务。ＧＰＳ接收机制造与生产也从无到有，工艺水平也不断在提高，价格大大地低于进口的同类产品。在不久的将来我国也将有自己制造和发射的卫星导航定位系统。 GPS定位过程简介 　　ＧＰＳ结合电子地图能够实现城市交通管理、车辆调度管理，公安、银行车辆，港口、河流船舶的自动导引与监控，具有巨大的应用潜力。根据地形图制作而成的矢量电子地图，ＧＰＳ坐标还需经过坐标转换才能正确与之匹配。下面将从ＧＰＳ定位坐标系、WGS-84大地坐标、地图投影、平面坐标变换等几方面详细讨论坐标匹配问题。GPS定位过程主要有如下几个步骤： （1） 确定用户的宇宙直角坐标系位置，即用户的X、Y、Z位置。 （2）宇宙直角坐标系至WGS-84大地坐标系的转换，既求出用户的WGS-84大地坐标位置λ、φ、h。 （3）坐标投影转换，即将球面坐标λ、φ、h转换成平面电子地图投影坐标，如高斯-克吕格投影坐标。 （4）二维平面相似性变换，即经过平移、旋转、缩放运算，达到其与电子地图的配准。 　　上述四个过程全部都是由计算机用程序自动计算获得，具体算法这里介绍从略。 4 基于GPS和电子地图的车辆自动导航系统的组成及功能 4.1 基于GPS和电子地图的车辆自动导航系统的组成 　　整个ＧＰＳ电子地图车辆动态引导系统构成如下图所示，它由主控计算机、液晶显示器、语音报警器、遥控器、组合导航处理器、ＧＰＳ传感器、速率陀螺仪、光驱等组成。主控计算机视用户需求不同，可以是通用计算机，也可以是专用处理器。