GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理

20701993199410年內(nèi)向全世界免費(fèi)供給ＧＰＳ使用權(quán)，但美國只向外國供給低精度的衛(wèi)“后門”，一旦發(fā)生戰(zhàn)斗，美國可以關(guān)閉對(duì)某地區(qū)的信息效勞。歐盟“伽利略”：199930顆衛(wèi)星，組成“伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng)。今年該打算正式啟動(dòng)。俄羅斯“格洛納斯”7018顆衛(wèi)星才能確保掩蓋俄羅斯全境；如要供給全球定位效勞，則需要24顆衛(wèi)星。中國“北斗”：2023年我國北斗一號(hào)建成并開通運(yùn)行，不同于GPS，“北斗”的指揮機(jī)和終端之512日四川大地震發(fā)生后，北京武警指揮中心和四川武警部隊(duì)運(yùn)用“北斗”進(jìn)展了上百次溝通。北斗二號(hào)系列衛(wèi)星今年起將進(jìn)入組網(wǎng)頂峰期，估量在2023年形成由三十幾顆衛(wèi)星組成的掩蓋全球的系統(tǒng)。最成熟的是美國的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，下面我來介紹一下這種導(dǎo)航系統(tǒng)。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GloblePositioningSystem)是一種結(jié)合衛(wèi)星及通訊進(jìn)展的技術(shù),利用導(dǎo)航衛(wèi)(GPS)70年月開頭研制,經(jīng)過203001994398%24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。具有海陸空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位力氣的一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等特點(diǎn),成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)測量、工程變形測量、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科,取得了好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。GPS的組成GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三局部組成:空間局部—GPS星座(GPS24顆衛(wèi)星組成的21顆是工作衛(wèi)星，3顆是備份衛(wèi)星);地面把握局部—地面監(jiān)控系統(tǒng);用戶設(shè)備局部—GPS信號(hào)接收機(jī)?？臻g局部GPS24顆工作衛(wèi)星組成,20200km的上空,6個(gè)軌道面上(4顆),55°,4顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星,并能保GPS衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼,一組稱為C/A碼(Coarse/AcquisitionCode11023MHz);P碼(ProciseCode10123MHz),P碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,并設(shè)有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方效勞。C/A碼人為實(shí)行措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。地面把握局部地面把握局部由一個(gè)主控站,53個(gè)地面把握站組成。監(jiān)測站均配裝有,包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過初步處理后,,計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù),3個(gè)地面把握站。地面把握站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí),把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)展最終的注入。假設(shè)某地面站發(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時(shí)間,但導(dǎo)航精度會(huì)漸漸降低。對(duì)于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星放射的星歷—描GPS的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否始終沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)展監(jiān)測和把握。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站。用戶設(shè)備局部用戶設(shè)備局部即GPS信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按確定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后,即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。依據(jù)這些數(shù)據(jù),接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)展定位計(jì)算,速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的構(gòu)造分為天線單元和接收單元兩局部。接收機(jī)一般承受機(jī)內(nèi)和機(jī)外內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后,機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電,以防止數(shù)據(jù)喪失。目前各種類型的承受機(jī)體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測使用。GPS的原理GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的根本原理是測量出位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆的時(shí)間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距〔PR〕：GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用10二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼〔簡稱偽碼〕放射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A1.023MHz,1微秒，相當(dāng)300m；P10.23MHz266.40.130m。而Y碼是在P碼的根底上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上放射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含56s10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶承受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做比照便可得知衛(wèi)星與用戶的距離星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星放射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知?？梢奊PS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星局部的作用就是不斷地放射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶承受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不行能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用44個(gè)未知數(shù)解出來。所以假設(shè)想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。GPS接收機(jī)可接收到可用于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息；用于預(yù)報(bào)將來幾個(gè)月內(nèi)十米〔各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化〕；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。GPS接收機(jī)對(duì)碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對(duì)0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20P碼測得的偽距稱為P2米左右。GPS接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)展解碼或承受其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此度也只能承受相位觀測值。按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位〔差分定位〕。單點(diǎn)定位就是依據(jù)一〔差分定位是依據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點(diǎn)之間的相位觀測值進(jìn)展相對(duì)定位。在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星播送星歷誤差的影響差的主要局部，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)〔大氣有明顯差異〕，應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。GPS的特點(diǎn)全球定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：全球、全天候工作。①定位精度高。單擊定位精度優(yōu)于10m，承受差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。②功能多，應(yīng)用廣。GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等。1、定位精度高應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS50KM10-6，100-500KM10-7，1000KM10-9300-1500M工程周密定位中，1小時(shí)以上觀測的解其平面其平面位置1mmME-50000.5mm,校差0.3mm。2、觀測時(shí)間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更，目前，20KM以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流淌站與基準(zhǔn)站相距在15KM以內(nèi)時(shí)，流淌1-2分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測只需幾秒鐘。GPS的功能全球定位系統(tǒng)的主要用途：陸地應(yīng)用，主要包括車輛導(dǎo)航、應(yīng)急反響、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測海洋應(yīng)用，包括遠(yuǎn)洋船最正確航程航線測定、船只實(shí)時(shí)調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、海洋探寶、水文地質(zhì)測量以及海洋平臺(tái)定位、海平面升降監(jiān)測等；航空航天應(yīng)用，包括飛機(jī)導(dǎo)航、航空遙感姿勢把握、低軌衛(wèi)星定軌、制導(dǎo)、航空救援和載人航天器防護(hù)探測等。你選擇用上面或下面的〔?準(zhǔn)確定時(shí)：廣泛應(yīng)用在天文臺(tái)、通信系統(tǒng)基站、電視臺(tái)中?工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量承受GPS設(shè)備進(jìn)展工程測量?勘探測繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到?導(dǎo)航：武器導(dǎo)航：準(zhǔn)確制導(dǎo)、巡航車輛導(dǎo)航：車輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)船舶導(dǎo)航：遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水飛機(jī)導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進(jìn)場著陸把握星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位個(gè)人導(dǎo)航：個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn)?定位：車輛防盜系統(tǒng)手機(jī)，PDA，PPC等通信移動(dòng)設(shè)備防盜，電子地圖，定位系統(tǒng)兒童及特別人群的防喪失系統(tǒng)農(nóng)業(yè)勘測〕GPS的應(yīng)用主要是為船舶，汽車，飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)展定位導(dǎo)航。例如：船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場降落汽車自主導(dǎo)航地面車輛跟蹤和城市智能交通治理緊急救生個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn)個(gè)人通訊終端〔與手機(jī)，PDA，電子地圖等集成一體〕電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步準(zhǔn)確時(shí)間的授入準(zhǔn)確頻率的授入各種等級(jí)的大地測量，把握測量道路和各種線路放樣水下地形測量地殼形變測量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測GIS應(yīng)用工程機(jī)械〔輪胎吊，推土機(jī)等〕把握精細(xì)農(nóng)業(yè)GPS的前景由于GPS技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動(dòng)測量的特點(diǎn)，作為先進(jìn)的測量手段和的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和社