GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理

20701993199410年內(nèi)向全世界免費供給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。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年我國北斗一號建成并開通運行，不同于GPS，“北斗”的指揮機和終端之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運用“北斗”進(jìn)展了上百次溝通。北斗二號系列衛(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時三維導(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、自動化、高效益等特點,成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動測量、工程變形測量、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科,取得了好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。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信號接收機?？臻g局部GPS24顆工作衛(wèi)星組成,20200km的上空,6個軌道面上(4顆),55°,4顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到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主控站,53個地面把握站組成。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,,計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù),3個地面把握站。地面把握站在每顆衛(wèi)星運行至上空時,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間,但導(dǎo)航精度會漸漸降低。對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)點。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)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間，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)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。用戶設(shè)備局部用戶設(shè)備局部即GPS信號接收機。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)星的運行。當(dāng)接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后,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),接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進(jìn)展定位計算,速度、時間等信息。接收機硬件和機內(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接收機的構(gòu)造分為天線單元和接收單元兩局部。接收機一般承受機內(nèi)和機外內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后,機內(nèi)電池為RAM存儲器供電,以防止數(shù)據(jù)喪失。目前各種類型的承受機體積越來越小,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)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆的時間，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)星之間的真實距離，而是偽距〔PR〕：GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用10二進(jìn)制碼元組成的偽隨機碼〔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、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上放射的。導(dǎo)航電文每個主幀中包含56s10個字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時更一次。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，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時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。可見GPS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，由于用戶承受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不行能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用44個未知數(shù)解出來。所以假設(shè)想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。GPS接收機可接收到可用于授時的準(zhǔn)確至納秒級的時間信息；用于預(yù)報將來幾個月內(nèi)十米〔各個衛(wèi)星不同，隨時變化〕；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。GPS接收機對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機的距離，由于含有接收機衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對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接收機對收到的衛(wèi)星信號，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)星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷衛(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定位分為單點定位和相對定位〔差分定位〕。單點定位就是依據(jù)一〔差分定位是依據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相位觀測值進(jìn)展相對定位。在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星播送星歷誤差的影響差的主要局部，在精度要求高，接收機間距離較遠(yuǎn)時〔大氣有明顯差異〕，應(yīng)選用雙頻接收機。GPS的特點全球定位系統(tǒng)的主要特點：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)厘米級和毫米級。②功能多，應(yīng)用廣。GPS系統(tǒng)的特點：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)用實踐已經(jīng)證明，GPS50KM10-6，100-500KM10-7，1000KM10-9300-1500M工程周密定位中，1小時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)相對靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流淌站與基準(zhǔn)站相距在15KM以內(nèi)時，流淌1-2分鐘，然后可隨時定位，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、船只實時調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、海洋探寶、水文地質(zhì)測量以及海洋平臺定位、海平面升降監(jiān)測等；航空航天應(yīng)用，包括飛機導(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：廣泛應(yīng)用在天文臺、通信系統(tǒng)基站、電視臺中?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)星軌道定位個人導(dǎo)航：個人旅游及野外探險?定位：車輛防盜系統(tǒng)手機，PDA，PPC等通信移動設(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，飛機等運動物體進(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人旅游及野外探險個人通訊終端〔與手機，PDA，電子地圖等集成一體〕電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時間同步準(zhǔn)確時間的授入準(zhǔn)確頻率的授入各種等級的大地測量，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)用工程機械〔輪胎吊，推土機等〕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、高精度和自動測量的特點，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