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Gps卫星只有24颗,为什么能服务全球几十亿设备?

应邀回答本行业问题。

GPS卫星不仅仅是24颗,实际上是32颗。

24颗GPS卫星是整个GPS系统所需要的最少的数量。

24颗GPS卫星可以保障在地球上任何一点都可以看到4颗GPS卫星,通过四个方程式可以解析出来GPS终端所处的三位空间坐标以及时间这四个变量参数,从而完成定位。

不过,实际上GPS系统也不仅仅是24颗卫星,而是32颗卫星。这些多出来的卫星可以提高定位的准确性,以及可靠性。

GPS的卫星数量足以满足全球的终端使用,关键的地方就是GPS工作原理是广播模式。

GPS终端的定位模式都是采用的无源定位,这种定位模式,终端并不需要发送信号,只是接收卫星发送的广播信号。

所以,GPS的卫星数量可以满足全球的GPS终端使用,而无需考虑容量的问题。

这个和广播电台不需要考虑收音机的数量,是一个道理。

在目前全球的四大全球定位系统,包括美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略都是采用的是无源定位。

中国的北斗卫星导航系统,除了可以提供无源定位之外,还可以提供有源定位、双向授时、短报文功能,北斗系统之中有专门的五颗地球同步轨道卫星就是做这个应用的,而这部分系统资源是有容量的限制的。

总而言之,美国GPS卫星系统目前有32颗卫星而不是24颗卫星,美国GPS系统由于工作原理是广播,所以不需要考虑容量的问题,所以也就可以给全球的几十亿台终端提供服务了。

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GPS卫星只有24颗吗?

并不是的,GPS一共有32颗,24颗卫星是GPS系统要提供全球定位服务的最小卫星数量。而多出来的那几颗是为了作为备份和提供更高的精度时使用的。不过通常情况下,我们只有这24颗可以使用,毕竟民用的精度只有10米,军用才需要0.1米的精度。

为什么只需要24颗卫星就可以服务全球的所有设备了呢?

这是因为民用的GPS模块并没有和卫星通讯的功能,只是单纯的接收GPS的广播而已。这个广播就好像我们使用的大喇叭一样,播放出了声音以后,是一个人听还是一万个人听,其实对于这个大喇叭来说都是一样的。

同样,GPS卫星会定时向地球发出广播信号,自然是有一个设备接收广播还是一亿个设备接收广播,对于GPS卫星来说,都是一样。

而广播的信号中就包含了一个伪随机码,一个时间和一个位置信息。

伪随机码是用来同步的,卫星和GPS接收模块通过同样的算法,计算出一样的伪随机码后,就达到了同步。由于卫星和模块之间通信会存在时间差,而这个时间差其实是相对的,GPS模块需要根据这个时间差和多个卫星的位置,来计算出准确的GPS坐标点。而同步其实就是一个相对时间差效验的过程,不然计算出来的点位就是不准确的。

其实,不光光是GPS是这种广播原理,我们的广播电视卫星也是一样的

我国为了实现广播电视的全覆盖,就曾经发射了一颗鑫诺2号广播电视卫星。而让卫星电视信号上星的是广播电视总局来监管。电视节目内容上星以后,通过一颗卫星就可以向整个亚洲进行广播。

因为对于发射的卫星来说,有多少个接收端其实关系不大,反正我都是广播信号的。也因此就出现了很多非法接收卫星信号的解码器。只需要把天线对准卫星的方向就可以了。

首先明确的是:截至到2020年4月,美国已经发射了74颗GPS(全球定位导航系统)卫星,其中31颗正在运行,9颗处于后备状态,2颗正在测试中,30颗已经退休,2颗丢失。整个系统至少需要24颗可运行的卫星,并且官方目标数量是33。

全球定位导航系统为什么能服务全球几十亿设备?这就是GPS系统设计的高明之处——卫星只是单向的发射信号,接收机采用无源方式只接收信号,这个类似于现在的广播系统,不需要考虑容量。

GPS是什么?——可以提供全球定位导航服务的系统

全球定位导航系统(也称为NAVSTAR GPS),是一种基于卫星的无线电导航系统。美国政府创建并维护了该系统,任何使用GPS接收器的人都可以免费访问,它是全球导航卫星系统(GNSS)之一,它向地球上或附近的任何地方的GPS接收器提供地理位置和时间信号。为用户提供3维定位,导航和计时功能。GPS系统主要包括:

1)空间部分:GPS卫星;

2)控制部分:监测站和控制系统;

3)用户部分:GPS设备。

GPS不需要用户发送任何数据,并且它独立于任何电话或互联网,2000年时,GPS定位的精度约为5米。精度增强的最新阶段使用L5频段,现已完全部署。2018年发布的使用L5频段的GPS接收器可以具有更高的精度,精确到30厘米或11.8英寸以内。

除了定位和导航之外,GPS还可以用于追踪,例如为动物添加标签以查看其领土范围。该技术还有助于进行遥感、测控,例如帮助更好地定义一个国家的轮廓等。

GPS为谁服务?——美国运营的系统,可以为全球军事、民用和商业用户提供定位功能

GPS项目由美国国防部于1973年启动,1978年发射了第一颗原型航天器,拥有24颗卫星的完整系统,最初限于美国军方使用,1980年开始GPS为全球的军事、民用和商业用户提供定位功能。随着GPS的发展GPS已经发展到Block IIIA系列,该系列预计将发射10颗卫星,最后一颗定于2023年第二季度。“洛克希德·马丁公司的GPS III卫星的精度将提高三倍,而抗干扰能力将提高八倍,航天器的寿命将延长至15年,比今天最新的在轨GPS卫星长25%。GPSIII的新型L1C民用信号也将使其成为首个广播与其他国际全球导航卫星系统(如伽利略)兼容信号的GPS卫星,改善了平民用户的连接性。”

这24颗GPS卫星每12小时绕地球一周,从每个卫星发送一个同步信号。由于卫星沿不同方向移动,因此地面上的用户在略微不同的时间接收信号,当至少有四颗卫星与接收器接触时,接收器可以计算出用户所在的位置。

但是,GPS是由美国政府运营的,它可以有选择地,拒绝向某些区域发射定位信号,从而限制对系统的访问(如1999年卡吉尔战争期间印度军队所经历的那样),或随时降低服务质量。

GPS的工作原理——基于时间和卫星的已知位置

GPS卫星均匀分布在总共六个轨道上。卫星和轨道的空间分布确保了在几乎任何时候都可以从地球上几乎任何地方同时看到至少八颗卫星。GPS卫星以大约20,000公里的高度环绕地球。GPS基于时间和卫星的已知位置。卫星携带非常稳定的原子钟,原子钟与地面钟同步。每天在地面上保持的任何时间偏差都会得到纠正。同样,卫星位置也非常精确。每颗GPS卫星持续发射包含当前时间和有关其位置的数据的无线电信号。可以使用称为GPS接收器的特殊接收器接收此信息,该接收器可以检测和解码该信息。

由于无线电波的速度是恒定的,并且与卫星速度无关,因此卫星发送信号与接收器接收信号之间的时间延迟与卫星到接收器的距离成正比。GPS接收器根据接受到的多颗卫星数据,可以确定接收器的精确位置及其与真实时间的偏差。但是接收器必须至少有四颗卫星才能计算出四个未知量

GPS如何实现定位——操作基于“三边测量”数学原理

全球定位系统的工作/操作基于“三边测量”数学原理。GPS接收器从每个GPS卫星获取信号。卫星发送信号的确切时间,通过从接收到的时间中减去发送信号的时间,GPS可以知道信号与每个卫星的距离。当卫星发送信号时,GPS接收器还知道卫星在天空中的确切位置。因此,考虑到来自三颗卫星的GPS信号的传播时间及其在天空中的确切位置,GPS接收器可以从三个维度(东,北和海拔)确定接收器的位置。为了计算GPS信号到达的时间,GPS接收器需要非常准确地知道时间,GPS卫星具有原子钟,可以保持非常精确的时间,但是为GPS接收器配备原子钟是不可行的。但是,如果GPS接收器使用来自第四颗卫星的信号,则它可以求解方程式,从而确定原子钟的准确时间,而无需使用原子钟。

根据到卫星的距离测量值确定位置。这四个卫星用于确定接收器在地球上的位置。并且使用三颗卫星来跟踪位置。第四颗卫星用于确认这些航天器中每一个的目标位置。GPS接收器从卫星获取信息,并使用三角测量法确定用户的确切位置。如果GPS接收器只能从3颗卫星获得信号,仍然可以获取位置,但准确性会降低。

第一颗卫星将定位在球体上的某个位置。第二颗卫星将位置缩小到由两个卫星球体的交点创建的圆。第三颗卫星将选择减少到两个可能的点。最后,第四颗卫星有助于计算时间和位置校正,并选择其余两个点之一作为接收器的位置。

GPS系统为什么支持这么多设备

GPS卫星不是双向通讯器。GPS卫星所做的只是根据其机载原子钟发送时间和位置。GPS接收器通过收听多个GPS卫接收传输,并执行计算以确定其位置。每个卫星都位于不同的位置,因此接收器将在略有不同的时间获得相同的原子时钟信号。通过比较信号之间的差异,接收器可以确定其位置。

GPS卫星仅在全球范围内传输,就像无线电传输一样,可以接收多少设备没有限制。无论是一个GPS接收器正在监听还是十亿个GPS接收器正在监听,对卫星都没有影响——卫星只是在不断广播时间。GPS的通信模式与一组广播电台可以一次为数百万个设备(称为广播电台)提供服务的方式相同。

就像一个调频广播电台。它只是广播。可能有一千个听众,可能有两千万。在FM电台的范围内,许多听众可以随意收听。FM电台没关系!

其他国家的全球定位导航系统?

因为全球定位导航系统在军事和民用中起到的巨大作用,并且由于GPS系统受美国主导,受美国政府控制,虽然在2000年,比尔·克林顿总统批准关闭这种“选择性服务”,但是一些国家已经开发或正在建立其他全球或区域卫星导航系统。

俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)是与GPS同步发展的,但是直到2000年代中期,它的全球覆盖范围仍然不完整;

我国的北斗导航卫星系统于2018年开始全球服务,计划于2020年全面部署;

此外,还有欧盟伽利略定位系统,有14颗卫星在轨;

印度的NavIC系统,有7颗在轨卫星;

日本的准天顶卫星系统(QZSS)是一个基于GNSS卫星的增强系统,旨在提高GNSS在亚洲大洋洲的精度,卫星导航独立于GPS计划于2023年进行。

写在最后

全球定位系统是一种卫星导航系统,可在所有气候条件下为用户提供位置和时间信息。GPS也用于飞机、轮船、汽车的导航。该系统为全球的军事和民用用户提供了关键的功能,在民用、军事和商业上有着广泛的应用。

但是GPS也有缺点:

  • · 与无线电信号相比,GPS卫星信号太弱,因此在室内,水下,树下等情况下无法正常工作。
  • · 不能提供高精度定位,这就是为什么GPS在城市环境中无法很好地工作的原因。

我国也认识到了卫星导航的重要性,开发出了北斗系统,就在昨天5月13日,北斗卫星导航系统第45颗卫星近日正式入网工作,接替北斗卫星导航系统第3颗卫星。距离北斗三号系统建成,仅一步之遥。


以上是我的浅薄之见,欢迎指正,谢谢!

因为他的工作模式是广播,就像学校的大喇叭,只要你站在学校,一个人和10万人听都是一样的,只要在大喇叭的范围内多少人听都可以。

回答第二个问题。GPS卫星只有发射功能,不需要考虑接收。做个比喻,就像电台,多少个收音机来收听节目都行。

GPS是广播信号,是单向的又不需要回馈信号!你广播电台电视台有收音机和电视机接收台数限制吗?

由于GPS卫星提供的定位服务主要是单边的,所以基本不存在因为用户数量改变而导致运算压力。简单说只要卫星数量达到全球覆盖之后,基础用户只需要接收GPS卫星发射的信号就可以了,而需要上下行数据交换的流量非常有限,不是普通用户能够得到授权的,所以即便基础用户再多也不会对服务造成压力。

GPS是被动定位系统,接收机需要同时接收到四颗星的信号,根据接收机接收的信号算出与这四颗星的距离,在每一时刻每颗GPS星的轨道已知,位置已知,就能算出接收机的位置。而北斗卫星由于只有两颗同时工作,需先发申请信号,地面站运算,算好后再传给申请者,是主动定位系统,因此不能同时应付太多定位申请。


全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

全球定位系统由三部分构成:(1)地面控制部分,由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的 工作)、地面天线(在主控站的控制下,向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成;(2)空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个道平面上;(3)用户装置部分, 主要由GPS接收机和卫星天线组成。


全球定位系统的主要特点:(1)全天候;(2) 全球覆盖;(3)三维定速定时高精度;(4)快速省时高效率:(5)应用广泛多功能。

全球定位系统的主要用途:(1)陆地应用,主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等;(2)海洋应用,包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等;(3)航空航天应用,包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。


GPS卫星接收机种类很多,根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型;根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。


经过20余年的实践证明,GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。 GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。

GPS原理

24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。


由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。


事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。



由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度,普遍采用差分GPS(DGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。

GPS前景



由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,美国政府宣布2000年至2006期间,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米,这将进一步推动GPS技术的应用,提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激GPS市场的增长。据有关专家预测,在美国,单单是汽车GPS导航系统,2000年后的市场将达到30亿美元,而在我国,汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见,GPS技术市场的应用前景非常可观。

GPS是广播,单向广播,所以接收机多少没有关系

因为GPS是广播卫星,也就是只发不收,所以没有上下行限制。我打个比方你看无线电台只有一个吧,但听无线电台的收音机可有无数个,无线电台却毫无问题。

GPS的工作原理就是不断的广播现在的时间,接受设备收到这些不同的卫星发送的这些带有时间戳的信号之后会进行比对,因为芯片之中存储了这些卫星在不同时间中坐在宇宙中的位置,然后通过时间差计算出自己与卫星之间的距离,通过多个卫星的发来的数据进行对比计算之后,这些距离的交汇点就是你的位置了。

所以GPS定位准不准全靠上面的原子钟准不准,中国的北斗之所以比美国GPS准就是因为原子钟比他们准。