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关于GPS信号接收到和导航电文格式  

2007-09-13 14:19:46|  分类: 科普知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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什么是GPS,全球定位系统属于美国第二代卫星导航系统,是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样,全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。该系统的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座。 21+3颗卫星均为近圆形轨道,运行周期约为 11 小时 58 分,分布在六个轨道面上(每轨道面四颗),轨道倾角为 55 度。卫星的分布使得在全球的任何地方,任何时间都可观测到四颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP)。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

GPS 卫星已发展至Block II型式的定位卫星,由Rockwell International制造,在轨道上重量约1,900 磅,太阳能接收板长度约17尺,于1994年完成第24 颗卫星的发射。因此目前太空中有24颗GPS卫星可供定位运用,绕行地球一周需12恒星时[1],每日可绕行地球 2 周,这也就是说,不论任何时间,任何地点,至少有4颗以上的卫星出现在我们的上空。

目前全球有五个地面卫星监控站,分布于夏威夷、亚森欣岛、迪亚哥加西亚、瓜加林岛、科罗拉多泉,这些卫星地面控制站,同时监控GPS卫星的运作状态及它们在太空中的精确位置,主地面控制站更负责传送卫星瞬时常数 (Ephemera's Constant) 及时脉偏差(Clock Offsets)的修正量,再由卫星将这些修正量提供给GPS接收器做为定位运用。

        GPS系统的优势包括:

1)定位精度高

  应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6 ,100-500KM 可达10-7,1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中,1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于 1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较,其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。

 2)观测时间短

  随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20KM以内相对静态定位,仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15KM以内时,流动站观测时间只需1-2分钟,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟。

 3)测站间无须通视

  GPS 测量不要求测站之间互相通视,只需测站上空开阔即可,因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视,点位位置可根据需要,可稀可密,使选点工作甚为灵活,也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

 4)可提供三维坐标

  经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

 5)操作简便

  随着GPS接收机不断改进,自动化程度越来越高,有的已达“傻瓜化”的程度;接收机的体积越来越小,重量越来越轻,极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。

 6)全天候作业

目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

 7)功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航,还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S ,测时的精度可达几十毫微秒。

可以看到,GPS应用领域正在不断扩大。当初设计GPS系统的主要目的是用于导航,收集情报等军事目的。但是,后来的应用开发表明,GPS系统不仅能够达到上述目的,而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位,米级至亚米级精度的动态定位,亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。

 综上所述,全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点,是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断地开拓,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。经近10年我国测绘等部门的使用表明,GPS以全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

其实GPS系统包括三大部分:空间部分——GPS卫星星座;地面控制部分——地面监控系统;用户设备部分——GPS信号接收机。

在GPS信号接收时,会受到很多的外界的干扰,比如有云层电离层,还有的就天气的影响,等等都会对信号造成误差的,这些我们不用管,我们现在关心的是GPS导航电文格式如何解析,格式如下:

首先要明确GPS电文的数据结构,下面是一段GPS导航电文的片断:

$GPGGA,091047.00,3959.7618,N,11619.5350,E,1,07,2.3,60.0,M,-6.5,M,,*4A

$GPGLL,3959.7618,N,11619.5350,E,091047.00,A*0C

$GPGSA,A,3,02,30,24,04,17,23,05,,,,,,2.8,2.3,1.7*3E

$GPRMC,091047.00,A,3959.7618,N,11619.5350,E,0.0,0.0,140105,,*3A

$GPVTG,0.0,T,,,0.0,N,0.0,K*2D

$GPGSV,3,2,12,02,45,287,45,13,31,091,,05,27,293,48,17,23,270,37*7E

$GPZDA,091048.00,14,01,2005,,*61

电文中每一行所代表的含义有所不同,具体的定义如下:

①GPGGA GPS定位数据

     所有的信息由$开始,以换行结束,紧跟着$后的五个字符解释了信息的基本类型,多重的信息之间用逗号隔开.<CR>:,回车控制符 <LF>:,换行控制符

$ GPGGA, hhmmss, XXXX.XXXX, N/S, XXXXX.XXXX, E/W,

1        2       3        4       5

X, XX, XXX, 0/-XXXX, M, 0/-XXX, M, XXX, XXXX *hh<CR><LF>

6   7   8       9    10    11   12  13   14   15

 

1:世界时(UTC): hh:时 mm:分 ss:秒

北京时间(东八时区)=UTC+8(小时)

2:纬度:           “度度分分.分分分分”方式表示。小数点后也以分为单位

3:N:北纬          S:南纬

4:经度:           “度度度分分.分分分分”方式表示。小数点后也以分为单位

5:E:东经          W:西经

6:GPS质量指示      0:未定位1:GPS定位2:差分GPS定位

7:使用到的卫星数   0~12

8:HDOP值           水平方向的定位精度劣化程度系数。

3 维定位时也会输出HDOP值。但在未定位时输出“099”。

如果输出语句的经纬度输出设置精度达不到1/10000时,小数点后省略。

9:天线高度         0:正数,高于海平面 -:负数,低于海平面

10:天线高度单位    m

11:地理高度        0:正数,高于海平面 -:负数,低于海平面

12:地理高度单位    m

13:DGPS修正经过的时间 差分数据时龄 单位=秒

14:差分基准站发播的ID编号

15:校验和

②GPGLL 地理位置,纬度/经度

$ GPGLL, XXXX.XX, N/S, XXXXX.XX, E/W *hh <CR><LF>

1      2       3      4   5

1:纬度

2:N:北纬      S:南纬

3:经度

4:E:东经      W:西经

5:校验和       算法同①

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