GPS技术的理论研究

GPS技术的理论研究

潘井华

淄博万杰肿瘤医院设备科

1.空间部分

GPS全球定位系统空间部分由27颗卫星组成，其中包括24颗工作卫星和3颗备用卫星,这些卫星均匀分布在距地表面20200千米的6个轨道面上(每个轨道面均为4颗工作卫星),这些轨道的倾角为55°。为达到让这些卫星提供在时间上不间歇的导航能力，必须保证在全球的任何地方任何时间都可以观测到4颗以上的工作卫星,并且其几何图象应该具有良好定位解算精度。

2.地面控制

地面控制由一个主控站5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将计算出来的结果送给地面控制站。

3.用户设备部分

用户设备是指GPS用户接收机。主要原理是捕获待测卫星，当接收机接收到卫星信号后，可解调出卫接收机到卫星的伪距离和速度等数据。根据数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出接收机所在地点高度、经纬度、时间、速度等信息。用户接收机的结构由接收单元和天线单元两部分组成。目前市场上各种各样GPS用户接收机体积做得越来越小，重量也做得越来越轻，非常适合户外观测使用。

由上面叙述，GPS全球导航系统的工作卫星地作用就是不断的发射导航电文。但是GPS用户接受机使用的时钟绝大多数情况下是不可能和卫星星载时钟是同步的，所以除了GPS用户接收机的坐标（x，y，z）之外，还要引入一个时间差Δt作为未知数，即卫星星载时钟与GPS用户接收机之间的时间差，然后用4个联立方程组将这4个未知数（x，y，z，Δt）解出来。所以至少要能接收到4个卫星的信号才能知道GPS用户接收机所处的地理位置坐标。GPS的伪距定位原理，如图2.3所示。假设在t时刻地面待测点上（x，y，z）处安装了GPS接收机，那么就可以测定GPS信号到达用户接收机的时间△t，再加上用户接收机所接收到地卫星星历数据可以确定以上四个方程式。

其中，卫星坐标为(Xi，Yi，Zi)，其中i=1,2,3,4，GPS接收机坐标为(X，Y，Z)。PR1，PR2，PR3，PR4是测量的伪距，C是电磁波的速度，△t是用户时钟偏差。四个方程，四个未知数，故X，Y，Z，△t有且仅有一个确定解，故理论上只要能测到四个卫星则可以确定用户接收机的地位位置信息。

GPS数据协议

为了在不同的GPS导航设备中建立一个统一的海事无线电技术委员会标准，美国国家海洋电子协会（NMEA）制定了一套统一的通讯协议NMEA-0183。GPS接收机接收到的数据根据NMEA-0183协议的标准来规范，将位置和速度等各种定位信息通过串口传送到定位系统或者传送到计算机。

NMEA-0183协议是目前GPS接收机上使用最为广泛地协议，当然也有少部分厂商的设备使用自行制定的协议。NMEA-0183协议定义的语句主要有以下六种$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV、$GPGSA、$GPGLL、$GPVTG。

GPRS通信技术

通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)，即GPRS，是传统的GSM网络到3G网络的一个过渡网络，被称作2.5G网络。GPRS是在网络上进行了软件升级，同时增加一些硬件支持设备，进而形成的一个新网络实体，它能够提供端到端的广域无线IP连接。理论上GPRS带宽可以达171.2Kbps，然后由于各种原因它的实际应用带宽大概在40到100Kbps，能够提供快速即时地TCP/IP连接，分组交换接入时间为少于1s，，多个无线信道能够同时被一个用户占用，同时同一个无线信道又可以被多个用户共享，资源被大大的利用起来。通用分组无线业务是一种新的移动通信业务，目的是为了给用户提供一种分组形式的数据业务，它在用户和数据网络之间提供一种连接，给用户提供高速IP服务。

GPRS网络总体结构

GPRS无线通信网络是在现有GSM网络中引入3个主要组件来实现的，这样用户便能够在端到端的分组方式下接收和发送数据。GPRS系统结构如图2.4所示。

GPRS网络服务支持结点SGSN(ServingGPRSSupportingNode)

GPRS网络网关支持结点GGSN(GatewayGPRSSupportingNode)

分组控制单元(PCU)

如图1.2中，GPRS分组方式是从基站发送到GPRS服务支持节点SGSN的，而不是通过移动交换中心MSC来连接到语音网络上的。SGSN与GPRS网关支持节点GGSN进行通信；GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络。来自因特网标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。

GPRS网络特点

GPRS无线数据通讯作为无线通讯业务最为主要地使用方式，它与其它无线通讯方式相比具有高速数据传输，永远在线，且仅按数据流量计费等许多优点。因此GPRS网络的数据通讯业务在各种行业中如电力、金融、汽车等得到了非常广泛的应用。GPRS作为2.5G网络，是第二代移动通信向第三代移动通信技术地过渡技术，具有高速数据传输、永远在线、按传输流量计费三大优势。