gps原理及应用(gps原理与应用期末考试)

最近，随着我国北斗导航系统的建成，全球定位系统(GPS)这个与GPS相关的话题越来越热。我发现很多人并不真正了解GPS的基本工作原理。那么我就用一篇短文，尽可能简单的给大家介绍一下GPS的基本工作原理。

GPS说到底是解决我在哪里的问题。因为，如果我在一片广阔的沙漠或海洋中。如果我不知道自己在哪里，那么我就无法确定要走的方向。这往往是我迷路的时候。所以，在周围没有参照物的海洋或沙漠或草原上。知道我在哪里变得很重要。其实解决我在哪里的问题，我只需要GPS提供一个空之间的坐标。这个空坐标在地球表面，实际上是一个二维坐标。有人说，地球不是立体的吗？听着，你想定位地球上的一个点，只要给它一个纬度和经度。所以一般来说，有个二维坐标就够了。当然，如果用于军事目的，比如要打击某个目标，比如高地或者盆地，就需要三维坐标。这种二维坐标是不够的，因为它需要高度信息。我们一般在地面上跑，这个二维坐标就够了。美国的GPS在二维坐标上是开放民用的，高度坐标也不是没有，但是加扰后误差非常大。然后，如果你知道你的经纬度，或者你知道一个二维坐标，再加上一张使用相同坐标系的地图，那么你就知道你在地图上的具体位置。

地球表面的二维坐标（经纬度线）地球表面的二维坐标(纬度和经度线)

所以我怎么知道我在哪里？众所周知，每套GPS中都有20多颗卫星绕地球运行。其实只要知道你和他们三个的距离，就可以计算出你的空坐标。为什么这么说？因为所有的导航卫星都在轨道上运行，所以每颗导航卫星都时刻知道自己的位置。因为我们现在用的是三坐标定位。所以只要知道你和三颗导航卫星之间的距离，就可以计算出你在这个坐标系中的位置。那么，如何测量你和导航卫星之间的距离呢？其实宇宙中最精准的标尺空就是光速。因为光速在宇宙中是不变的空。你只需要测量光从导航卫星传到你这里所需要的时间。然后把这个时间乘以速度，就是s=vt。距离不难计算。

现在我们要研究从导航卫星到你的时间是怎么测算的。实际上，导航卫星在发出的导航信号中包含了它自己的位置信息和它发出这个信号的时刻的时间信息(这叫做电报)。由于无线电波在宇宙中的速度空是光速，所以当你接收到这个信号的时候，相对于它发出信号的那一刻，肯定有一个滞后。这个滞后时间是无线电波从导航卫星传到你这里所需要的时间。然后你拿这个时间乘以光速，然后算出你和导航卫星的距离。如果你能收到三颗导航卫星的信号，你就有了你和这三颗导航卫星之间的距离。此时，您可以算出您的空坐标。

其实这里有一个小问题。你拿着这个听筒。他的钟可能不够准确。我们现在一般用手机导航。这个手机的时钟误差很大。有可能你看到接收导航信号的时间比导航卫星的时间早，这显然是错误的。所以你一定要把自己接收机的时间和别人导航卫星的系统时间对准。这是导航系统的另一个功能，即所谓的定时功能。导航系统有非常精确的时间系统。只有校准手机和导航标准时间的误差时间，才能准确知道你收到这个导航卫星的信息用了多长时间。有了这个准确的时间，你就可以计算出你离它的距离。那么，如何才能校准当地标准时间呢？里面是有算法的。只要收到四颗导航卫星的信号就可以算出准确的当地时间(具体算法我就不细说了)。也就是说，你可以通过计算你和三颗导航卫星之间的距离来定位自己，但是现在你需要第四颗导航卫星的信号来校准你的本地时钟。所以一般来说，你至少要收到四个导航卫星信号，才能开始定位。

那么，GPS需要多高的时钟精度才能提供精确的导航呢？我们举个例子来计算一下:假设定位精度为3m，那么光速= 300，000，000 m/s，那么这个钟的精度至少应该是3/3000000 = 0.0000001秒，也就是10nS。可见。导航的精度拼的是什么？它显示了时钟的精确度。其实这三米的导航精度都不是很高。我们的车只有不到2米宽，还差3米一个半车位。如果你把导航精度提高到0.3米，那么你的走时精度应该在1纳秒以内，也就是十亿分之一秒以内！所以这个精度挺高的！那么现在我们的北斗导航卫星装的是什么呢？这是带有氢脉泽的铷原子钟。据说可以达到十亿分之三的精度，从而实现分米级导航！其实这个铷原子钟在地面上做起来还是比较容易的。但是，星载原子钟的难度要大得多。因为原子钟对环境的稳定性要求很高，比如需要恒温恒压，电磁环境一定很高。如果放在环境非常恶劣的卫星上，就很难达到这么高的精度。所以导航系统最难突破的就是这种可以放在卫星上的高精度原子钟。

在此，要向北斗导航工程团队致敬。经过20多年的奋斗，他们克服了无数的艰难险阻，终于取得了巨大的成功！