从“黑科技”GPS定位鞋解读GPS的构成

笑笑

编者按
       在“手机定位20-2期”中，数据恢复四川省重点实验室学术委员会副主任、原某研究所信息安全技术高级工程师王宁老师详细介绍了GPS卫星定位技术的运作原理及如何运用手机GPS定位功能进行自救。本期，他将结合GPS在实际生活中的应用，解读GPS卫星定位系统的构成。

新闻回放：“黑科技”GPS定位鞋问世
       最近,英国设计师Dominic Wilcox设计出了一款“黑科技”产品——GPS定位鞋，它的设计灵感来自童话故事《绿野仙踪》里女主角桃乐丝的鞋子。这款GPS定位鞋内置GPS装置，使用者只需要在鞋内的GPS设备中编入想要到达的目的地，这双“GPS鞋”就会带领你直达目的地。

【 GPS定位鞋】

       你也许会觉得GPS定位鞋很神奇，其实不然，它与车载、船载GPS导航仪、GPS测绘设备、内置GPS功能的手机等移动设备一样，都属于GPS系统组成中的用户设备部分。当你了解GPS系统构成之后，你就会明白其中的运作原理。

专业解读：GPS系统的构成
GPS系统=空间部分+控制部分+用户部分

【GPS系统组成示意图】

1、空间部分
组成：24颗工作卫星
       GPS的空间部分是由24 颗（21颗工作卫星+3颗备用卫星）工作卫星组成，它位于距地表20 200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ，运行周期为12个小时，保证地球上任一时刻、高度角15度以上的任一地点都能够观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象，这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

作用：提供重要参数
       导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星时钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。

【GPS空间部分组成卫星 】

2、控制部分
组成：1个主控站+5 个全球监测站+3 个地面控制站
       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,然后将结果送到3 个地面控制站。

       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受机。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。

       地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

作用：监测和控制卫星运行
       GPS地面控制部分的主要作用是监测和控制卫星运行，编算卫星星历(导航电文)，保持系统时间。

       对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历(描述卫星运动及其轨道的参数)算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。

       地面监控系统的另一个重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准(GPS时间系统)。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。

【GPS全球监控站示意图】

3、用户部分
组成：GPS 用户设备
       GPS用户部分主要由接收机硬件、GPS芯片、机内软件以及GPS 数据的后处理软件包等共同构成GPS 用户设备，包括车载、船载GPS导航仪、GPS测绘设备、内置GPS功能的手机等移动设备，都属于GPS用户设备，也被称为GPS 接收机。

       GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源，设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。

作用：跟踪和接收卫星信号
       用户设备部分即GPS 信号接收机，其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，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，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息，是GPS系统的消费者。

【GPS车载导航仪】

       简言之，我们日常生活中常见的手机、车载、船载、机载等GPS导航设备，以及近年来兴起的GPS定位鞋、定位书包、定位拐杖等，都是GPS系统组成中的用户设备部分。只要具有用户具备必要的硬、软件（接收机硬件、GPS芯片、机内软件以及GPS 数据的后处理软件包等），就能实现相关的定位功能。清楚了以上关于GPS系统的组成及运作原理，可以让我们更好地运用这些设备，为工作和生活提供更多便利。

小结
本文详细介绍了GPS卫星定位系统的构成和运作原理，关于GPS的诞生背景以及在军事领域内的应用，我们将在下期深入分析，敬请期待！

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