详细描述GPS在软件工程的具体应用

GPS的工作原理，简单地说来，是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理。首先我们假定卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离，也能精确进行定位。 以上所说，要实现精确定位，要解决两个问题：

其一是要确知卫星的准确位置;

其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离。下面我们看看怎样来做到这点。

怎样确知卫星的准确位置

要确知卫星所处的准确位置。首先，要通过深思熟虑，优化设计卫星运行轨道，而且，要由监测站通过各种手段，连续不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。

这个问题解决了，接下来就要解决准确测定地球上某用户至卫星的距离。卫星是远在地球上层空间，又是处在运动之中，我们不可能象在地上量东西那样用尺子来量，那么又是如何来做的呢

如何测定卫星至用户的距离

我们过去都学过这样的公式：时间X速度=距离。我们也从物理学中知道，电波传播的速度是每秒钟三十万公里，所以我们只要知道卫星信号传到我们这里的时间，就能利用速度乘时间等于距离这个公式，来求得距离。所以，问题就归结为测定信号传播的时间。

要准确测定信号传播时间，要解决两方面的问题。一个是时间基准问题。就是说要有一个精确的时钟。就好比我们日常量一张桌子的长度，要用一把尺子。假如尺子本身就不标准，那量出来的长度就不准。另一个就是要解决测量的方法问题。

时间基准问题

GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。所以，GPS接收机除了能准确定位之外，还可产生精确的时间信息。

测定卫星信号传输时间的方法

为了避免采用过多的技术术语，我们先作一个不太恰当的比喻。我们在所处的地点和卫星上同时启动录音机来播放“东方红”乐曲，那么，我们应该能听到一先一后两支“东方红”的曲子(实际上，卫星上播放的曲子，我们不可能听见，只是假想能够听到)，但一定是不合拍的。为了使两者合拍，我们延迟启动地上录音机的时间。当我们听到两支曲子合拍时，启动录音机所延迟的时间就等于曲子从卫星传送到地上的时间。当然，电波比声波速度高得多，电波也不能用耳朵来接收。所以，实际上我们播送的不是“东方红”乐曲，而是一段叫做伪随机码的二进制电码。延迟GPS接收机产生的伪随机码，使与接收到卫星传来的码字同步，测得的延迟时间就是卫星信号传到GPS接收机的时间。至此，我们也就解决了测定卫星至用户的距离。当然，上面说的都还是十分理想的情况。实际情况比上面说的要复杂得多，所以我们还要采取一些对策。例如：电波传播的速度，并不总是一个常数。在通过电离层中电离子和对流层中水气的时候，会产生一定的延迟。一般我们这可以根据监测站收集的气象数据，再利用典型的电离层和对流层模型来进行修正。还有，在电波传送到接收机天线之前，还会产生由于各种障碍物与地面折射和反射产生的多径效应。这在设计GPS接收机时，要采取相应措施。当然，这要以提高GPS接收机的成本为代价。 原子钟虽然十分精确，但也不是一点误差也没有。GPS接收机中的时钟，不可能象在卫星上那样，设置昂贵的原子钟，所以就利用测定第四颗卫星，来校准GPS 接收机的时钟。我们前面提到，每测量三颗卫星可以定位一个点。利用第四颗卫星和前面三颗卫星的组合，可以测得另一些点。理想情况下，所有测得的点，都应该重合。但实际上，并不完全重合。利用这一点，反过来可以校准GPS接收机的时钟。测定距离时选用卫星的相互几何位置，对测定的误差也不同。为了精确的定位，可以多测一些卫星，选取几何位置相距较远的卫星组合，测得误差要小。在我们提到测量误差时，还有一点要提到，就是美国的SA政策。美国政府在GPS设计中，计划提供两种服务。一种为标准定位服务(SPS)，利用粗码(C/A)定位，精度约为100m，提供给民用。另一种为精密定位服务(PPS)，利用精码(P码)定位，精度达到10m，提供给军方和特许民间用户使用。由于多次试验表明，SPS的定位精度已高于原设计，美国政府出于对自身安全的考虑，对民用码进行了一种称为“选择可用性SA(Selective Availability)”的干扰，以确保其军用系统具有最佳的有效性。由于SA通过卫星在导航电文中随机加入了误差信息，使得民用信号C/A码的定位精度降至二维均方根误差在100米左右。

采用差分GPS技术(DGPS)，可消除以上所提到大部分误差，以及由于SA所造成的干扰，从而提高卫星导航定位的总体精度，使系统误差达到10到15米之内。

GPS技术的错差

在GPS定位过程中，存在三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所共有的，例如：卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等;第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差;第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术第一部分误差可完全消除，第二部分误差大部分可以消除，这和基准接收机至用户接收机的距离有关。第三部分误差则无法消除，只能靠提高GPS接收机本身的技术指标。对美国SA政策带来的误差，实质上它是人为地增大前两部分误差，所以差分技术也相应克服SA政策带来的影响。

差分GPS技术消除公共误差原理

假如在距离用户500公里之内，设置一部基准接收机。它和用户接收机同时接收某一卫星的信号，那么我们可以认为信号传至两部接收机所途经电离层和对流层的情况基本是相同，故所产生的延迟也相同。由于接收同一颗卫星，故星历误差、卫星时钟误差也相同。若我们通过其它方法确知所处的三维座标(也可以用精度很高的GPS接收机来实现，其价格比一般GPS接收机高得多)，那就可从测得伪距中，推算其中的误差。将此误差数据传送给用户，用户就可从测量所得的伪距中扣除误差，就能达到更精确的定位。

GPS数据处理软件是GPS用户系统的重要部分，其主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。

GPS定位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之中，各系列GPS接收机制造厂家研制的处理软件也各具特色。 全球定位系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和道路工程之中。目前，GPS技术在我国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，相信随着我国经济的发展，高等级公路的快速修建和GPS技术应用研究的逐步深入，其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用。 GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，这些功能包括：

（1）车辆跟踪

利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、缩小、还原、换图;可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上;还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。

（2）提供出行路线规划和导航

提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。

（3）信息查询

为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。查询资料可以文字、语言及图象的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。

（4）话务指挥

指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。

（5）紧急援助

通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。

GPS技术在汽车导航和交通管理工程中的研究与应用目前在中国刚刚起步，而国外在这方面的研究早已开始并已取得了一定的成果。加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统，两台GPS接收机和一台微机，可测定已有道路的线形参数，为道路管理系统服务。美国研制了应用于城市的道路交通管理系统，该系统利用GPS和GIS建立道路数据库，在数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的准确位置、路面状况、沿路设施等，该系统于1995年正式运行，为城市道路交通管理起到重要作用。近些年来国外研制了各种用于车辆诱导的系统，其中车辆位置的实时确定以往主要依据惯性测量系统以及车轮传感器，随着GPS的发展和所显示出的优越性，有取代前两种方法的趋势。用于城市车辆诱导的GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，< 车载GPS实时接收 基准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置与所要到达的目标在道路网中进行优化计算，便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为公安、消防、抢修、急救等车辆服务。

GPS系统并不是免费使用的。现在很多知识产权都是收取授权费和专利费的，就如同ARM公司的底层芯片设计就是通过授权来赚取盈利的。免费只是手段，盈利才是目的。

GPS系统由24座卫星搭建而成。1994年完工，目前GPS的全球覆盖率达到了98%左右的地步，而截至到2018年，全球范围内使用智能人数的总数量有30多亿人，98%就是大概有294亿人的智能手机使用美国的GPS系统，而智能手机需要GPS的芯片，生产芯片需要向GPS的运营商支持芯片的授权费。除美国外，其他国家开发GPS导航软件的时候还需要支付大额的专利费用。

可以想象，每台拥有GPS系统的智能终端都需要支付一定的专利或者授权费用。每个用户在购买手机的时候。销售价里面其实就包含有GPS的授权费，只不过费用分摊之后价格很小。但是单价乘以销售量。肯定是一笔很大的收益。

美国一直奉行全球争霸的战略，而市场垄断对于政治方面的战略带有促进作用。免费推出GPS系统，可以让GPS系统积累大量的用户，在某一领域方面占领市场，造成垄断。 科技 软实力也是国力的一种体现。

另一方面，军事领域需要卫星系统的支持，拳头大才是硬道理。强大的GPS可以让美国军事拥有威慑力。

当前，全球总共有四个卫星导航系统巨头，第一个就输美国的GPS，第二，就是我国的北斗卫星系统。第三是俄罗斯的格洛纳斯。第四个是欧洲的伽利略。

些许拙见，供您参考。

从事互联网开发多年，欢迎大家骚扰

美国花费上千亿元建造的GPS为何免费供全世界人使用？

提起GPS，大家马上会想到开车用GPS导航；去 旅游 ，手机上看地图导航；

叫外卖、滴滴打车；约会、聚会发位置共享；锻炼时计步现在我们每天的生活，已经离不开GPS了。

GPS是美国从70年代开始，花了两百多亿美元，用了二十多年时间才建成的卫星导航系统代称。

GPS首先是重要的军用基础设施，主要用于部队的三维导航与定位。

如海军的舰艇，空军的飞机，陆军的车辆坦克大炮等的导航与定位，以及被打击目标的精准定位。

其次它也是民用基础设施。

除了我们非常熟悉的手机定位和导航，GPS在道路交通管理上也运用广泛，可以减少道路拥堵，提高高铁速度，实现无人驾驶，无考官驾考等。

GPS还大量应用于气象、海运和水运、航空运输、应急救援等各个方面。

这么好用的东西，美国又投入了这么多钱，按常理美国会高价卖给想用的其他国家。

可美国这次却一反常态，把GPS的民用方式免费提供给全世界使用。甚至连反美派都可以用，难道不怕反美派用美国人建造的GPS定位去打美国吗？

要知道因为贸易逆差，美国感觉吃亏了，都到处打贸易战。它真的这么大方，让全世界人免费共享它花巨资建造的GPS，美国人真的在做好事？

当然不是！

天下没有免费的午餐，何况是陪吃午餐都能卖高价的美国人。

那么美国人为什么要把GPS免费给全世界使用呢？因为：

一、不免费不行。

我们打开广播，播放时声波信号传到之处都能听到声音，但我们没有办法控制谁可以听，谁不能听。

GPS也是，它只管发送信号，根本就不知道谁接收了信号。不知道谁接收了信号找谁要钱去？

不能控制别人接收信号，那么把信号加密，让其他人接收了也无法破译，行不行呢？当然行！可是简单加密的信号，很容易被破译出来，没什么效果。

复杂加密又要很多钱，而卫星发送出来的信息量非常大，其中大部分又是没有任何价值的。

如果要把所有信号复杂加密，使人无法轻易转码破译，日积月累要花费的款项是个无底洞，可能比建造成本贵几十倍。

所以美国干脆大方点，只加密军码，而把所有民码信号不加密免费供给大家使用。

二、免费是为了得到他想要的其他东西。

因为免费，用的人就多，这样美国可以对使用GPS的所有人、物定位。

通过输入数据库，美国能把全球的所有国家的地形，任何一条道路、建筑等都清清楚楚的显示在地图中，做到对其他国家了如指掌。

当一个国家或地区的民用、商业、政务、科研甚至部分军事用途等方面，都对GPS形成依赖，离不开GPS时，美国就可以通过GPS系统对这个国家和地区进行干预。

这时GPS就变成了美国手中的另类武器。美国不高兴了，就切断某个国家或地区上空的GPS信号。

这时习惯了导航开车的司机们要么撞车要么在路上兜圈，可能找不到要去的地方了。

高铁、火车、飞机、轮船没有了导航和定位，无法科学调度不说，还可能相撞，所有交通都接近瘫痪了， 社会 生产生活乱套了，秩序失控后接着 社会 动乱就来了。

再说美国给全世界开放的只是GPS的民码，使用的精度比美国军方的差了十几倍如果真的跟美国打仗，他们把GPS的民码服务停掉，只有自己能用军码。

美国在第一次海湾战争期间，就是这么干的。美国大量的导d，精准的炸向伊拉克的军事重地。

而伊拉克向沙特和以色列发射的飞毛腿导d，大部分都没有命中目标或偏离目标！——因为美国关闭了伊拉克所在区域的GPS导航系统窗口。

如果美国不停用民码，而是发个欺骗码，瞄准敌人的导d有可能飞到自己的头上，这更加可怕。

一旦其他国家的军事装备，依赖美国的GPS系统的话，那就只有被动挨打的份，这就是提供免费午餐的又一好处。

三、免费带来的巨大商机

免费的GPS带动整个导航产业，信号不要钱，但是接收信号的终端设备如导航仪、手机等要花钱买，终端设备厂家使用的芯片要给芯片设计公司交专利费。

虽然简单加密的信号，不要花多少钱就能破译出来，但产家如果单独研发生产，和买芯片比还是贵多了，大多数产家为了多赚钱就选择了直接买芯片。

所以我们用的每一个GPS设备，比如我们买手机和导航仪，买的时候费用里面就包含产家支付的GPS芯片的钱。

一个芯片不要多少钱，但细水长流，想想全世界一年出厂多少手机？全世界的芯片，核心技术又都由美国掌控，只芯片一项就让美国赚得盆满钵满。

总之，GPS免费并不需要额外增加研究和建设成本，还省了加密的成本;

打着为世界做贡献，承但强国应有责任的旗号，赢得世界的赞许同时又通过其他渠道赚回巨款，还捞取其他不可告人的好处，聪明的美国人当然会选择免费了。

主要是美国为了研制GPS花费了大量的财力人力和时间，耗时30年，耗资千亿才研制出来，GPS是一项战略性技术，对于民用和军用有很大的推动作用，美国当然不希望其它国家拥有了，自己一家独大最好，为了不想其它国家研制 所以美国免费开放了GPS。再有就是即使开放了美国也有很大的决定权，如果发生战争美国可以干扰影响别国使用GPS甚至是掐断链接，其它国家在使用GPS同时还可以是一种技术渗透，总之美国不会那么好心给你使用的，天上不会掉馅饼的。

主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航例如：

1船舶远洋导航和进港引水

2飞机航路引导和进场降落

3汽车自主导航

4地面车辆跟踪和城市智能交通管理

5紧急救生

6个人旅游及野外探险

7个人通讯终端（与手机,PDA,电子地图等集成一体）

1电力,邮电,通讯等网络的时间同步

2准确时间的授入

3准确频率的授入

1各种等级的大地测量,控制测量

2道路和各种线路放样

3水下地形测量

4地壳形变测量,大坝和大型建筑物变形监测

5GIS应用

6工程机械（轮胎吊,推土机等）控制

7精细农业

GPS在道路工程中的应用

GPS在道路工程中的应用,目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等随着高等级公路的迅速发展,对勘测技术提出了更高的要求,由于线路长,以知点少,因此,用常规测量手段不仅布网困难,而且难以满足高精度的要求目前,国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网,然后用常规方法布设导线加密实践证明,在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右,达到了常规方法难以实现的精度,同时也大大提前了工期GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中由于无需通视,可构成较强的网形,提高点位精度,同时对检测常规测量的支点也非常有效GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景,GPS测量无需通视,减少了常规方法的中间环节,因此,速度快、精度高,具有明显的经济和社会效益

GPS在汽车导航和交通管理中的应用

三维导航是GPS的首要功能,飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合,可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能

（1）车辆跟踪

利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置,并可任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动,使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输

（2）提供出行路线规划和导航

提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能,它包括自动线路规划和人工线路设计自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地,由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线,包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线的计算人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等,自动建立路线库线路规划完毕后,显示器能够在电子地图上显示设计路线,并同时显示汽车运行路径和运行方法

（3）信息查询

为用户提供主要物标、如旅游景点、宾馆、医院等数据库,用户能够在电子地图上显示其位置同时,监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询,车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来

（4）话务指挥

指挥中心可以监测区域内车辆运行状况,对被监控车辆进行合理调度指挥中心也可随时与被跟踪目标通话,实行管理

（5）紧急援助

通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助监控台的电子地图显示求助信息和报警目标,规划最优援助方案,并以报警声光提醒值班人员进行应急处理

GPS的其它应用

GPS除了用于导航、定位、测量外,由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息,因此,以空间卫星上的精确时钟为基础,在地面监测站的监控下,传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用,应用该功能可进行精确时间或频率的控制,可为许多工程实验服务此外,还可利用GPS获得气象数据,为某些实验和工程应用

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