基本介紹
- 中文名：美國GPS衛星導航系統
- 數量：由24顆衛星組成
- 精度：約為10米
- 用途：軍民兩用
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導航系統
數量
由24顆衛星組成；
軌道
高度約20200公里，分布在6條交點互隔60度的軌道面上；
精度
約為10米；
用途
軍民兩用；
進展
1994年全部建成，正在實驗第二代衛星系統，計畫發射20顆衛星，定位精度將達1毫米。
2003年5月25日，我國第三顆“北斗一號”衛星發射成功，6月1日，我國自主研發的“北斗運營服務平台”正式開通，這標誌著我國已經擁有了完全自主的衛星導航系統，北斗導航定位系統的大規模套用進入了實質性階段。 我國為何要建自主衛星導航系統？與全球定位系統（GPS）相比，北斗系統有哪些優勢和劣勢？市場前景如何？北斗星通衛星導航技術公司總裁周儒欣回答了上述問題。
導航的構成
空間部分
GPS的空間部分是由24顆工作衛星組成，它位於距地表20 200km的上空，均勻分布在6個軌道面上（每個軌道面4顆），軌道傾角為55°。此外，還有3顆有源備份衛星在軌運行。衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛星，並能在衛星中預存的導航信息還可用一段時間,但導航精度會逐漸降低。
地面控制系統
地面控制系統由監測站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天線(Ground Antenna)所組成，主控制站位於美國科羅拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站負責收集由衛星傳回之訊息，並計算衛星星曆、相對距離，大氣校正等數據。
用戶設備部分
用戶設備部分即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，並跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號後，就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬體和機內軟體以及GPS數據的後處理軟體包構成完整的GPS 用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般採用機內和機外兩種直流電源。設定機內電源的目的在於更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機後，機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便於野外觀測使用。其次則為使用者接收器，現有單頻與雙頻兩種，但由於價格因素，一般使用者所購買的多為單頻接收器。
兩極化發展
從2004年GPS導航儀在我國被套用到汽車領域始，由於GPS產品的便捷性和實用性，在很短的時間內就被廣大消費者所接受和追捧。在市場需求量大，產品利潤空間大等有利條件的促使下，中國GPS汽車導航儀等相關產品迅速走上高速發展道路。據不完全統計，至2006年，該年GPS產品銷售額已達近50億元。環比上年增長50.8%以上。
基於GPS產品的快速崛起，這個新興的產業立即吸引了大量的廠商參與，來角逐和分食這塊巨大的蛋糕。從2007年開始，中國GPS產業已進入相對成熟期，這時期市場的需求量進一步擴大，消費者對於GPS產品的認識程度進一步提升。隨著大量的廠商參與，激烈的市場競爭環境使得各廠商不得不使盡各路手段來占有市場份額，其中最顯著的一點就是壓縮利潤空間，控制生產成本，降低銷售價格，以此來擴大銷售額。因而GPS產品的價格呈現出垂直下降的趨勢，至2007年，部分品牌產品已接近千元大關。
從大的視野來看，這是不利於GPS產業良性發展的，原因在於大量不具備GPS產品研發和製造的廠商擠進這個行業，帶來了製造工藝上的不統一，大量廠商採用OEM代工的方式，從而直接產生了產品質量參差不齊，售後服務不完善等嚴重製約GPS產業良性發展的後果。表現在產品上除了產品質量不穩定以外，另一方面就是功能款式同質化傾向的濫觴。這些都在極大程度上成為了GPS產品前進的絆腳石。
發展到2009年，市場格局發生了新的變化，中國GPS產業開始呈現出兩極化發展趨勢。進入新的時期，消費者對於產品的需求開始轉向價值上，單純價格消費固然占據主流模式，但也漸漸出現兩極分野。從品牌上看，亦分為兩極化發展傾向，一類是以OEM等廠商為代表的加工型品牌，依然利用價格優勢走低價路線，其產品依然缺乏創新，質量依然不穩定，資源依然不豐富。隨著消費開始趨向理性，單純以價格取勝的模式將漸漸退出歷史舞台。而另一類則是以行業知名品牌如新科、Anygo等為代表的企業，注重在產品研發和程式最佳化上，為用戶帶來更人性化、更方便的使用享受。這些品牌注重以質量取勝，以採用加強企業管理，控制生產成本等不影響產品品質的方面降低產品銷售價格，從而真正讓利於消費者。成為車載GPS發展新的方向，新產品以及新的行銷思路將推動整個產業走上理性發展道路。
GPS信號的組成
載波
測距碼
測距碼有兩種，都屬於偽隨機噪聲碼（Pseudo Random Noise，簡稱 PRN）：C/A 碼（Coarse/Acquisition Code）和P碼（Precise Code）。
C/A碼（Coarse/Acquisition Code）是用於進行粗略測距和捕獲P碼的粗碼，也稱捕獲碼。周期為1毫秒，一個周期含有碼元即碼長=2 - 1=1023，每個碼元持續的時間即碼元周期=1ms/1023=0.977517微秒，相應的碼元寬度為293.05米。C/A碼是一種公開的明碼，可供全球用戶免費使用。但C/A碼一般只調製在載波上，所以無法精確地消除電離層延遲。測距精度一般為±（2~3）米。
是開放給民間使用的GPS衛星傳送標準定位信號，它包含有GPS接收機用來確定其定位與時間方面的訊息，精確度在100米左右。
這裡所提的C/A碼是指GPS所散布的序列，以下只討論L1信號部分。在GPS中用的C/A碼是一個群集，它們通常又被叫做偽隨機噪聲（Pseudorandom Noise,PRN）序列，因為它們有著噪聲的部分性質，GPS的C/A碼里有著1023個元素，這裡面含有512個1與511個0，他們的排列是看起來仿佛隨機的，但是卻是完全可決定的，因此叫做偽隨機噪聲序列。
這些序列最重要的性質有兩個：
- 幾乎沒有互相關：所有的C/A碼彼此之間幾乎沒有相關，也就是說，從i衛星得到的和從J衛星得到的兩個碼。
- 幾乎沒有自相關，除了零延遲：所有的C/A碼幾乎沒有自相關，除了零延遲利用這兩個性質，可以做GPS信號擷取。
P碼
P碼是精確測定從GPS衛星到用戶接收機距離的測距碼，也稱精碼。實際周期為一周，碼長為6.1871 × 10碼元，碼元周期0.097752微秒，相應碼元寬度為29.3米。P碼同時調製到載波和載波上，測距精度為0.3米。因其巨大的軍事價值，1994年起美國實施了AS政策，故目前只有美國及其盟友的軍方以及少數美國政府授權的用戶才能夠使用到P碼。普通用戶可以先捕獲C/A碼，在通過導航電文提供的數據計算出P碼在整個序列碼中的位置。
導航電文
光有測距碼用戶還不能夠得到每顆衛星的詳細信息。因此GPS系統將導航電文調製在測距碼前，導航電文中包含了反應衛星在空間位置、衛星鐘的修正參數、電離層延遲改正數等GPS定位所必要的信息，因此導航電文也稱數據碼（Data Message，D碼）。
導航電文是具有一定格式的二進制碼，以“幀”為單位向用戶傳送。每幀電文含有1500bit，傳輸速率為50bit/s。每個主幀包含5個子幀：
- 子幀1包含有衛星鐘改正數、GPS周數（Week Number）和衛星工作狀態信息。
- 子幀2和子幀3主要向用戶提供有關計算衛星在軌位置的信息，包括廣播星曆參數和數據齡期（Age of Data Offset，簡稱AODO）。
- 子幀4和子幀5提供了衛星導航、星座曆書等信息。
計算步驟
1．計算衛星運行的平均速度n
2．時間tk計算
3．計算觀測瞬間的衛星平近點角
4．計算偏近點角Ek
5．計算真近點角Vk
6．計算升交距角φk
7．計算攝動改正項δ u、δ r、δ i
8．計算經過攝動改正的升交距角uk、衛星矢徑rk、和軌道傾角Ik
9．計算衛星在軌道平面上的位置
10．計算觀測時刻的升交點經度f
11．計算衛星在地心坐標系中空間直角坐標
12．衛星在協定地球坐標系中的坐標計算
