试论GPS的工作原理及其在生活中的应用

朱海印

摘 要：GPS技术的发展为我们开启了一个崭新的时代，尤其是近年来，随着各行各业呈现出强劲的发展势头，GPS在日常生活中的应用领域也随着技术的更新不断拓宽。GPS不仅可以用于军事专业领域，还可用于车辆导航、航空定位、工程测量、电力通讯、智能交通等生活领域。尤其在互联网时代，借助计算机网络手段，GPS为人们的生产生活提供了信息化、智能化、人性化的系统服务，有着广阔的发展前景。该文在介绍GPS原理的同时，就GPS在生活领域的具体应用进行了深入探讨。

关键词：GPS 基本原理 应用

中图分类号：V241.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（b）-0028-02

GPS最早是由美国国防部研发的一种全球卫星系统。它的初始目的是用于军用导航，20世纪50年代，美国为了与苏联开展“太空竞赛”，美国空军开始研发这种能精确时间、精确定位的卫星系统[1]。随后，世界上其他诸如俄国、欧盟等陆续开始研发卫星导航定位系统，并广泛应用于大地、工程测量，随着全球网络发展的加快，GPS也越来越多地应用到汽车导航、手机等我们触手可及的生活领域。

1 GPS工作原理

1.1 GPS的构成

GPS系统主要由空间段、控制段和用户段3部分构成。其中，空间段由分布于6个轨道上的24颗卫星构成[2]。卫星使用两个L波段的无线电载波向地面用户发出导航定位信号，导航定位信号里有卫星的位置信息，卫星作为动态的已知点存在。GPS可实现地球任何位置和时刻内高度为15°以上6颗卫星的信号跟踪，多则达到9颗。同时可连续向地面用户提供相应的位置和时间信息。控制段通常由分布于全球的主控站、监测站和注入站构成。主控站位于美国科罗拉多州。监测站负责跟踪视野内GPS卫星收集到的卫星测距信息，并将信息送达主站。主控站根据监测站收集到的观测数据，对卫星的轨道参数、钟差参数进行计算，同时编制成导航电文，送达注入站，再由注入站送入相应卫星的存储器中。用户段一般由GPS接收机、数据处理器及计算机系统构成。GPS接收机根据捕获待测卫星信号，对运行卫星进行跟踪，同时交换和处理信号，通过计算机等系统软件解算出经基线、网平差，进而计算出测站点的三维坐标。

1.2 GPS信号

卫星发射导航信号的单位为两种截然不同的扩频码。一种是粗码，另一种是精码。前者免费为公众提供，为一种伪随机码，码片速率以毫秒重复计算。每颗卫星的粗码都可以单独识别，后再从其他卫星发射的同频率信号中接收；而精码则通常经过加密处理，集中应用于军事领域[3]。精码每周实施重复，一旦开启“反欺骗”模式，被加密进而产生精码，解码也只能用有效密钥设备。无论哪一种扩频码，GPS导航信号都能精确地传递给用户。

1.3 GPS工作的基本原理

GPS工作的实现主要利用三角测量方法，或者三边测量方法。经过三角测量计算，GPS可采取以下步骤来确定位置，并利用卫星来确定具体距离，卫星中的定位探测器接收机位于“三角”卫星中第一颗的圆心球面上，第二颗卫星负责确认接收机在两个球面的交叉线。第三颗卫星则与上述的交叉线形成交叉点，其中一个位于地球地面的交叉點就是接收机所在位置。

2 GPS在生活中的应用

2.1 GPS在工程测量中的应用

利用GPS进行测量工作，具备测量精度高、观测时间短、测站之间无需通视、仪器操作简便及全天候作业的优点[4]。GPS提供的三维坐标，可同时完成测站点三维坐标的精确测量。在工程外业作业中，GPS控制选点、布网相当灵活，在复杂的地形条件下尤显其不受网形、通视限制的优越性；同时，GPS对工程的观测主要受卫星信号和卫星空间分布的影响，而工程测量站点的GPS接收机基本实现了自动化与智能化，观测时间大大减少，观测中按照工程选点要点，选择了最佳时段观测，极大降低了工程测量的作业强度。

2.2 GPS在航空摄影中的应用

利用GPS技术进行航空摄影作业，可以动态定位时刻，根据动态位解算得出一系列拍摄坐标序列，拍摄过程中，GPS利用天线对拍摄的中心位置进行推算。为确保曝光时间内插的精确度，拍摄中要同时关注GPS采样的时刻，利用内置的扦插器（CET）将曝光的时间插入。飞机在航空拍摄中，摄影机会同时放出一个同步脉冲，计算机将脉冲数据处理后，曝光时间转化为GPS时间，这样就能准确获得曝光时间所在摄影站的空间位置。利用GPS进行航空三角测量，不仅降低了人工定位的工作难度与强度，还大大节省了摄影站定位的时间成本，有着广阔的应用空间。

2.3 GPS在汽车导航中的应用

将GPS用于汽车导航系统，即是将地理信息系统、现代通信技术与GPS3种技术有机结合，通常以汽车导航设备的形式存在[5]。有了GPS的帮助，汽车导航系统在电子地图的配合下，能快速、准确、实时为驾驶员指出最快捷的交通路径。此外，汽车导航仪在GPS的定位支持下，还具备自动跟踪汽车周边地理信息的功能，包括汽车行驶路段的路况、天气状况等。当前，GPS技术基础上的汽车导航系统已不仅限于导航这一种功能，还能实现对车辆的实时监控、车辆超速报警、行驶信息保管、自建图层、车辆调度等工作，日渐成为汽车驾驶员的好帮手。

2.4 GPS在紧急救援中的应用

GPS定位的实时性、准确性决定了它在突发事件紧急救援中必然有着不可替代的作用。GPS在紧急救援中的实现，主要通过计算机信息系统、语音通信系统、GPS子系统和车载终端联合完成[6]。在实际运作中，当生活中某地点发生突发事件，有人拨打紧急求救电话，首先由调度人员在GPS子系统的帮助下，通过GSM网络向救护车车载GPS系统发出求救的调度信息，救护车同步精确定位，第一时间内完成救援工作，这样一来，确保紧急救援的及时性和救援效率。

3 结语

GPS已日趋成为当今世界不可缺少的信息源，伴随科学技术的不断进步，GPS有着更加广阔的应用前景。放眼我们身边的生活，GPS已经不再只是探险家们“发烧”级设备，GPS无处不在，工程测量、交通导航、航天摄影、紧急救援等等，GPS已成为现代人生产生活的必需品和重要辅助工具。正如业内人士预言，GPS未来的发展将超乎我们想象。

参考文献

[1] 李清吉，曹传萌.GPS定位系统[J].科技信息（科学教研），2013（12）：34.

[2] 马铁军.基于GSM、GPS、GIS技术的城市紧急救援指挥系统[J].河北省客学院学报，2012（3）：53.

[3] 陈绵清.浅谈GPS技术应用于工程测绘[J].科技致富向导，2012（5）：78.

[4] 吴云，周义炎.GPS应用的新拓展[J].国际地震动态，2013

（8）：263-265.

[5] 张红，龚晓峰.GIS和GPS在交通中的应用[J].微型电脑应用，2011（12）：187-189.

[6] 曹冲.GPS的应用现状及发展前景[J].全球定位系统，2013

（9）：68-69.