小王子分享 GPS定位 GPS信号

GPS定位始于从已知点（GPS卫星）发射的时间信号。接收信号的时间与接收时间之差决定了到该卫星的距离。类似地，计算到其他三颗卫星的距离。测量到这三颗GPS卫星的距离即可确定接收器的位置。然而，仅计算到三颗卫星的距离并不精确。这是因为接收器的时钟会产生距离误差。卫星配备了精确的原子钟，因此不存在时间误差。但是，接收器的时钟精度不如卫星，因此仍然存在误差。现在，我们考虑第四颗卫星。通过计算由前三颗卫星计算出的位置，并结合第四颗卫星的时间计算出当前位置，可以减少误差。图1-3展示了一个二维定位的示例。
已知两个已知点及其到这两个点的距离，即可确定当前位置。同时，还可以确定精确时间。将 A 点和 B 点放置在 GPS 卫星上，并添加其他已知点，即可构成整个系统。

关于GPS信号

GPS卫星发射多个频率的信号，包括L1（1575.42 MHz）、L2（1227.60 MHz）和L5（1176.45 MHz）。最常用的信号是C/A码，可供民用。C/A码由每颗卫星的识别码和导航信息组成，导航信息同时传输。卫星自身的轨道信息数据称为星历*1，所有卫星的轨道数据称为星历*2。该导航信息的传输速率为50比特/秒。距离的测量和计算均基于此信息。C/A码如图1-4所示，导航信息汇总如图1-5所示。

*1 星历数据：
这是轨道数据，指示用于位置计算的卫星的确切位置，并且是仅由具有广播卫星编号的卫星使用的唯一数据。

*2 关于星历数据
：这是星历数据的简化版本。它包含所有当前运行卫星的简单轨道数据，包括接收信号的卫星。GPS接收器使用它来查找可用卫星，以确定它们的当前位置和时间。获取所有数据需要12.5分钟。

• 关于C/A代码

• 来自GPS卫星的L1信号采用称为C/A码的伪随机码进行相位调制。伪随机码也称为PRN（伪随机噪声）码，并被称为黄金序列。如图所示，C/A码是由连续的“1”和“0”组成的数字信号模式。在GPS中，这种“1”和“0”的模式会重复1023次，然后返回开头并重新开始。

• 导航信息

• 导航信息共包含 25 个帧。每个帧由 5 个子帧组成。每个子帧包含 300 位，1 位数据长度为 20 毫秒。一个子帧的周期为 6 秒，整个帧（5 个子帧）包含 1500 位。因此，一个帧的周期为 30 秒。由于数据帧总数为 25 个，因此周期为 30 秒 × 25 = 12.5 分钟。GPS 接收器首次开机时，需要 12.5 分钟来收集所有必要数据。GPS 接收器使用内部备用电池存储先前收集的数据，并在开机后读取这些数据，从而快速切换到定位模式。

GPS定位误差因素

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DOP（精度因子）是一个表示GPS定位精度下降程度的数值。数值越小，精度越高。该值取决于GPS卫星的位置，卫星在天空中均匀分布时精度更高。

信号强度

信号强度指示接收状态。信号强度越高，GPS定位越稳定。但是，如果接收器附近有噪声源或障碍物，信号强度就会降低，无法实现稳定的GPS定位。

用于定位的卫星数量

 

卫星数量会影响GPS定位的接收质量。
接收到的卫星越多，GPS定位就越稳定。反之，卫星越少，GPS定位就越困难。图1-11展示了卫星数量较多时的情况。