GPS卫星定位系统基础知识介绍

Global Positioning System，简称GPS，即全球卫星定位系统，近年来得到了越来越广泛的应用，已经产生了可观的GPS产品需求。并且随着科技水平的提高、应用方向的不断开拓，GPS将会不容置疑的迅速渗透到人们的日常生活中来。

我们经常提到的GPS定位系统由美国军方所设计、控制。除此之外，我国的北斗双星定位系统正在默默地为我国的现代化建设做贡献；俄罗斯的GLONASS系统也曾有过辉煌的历史；欧盟组织设计的伽利略卫星定位系统兼容目前广泛应用的GPS系统，在几年后将会给全球定位系统增添更加光彩的一页。

GPS系统由三大部分组成：空间部分、控制部分和用户部分。

空间部分是GPS人造卫星的总称。人造卫星的平均高度约20200Km，运行轨道是一个椭圆，地球位于该椭圆的一个焦点上；运行周期约12小时。在6个倾角约55°的轨道面上不平均地分布着近30颗导航卫星，部分为备用卫星，美国军方可通过地面控制部分调整工作卫星的数目。在GPS系统中，GPS卫星是动态的已知点，用户端所有的导航定位信息都是依据这个动态已知点发送的“星历”计算得到的。GPS星历，实际上是一系列描述GPS卫星运动及轨道的实时状态参数。民用GPS模块所接收到的广播星历是由GPS卫星以扩频通信方式通过导航电文直接向用户播发的用于实时数据处理的预报星历，在不同的载波上以不同的速率广播民用的伪随机码C/A码星历和军用的P码星历。

对于整个GPS系统来说，实际上地面控制部分是整个系统的核心。所有的GPS卫星所播发的用于导航定位的星历，都是由分布在地面的5个监控站提供的。地面系统负责监测GPS信号、收集数据、计算并注入导航电文，状态诊断、轨道修正等。正是有了地面监控系统的海量数据处理，才使得GPS系统精确运转。

我们常说的GPS定位模块称为用户部分，它像“收音机”一样接收、解调卫星的广播C/A码信号，中以频率为1575.42MHz。GPS模块并不播发信号，属于被动定位。通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收机的得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快，但误差大。初次定位的模块至少需要4颗卫星参与计算，称为3D定位，3颗卫星即可实现2D定位，但精度不佳。GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式的定位信息及辅助信息，供接收者选择应用。

GPS模块性能的评价指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、功耗、时间精度等。模块开机定位时间在不同的启动模式下有很大不同。一般来说，冷启动时间是指模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况，包括星历、时间等，一般标称在1分钟以内；温启动时间是指模块内部有较新的卫星星历(一般不超过2小时)，但时间偏差很大，一般标称在45秒以内；热启动时间是指关机不超过二十分钟，并且RTC时间误差很小时的情况。一般标称在10秒以内；重新捕捉时间就如同汽车钻过了一个隧道，出隧道时重新捕捉卫星。一般标称在4秒以内。

如果模块在定位后放的时间很久，或模块在定位后运输到几百公里以外的地方，这样模块内部有星历，但是这个星历是错误的或不具有参考意义的。在这些情况下，定位时间可能要几分钟甚至更久的时间。所以一般GPS模块出厂时要将模块内部的星历等数据清掉，这样客户拿到模块后可以冷启动方式快速定位。

定位精度可在静态与动态情况下进行考察，且动态定位效果优于静态定位。GPS模块所标称的定位参数是指在完全开放的天空下，卫星信号优良的情况下测得。所以在常规的测试中很难达到标称的定位时间与定位精度。常见的水平定位精度描述方式有两种：一是?m CEP，即圆概率误差，意指测出的点有50%的概率位于一个以真实坐标为圆心，以?m 为半径的圆内；二是?m 2DRMS，即2倍水平均方根误差，意指测出的点有约95.5%的概率位于一个以真实坐标为圆心，以?m 为半径的圆内。

GPS模块的定位精度取决于很多方面，比如来自于GPS系统的卫星钟差及轨道差、可见GPS卫星数量及几何分布、太阳辐射、大气层、多径效应等。另外，同一个GPS模块，还会因为天线及馈线质量、天线位置和方向、测试时间段、开放天空范围及方向、天气、PCB设计等原因产生不同的定位误差。即使是同一个厂家同一个型号的不同GPS模块使用天线分集器同时进行测试时，静态漂移量也会有差别。

GPS模块在实际应用中经常作为时间基准，辅以模块内部的RTC，可获得非常高精度的时间参考，为产品的设计提供了很大的方便。至于GPS测速，只是在获得经纬度的基础上，进行简单的计算实现的一种扩展应用。

GPS常见的天线是陶瓷平板天线，这种天线成本低，外部加有源放大电路，接收信号方向单一，增益比较高，所以采用最多。但它的缺点是体积大，易受温度影响产生频率飘移。如果把陶瓷面积做小，会影响接收增益；如果做薄，会影响接收天线接收带宽，还会受有源放大部分影响。目前使用效果很好的尺寸是25×25×4mm3。陶瓷片天线在实际使用时垂直向上放置时的效果最好。

GPS天线的信号传输线同样非常重要，包括外部馈线与PCB走线。只有在阻抗匹配时输出功率才可能最大。因此整个传输线要保证50Ω的高频阻抗，对于PCB上如何设计RF走线阻抗，有些小软件可以帮您很方便的计算。

作者：Stanley Zhang

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