試論GPS的工作原理及其在生活中的應用

朱海印

摘 要：GPS技術的發展為我們開啟了一個嶄新的時代，尤其是近年來，隨著各行各業呈現出強勁的發展勢頭，GPS在日常生活中的應用領域也隨著技術的更新不斷拓寬。GPS不僅可以用于軍事專業領域，還可用于車輛導航、航空定位、工程測量、電力通訊、智能交通等生活領域。尤其在互聯網時代，借助計算機網絡手段，GPS為人們的生產生活提供了信息化、智能化、人性化的系統服務，有著廣闊的發展前景。該文在介紹GPS原理的同時，就GPS在生活領域的具體應用進行了深入探討。

關鍵詞：GPS 基本原理 應用

中圖分類號：V241.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（b）-0028-02

GPS最早是由美國國防部研發的一種全球衛星系統。它的初始目的是用于軍用導航，20世紀50年代，美國為了與蘇聯開展“太空競賽”，美國空軍開始研發這種能精確時間、精確定位的衛星系統[1]。隨后，世界上其他諸如俄國、歐盟等陸續開始研發衛星導航定位系統，并廣泛應用于大地、工程測量，隨著全球網絡發展的加快，GPS也越來越多地應用到汽車導航、手機等我們觸手可及的生活領域。

1 GPS工作原理

1.1 GPS的構成

GPS系統主要由空間段、控制段和用戶段3部分構成。其中，空間段由分布于6個軌道上的24顆衛星構成[2]。衛星使用兩個L波段的無線電載波向地面用戶發出導航定位信號，導航定位信號里有衛星的位置信息，衛星作為動態的已知點存在。GPS可實現地球任何位置和時刻內高度為15°以上6顆衛星的信號跟蹤，多則達到9顆。同時可連續向地面用戶提供相應的位置和時間信息。控制段通常由分布于全球的主控站、監測站和注入站構成。主控站位于美國科羅拉多州。監測站負責跟蹤視野內GPS衛星收集到的衛星測距信息，并將信息送達主站。主控站根據監測站收集到的觀測數據，對衛星的軌道參數、鐘差參數進行計算，同時編制成導航電文，送達注入站，再由注入站送入相應衛星的存儲器中。用戶段一般由GPS接收機、數據處理器及計算機系統構成。GPS接收機根據捕獲待測衛星信號，對運行衛星進行跟蹤，同時交換和處理信號，通過計算機等系統軟件解算出經基線、網平差，進而計算出測站點的三維坐標。

1.2 GPS信號

衛星發射導航信號的單位為兩種截然不同的擴頻碼。一種是粗碼，另一種是精碼。前者免費為公眾提供，為一種偽隨機碼，碼片速率以毫秒重復計算。每顆衛星的粗碼都可以單獨識別，后再從其他衛星發射的同頻率信號中接收；而精碼則通常經過加密處理，集中應用于軍事領域[3]。精碼每周實施重復，一旦開啟“反欺騙”模式，被加密進而產生精碼，解碼也只能用有效密鑰設備。無論哪一種擴頻碼，GPS導航信號都能精確地傳遞給用戶。

1.3 GPS工作的基本原理

GPS工作的實現主要利用三角測量方法，或者三邊測量方法。經過三角測量計算，GPS可采取以下步驟來確定位置，并利用衛星來確定具體距離，衛星中的定位探測器接收機位于“三角”衛星中第一顆的圓心球面上，第二顆衛星負責確認接收機在兩個球面的交叉線。第三顆衛星則與上述的交叉線形成交叉點，其中一個位于地球地面的交叉點就是接收機所在位置。

2 GPS在生活中的應用

2.1 GPS在工程測量中的應用

利用GPS進行測量工作，具備測量精度高、觀測時間短、測站之間無需通視、儀器操作簡便及全天候作業的優點[4]。GPS提供的三維坐標，可同時完成測站點三維坐標的精確測量。在工程外業作業中，GPS控制選點、布網相當靈活，在復雜的地形條件下尤顯其不受網形、通視限制的優越性；同時，GPS對工程的觀測主要受衛星信號和衛星空間分布的影響，而工程測量站點的GPS接收機基本實現了自動化與智能化，觀測時間大大減少，觀測中按照工程選點要點，選擇了最佳時段觀測，極大降低了工程測量的作業強度。

2.2 GPS在航空攝影中的應用

利用GPS技術進行航空攝影作業，可以動態定位時刻，根據動態位解算得出一系列拍攝坐標序列，拍攝過程中，GPS利用天線對拍攝的中心位置進行推算。為確保曝光時間內插的精確度，拍攝中要同時關注GPS采樣的時刻，利用內置的扦插器（CET）將曝光的時間插入。飛機在航空拍攝中，攝影機會同時放出一個同步脈沖，計算機將脈沖數據處理后，曝光時間轉化為GPS時間，這樣就能準確獲得曝光時間所在攝影站的空間位置。利用GPS進行航空三角測量，不僅降低了人工定位的工作難度與強度，還大大節省了攝影站定位的時間成本，有著廣闊的應用空間。

2.3 GPS在汽車導航中的應用

將GPS用于汽車導航系統，即是將地理信息系統、現代通信技術與GPS3種技術有機結合，通常以汽車導航設備的形式存在[5]。有了GPS的幫助，汽車導航系統在電子地圖的配合下，能快速、準確、實時為駕駛員指出最快捷的交通路徑。此外，汽車導航儀在GPS的定位支持下，還具備自動跟蹤汽車周邊地理信息的功能，包括汽車行駛路段的路況、天氣狀況等。當前，GPS技術基礎上的汽車導航系統已不僅限于導航這一種功能，還能實現對車輛的實時監控、車輛超速報警、行駛信息保管、自建圖層、車輛調度等工作，日漸成為汽車駕駛員的好幫手。

2.4 GPS在緊急救援中的應用

GPS定位的實時性、準確性決定了它在突發事件緊急救援中必然有著不可替代的作用。GPS在緊急救援中的實現，主要通過計算機信息系統、語音通信系統、GPS子系統和車載終端聯合完成[6]。在實際運作中，當生活中某地點發生突發事件，有人撥打緊急求救電話，首先由調度人員在GPS子系統的幫助下，通過GSM網絡向救護車車載GPS系統發出求救的調度信息，救護車同步精確定位，第一時間內完成救援工作，這樣一來，確保緊急救援的及時性和救援效率。

3 結語

GPS已日趨成為當今世界不可缺少的信息源，伴隨科學技術的不斷進步，GPS有著更加廣闊的應用前景。放眼我們身邊的生活，GPS已經不再只是探險家們“發燒”級設備，GPS無處不在，工程測量、交通導航、航天攝影、緊急救援等等，GPS已成為現代人生產生活的必需品和重要輔助工具。正如業內人士預言，GPS未來的發展將超乎我們想象。

參考文獻

[1] 李清吉，曹傳萌.GPS定位系統[J].科技信息（科學教研），2013（12）：34.

[2] 馬鐵軍.基于GSM、GPS、GIS技術的城市緊急救援指揮系統[J].河北省客學院學報，2012（3）：53.

[3] 陳綿清.淺談GPS技術應用于工程測繪[J].科技致富向導，2012（5）：78.

[4] 吳云，周義炎.GPS應用的新拓展[J].國際地震動態，2013

（8）：263-265.

[5] 張紅，龔曉峰.GIS和GPS在交通中的應用[J].微型電腦應用，2011（12）：187-189.

[6] 曹沖.GPS的應用現狀及發展前景[J].全球定位系統，2013

（9）：68-69.