GPS的定位原理、定位方式与协议规范

       所谓GPS即全球定位系统（英语：Global Positioning System，通常简称GPS），又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。该系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。

       gps卫星不断地传送轨道信息和卫星上的原子钟产生的精确时间信息，gps接收机上有一个专门接收无线电信号的接收器，同时也有自己的时钟。当接收机收到一颗卫星传来的信号时，接收机可以测定该卫星离用户的空间距离，用户就位于以观测卫星为球心、以观测距离为半径的球面与地球表面相交的圆弧的某一点；当gps接收机观测到第二颗卫星的信号时，以第二颗卫星为球心，以第二个观测距离为半径的球面也与地球表面相交为一个圆弧，上述两个圆弧在地球表面会有两个交会点，还不能确定出用户唯一的位置；当gps接收机观测到第三颗卫星的信号时，以第三颗卫星为球心，以第三个观测距离为半径的球面也与地球表面相交为一个圆弧，上述三个圆弧在地球表面相交于一点，该点即为gps用户所在的位置。如果没有钟误差，用户接收机只要利用接收观测到的3颗卫星的距离观测值，就可以唯一确定出用户所在的位置。但由于gps接收机的钟有误差，从而会使测得的距离含有误差，所以定位时要求接收机至少观测到4颗卫星的距离观测值才能同时确定出用户所在空间位置及接收机钟差。当gps接收机观测到4颗以上的卫星信号时，就可以得到更为精确和可靠的位置、速度和时间信息。

       详细说明连接：https://www.cnblogs.com/xueyaohong/p/4502746.html

                               http://www.21ic.com/app/auto/201208/140402.htm    （该文中说明了了为什么至少需要四颗才能计算出地面站的位置的原理）

       gps的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：

1、n空间部分

       gps的空间部分是由24颗gps工作卫星所组成，这些gps工作卫星共同组成了gps卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗gps工作卫星都发出用于导航定位的信号。gps用户正是利用这些信号来进行工作的。

2、n控制部分

       gps的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对gps的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

3、n用户部分

       gps的用户部分由gps接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收gps卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。

这里单纯将有效使用专业的GPS接收机进行的定位方式。

       1、单点定位：单台接收机，根据接收到的大于四颗以上卫星，获取的定位坐标。由于利用单台GPS接收机定位，许多误差因素如：卫星轨道误差、卫星钟差、多普勒效应、电离层、对流层延迟、多路径效应以及接收机钟差、接收机噪声等，这些误差无法消除，造成定位精度偏低，一般单点定位精度在3-5米。

       2、差分定位：差分定位又分为静态差分、动态差分两种。差分定位就是利用两台以上的GPS接收机，其中至少一台架设在已知点上，同时观测可见卫星，通过长时间数据观测（静态）、或者实时解算卫星定位成果与已知坐标差值，反算出各项误差的方式，传输改正值给其他未知GPS接收机（动态），通过解算获取到较高精度的坐标成果。差分定位的精度，静态定位方式可以获取毫米级定位精度，动态差分定位，可以获取到厘米级的定位精度。

       在这里我们提及到的GPS协议一般就是指：NMEA-0183协议。NMEA协议是为了在不同的GPS（全球定位系统）导航设备中建立统一的RTCM（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（NMEA-The National Marine Electronics Associa-tion）制定的一套通讯协议。

       GPS接收机根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等设备。NMEA协议共有3种，分别是0180、0182和0183，0183为最新的升级版本，也是目前使用较为广泛的一种。NMEA-0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。也有少数商家或软件不支持此种协议，购买和使用时应要注意。

       此协议是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的RTCM标准。NAEA 0183语句以ASCII格式输出，传输速率可自定义。NMEA通讯协议所定义的标准通讯接口参数为：

　　（1）波特率：4800bit/s（缺省值 ）；

　　（2）数据位：8位；　　

       （3）停止位：1位；

　　（4）奇偶校验：无；

　　（5）传输长度表：传输长度=传输总字符数/每秒传输数

         NMEA通讯协议所规定的通讯语句都已是以ASCII码为基础的，NMEA-0183协议语句的数据格式如下：“$”为语句起始标志；“，”为域分隔符；“ *”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和，代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值（不包括这两个字符）；“/”为终止符，所有的语句必须以回车换行来结束，也就是ASCII 字符的“回车”（十六进制的0D）和“换行”（十六进制的0A）。具体数据内容如下：

         GGA：时间、位置、定位类型          GLL：经度、纬度、UTC时间          GSA：GPS接收机操作模式，定位使用癿卫星，DOP值          GSV：可见GPS卫星信息、仰角、方位角、信噪比（SNR）          RMC：时间、日期、位置、速度          VTG：地面速度信息 MSS：信号强度等

样例数据:

GGA

$GPGGA,060826.00,2236.91284,N,11403.24705,E,2,08,1.03,107.8,M,-2.4,M,,0000*4A

GSA

$GPGSA,A,3,24,22,14,12,15,25,18,42,,,,,2.20,1.03,1.95*01

GSV

$GPGSV,3,1,11,12,31,117,47,14,30,290,46,15,19,060,42,18,70,010,45*78 $GPGSV,3,2,11,21,47,207,,22,40,326,43,24,44,036,43,25,24,159,42*70 $GPGSV,3,3,11,31,03,218,,42,51,128,35,50,46,122,45*4E $GPGLL,2236.91284,N,11403.24705,E,060826.00,A,D*66

RMC

$GPRMC,060827.00,A,2236.91267,N,11403.24701,E,0.001,,130214,,,D*79 $GPVTG,,T,,M,0.029,N,0.054,K,D*2C

GGL $GPGLL,2236.91284,N,11403.24705,E,060826.00,A,D*66

VTG 样例数据：$GPVTG,,T,,M,0.029,N,0.001,K,D*2C