全球衛(wèi)星定位導航技術

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)學號學號10202350233六、全球衛(wèi)星定位導航技術〔一〕全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的根本概念：GPS〔GlobalPositioningSystem〕全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，中文簡稱為“球位系”，是一個中距離圓型軌道衛(wèi)星導GPS美國從本世紀7020余年,耗資200億美元,于1994全面建成，具有在海、陸、空進展全方位實施三維導航與定位力量的一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。經(jīng)過近十年我國測繪等部門的使用說明,全球定位系統(tǒng)以全天候、高精度、自動化、高效益等特點信任，并成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等多種學科,從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。目前全球定位系統(tǒng)是美國其次代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，使用者只需擁有GPSGPS〔SPS，StandardPositioningService〕和軍規(guī)的準確定位效勞〔PPS，PrecisePositioningService〕兩類。由于SPS用，原本美國由于擔憂敵對國家或組織會利用SPS對美國發(fā)動攻擊，故在民用訊號中人為地參加誤差(即SASelectiveAvailability)以降低1002023年以后，克林頓政府打算取消對民用訊號的干擾。因此，現(xiàn)在民GPSGPSGPSGPSGPSGPS導航儀只是GPS系統(tǒng)運用中的一局部。GPS系統(tǒng)是迄今最好的導航定位系統(tǒng)，隨著它的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷的開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟各種部門，并開頭逐步深入人們的日常生活。自1978年以來已經(jīng)有超過50GPSNAVSTAR衛(wèi)星進入軌道。中國北斗衛(wèi)星前身GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Transit〕，19586456每天最多繞過地球13-{A|zh-cn:信息;zh-tw:訊}-，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的閱歷，并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進展定位的可行性，為及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。為此,美國海軍爭論試驗室(NRL)Tinmation”的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)打算，并于676974GPS621-B45341顆承受同步軌道外其余的都使用周期為24h軌道(PRN)強大的功能，當信號密度低于環(huán)境噪聲的１％時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個重要根底。海軍的打算主要用于為艦船供給低動態(tài)的2維定位，空軍的打算能供供給高動態(tài)效勞，然而系統(tǒng)過于簡單。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用而且這里兩個打算都是為了供給全球定位而設計的，所以19732〔JPO)洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。打算GPS打算在聯(lián)合打算局的領導下誕生了，該方案將24120度的三個軌道上。每個軌道上有869100m,10mGPS打算部得不削減衛(wèi)星放射數(shù)量，改為將18互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛(wèi)星牢靠性得不到保障。1988年又進展了最后一次修改：21顆工作星和3顆備份星工作在互成30度的6打算實施衛(wèi)星定位圖示GPS打算的實施共分三個階段：第一階段為方案論證和初步設計階段。從1978年到1979年，由位于加利福尼亞的范登堡空軍基地承受雙子426560km,64令人滿足。其次階段為全面研制和試驗階段7“BLOCKI”的試驗衛(wèi)星，用粗碼定位，其精度就可達14第三階段為有用組網(wǎng)階段198924GPS工作衛(wèi)星放射成功，這一階段的衛(wèi)星稱為IIA”GPS1993年底有用的GPS〔21+3〕GPS全球定位系統(tǒng)組成系統(tǒng)由監(jiān)控中心和移動終端組成，監(jiān)控中心由通訊效勞器及監(jiān)控終端GSM/GPRS承受發(fā)送模塊組成。事實上GPS定位系統(tǒng)是以GSM、GPS、GIS組成具有高技術的“3G”GPS接收機的構(gòu)造分為：天線單元和接收單元兩大局部。全球定位系統(tǒng)組成部分GPSGPS(GPS24組成的星座，其中21顆是工作衛(wèi)星，3顆是備份衛(wèi)星)；地面掌握局部—地GPS信號接收機。美國GPSGPS的空間局部是由24顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20200km的上空,均勻分布在6個軌道面上(每個軌道面4顆),軌道傾角為55°。此外,還有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,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就供給了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш搅α俊PS衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼,一組稱為C/A碼(Coarse/AcquisitionCode11023MHz); 一組稱為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。地面掌握局部地面掌握局部由一個主控站,5個全球監(jiān)測站和3個地面掌握站組成。監(jiān)測站均配裝有周密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到全部可見衛(wèi)星的承受機。監(jiān)測數(shù),然后將結(jié)果送到3把這些導航數(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展最終的注入。假設某地面站發(fā)降低。對于導航定位來說，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—描述衛(wèi)星運動及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設備是否正常 作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進展監(jiān)測和掌握。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準—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)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導航電文發(fā)給用戶設備。 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。用戶設備局部用戶設備局部即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按肯定衛(wèi)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。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充 電。關機后,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在測試架上的GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星是由洛克菲爾國際公司空間部研制的，衛(wèi)星重774kg71.5m(BLOCKI)5.33m承受日光面積為7.2m2。對日定向系統(tǒng)掌握兩翼電池帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對準太陽，為衛(wèi)星不斷供給電力，并給三組 15Ah鎘鎳電池充電，以保證衛(wèi)星在地球陰影局部能正常工作。在星體底部裝有12個單元的多波束定向天線，能放射張角大約為30度的兩個L波段〔19cm和24cm波〕的信號。在星體的兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)的通信 此外衛(wèi)星還裝有姿勢掌握系統(tǒng)和軌道掌握系統(tǒng)，以便使衛(wèi)星保持在適當?shù)挠蒅PS系統(tǒng)的工作原理可知，星載時鐘的準確度越高，其定位精度也越高。早期試驗型衛(wèi)星承受由霍普金斯大學研制的石英振蕩器，相對頻率10?11/天。誤差為141974gps10?12/8m。1977BOKCKII型承受了馬斯頻率和時間系統(tǒng)公司研制的銫原子鐘后相對穩(wěn)定頻率到達10?13/天,誤2.9m198110?14/天的氫BLOCKIIR1m。〔二〕衛(wèi)星定位原理用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置，三維方向以及原理介紹當蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國約翰·霍布斯金大學應用物理試驗室的爭論人員提出既然可以觀測站的位置知道衛(wèi)星位置，那么假設衛(wèi)星位置，應當也能測量出接收者的所在位置。這是導航衛(wèi)星的根本間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要到達這一目的，衛(wèi)星的位置可以依據(jù)星載時鐘所 記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)受的時間，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〕：當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1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/A碼頻率1.023MHz,重復周期一毫秒碼間距1微秒相當于300mP碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的根底上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛(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-{A|zh-cn:解調(diào)制;zh-tw:解調(diào)變}-出來，以50b/s-{A|zh-cn:調(diào)制;zh-tw:調(diào)變}-在載頻碼；每三十秒重復一次，每小時更一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內(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)。當用戶承受到導航電文時，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，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推WGS-84-{A|zh-cn:大地坐標系;zh-tw:大地坐標系}-中的位置速度等信息便可得知?？梢奊PS導航系統(tǒng)衛(wèi)星局部的作用就是不斷地放射導航電文。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-{A|zh-cn:坐標;zh-tw:x、y、zΔt間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以假設想知4坐標描述你的位置的一組數(shù)值，一般有維度〔北或南〕和經(jīng)度〔東 或西〕。UTM坐標系以米為單位測量你離赤道〔北或南〕和本初子午線〔東或西〕的GridReferenceSystem)UTM,但是把UTMGPS二維和三維坐標GPS你的平面位置，例如經(jīng)度和維度，稱作二維坐標，至少需要三顆GPS山峰或建筑物擋住了衛(wèi)星，你可能只能得到二維坐標。定時定位這是指你重啟動你的GPS接收器時，它確定現(xiàn)在位置所需的時間。對于十二通道接收器，假設你在最終一次定位位置的四周，冷啟動時的定位時間一般為三至五分鐘，熱啟動時為十五至三十秒，而對于雙通道接收器 冷啟動時大多超過十五分鐘，熱啟動時為二至五分鐘。為了使民用的準確度提升，科學界進展另一種技術，稱為差分全球定(DifferentialGPS),簡稱DGPS(由其它測量方法所得),來修正GPS的誤差。再把這個即時(realtime)GPS有2D導航和3D3D而且海拔高度精度明顯不夠，有時到達10倍誤差。但是在經(jīng)緯度方面經(jīng)改進誤差很小。衛(wèi)星定位儀在高樓林立的地區(qū)撲捉衛(wèi)星信號要花較長時間功能及特點準確定時：廣泛應用在天文臺、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 量?？碧綔y繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到。：武器導航：準確制導、巡航；船舶導航：遠洋導航、港口/內(nèi)河引水；飛機導航：航線導航、進場著陸掌握 ；星際導航：衛(wèi)星軌道定位；。：1、車輛防盜系統(tǒng)；2PDA，PPC等通信移動設備防盜，電子地圖，定位系統(tǒng)；3、兒童及特別人群的防喪失系統(tǒng)；4、精準農(nóng)業(yè)：農(nóng)機具導航、自動駕駛，土地高精度平整。1、全天候，不受任何天氣的影響；2、全球掩蓋〔98%〕；3、三維定點定速定時高精度；4、快速、省時、高效率；5、應用廣泛、多功能；6、可移動定位?！踩超F(xiàn)狀及進展趨勢〔工程案例〕GPS。軍用GPS產(chǎn)品主要用來確定并跟蹤在野外行進中的士兵和裝備的坐標給海中的軍艦導航，為軍用飛機供給位置和導航信息等。定位系統(tǒng)組成〔GPS〕測量標準》已于己于人1992101日起實施。此外，在軍事部門、交通部門、郵電部門、地礦、煤礦、石油 、建筑以及農(nóng)業(yè)、氣象、土地治理、金融、公安等部門和行業(yè)，在航空航天 測時授時、物理探礦、姿勢測定等領域，也都開展了GPS技術的爭論和應用。制開發(fā)了GPS靜態(tài)定位和高動態(tài)高精度定位軟件以及周密定軌軟件。在理論爭論與應用開發(fā)的同時，培育和造就了一大批技術人才和產(chǎn)業(yè)隊伍。近幾年，我國已建成了北京、武漢、上海、西安、拉薩、烏魯木齊等GPS跟蹤站，進展對GPS衛(wèi)星的周密定軌，為高精度的GPS測量供給觀測數(shù)據(jù)和周密星歷效勞，致力于我國自主的廣域差分GPS〔WADGPS〕方案的建立，參與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)〔GNSS〕和GPS〔WAAS〕的籌建。同時，我國已著手建立自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)〔雙星定位GPSGPS1995年成立了中國GPS設四個專業(yè)委員會，期望通過廣泛的溝通與合作，進展我國的GPS術。海、空和陸地的導航，的制導，大地測量和工程測量的周密定位，時GPS高精度的全國性的大地測量掌握網(wǎng)，測定全球性的地球動態(tài)參數(shù)；用于建立陸地海洋大地測量基準，進展高精度的海島陸地聯(lián)測以及海洋測繪；用于監(jiān)測地球板塊運動狀態(tài)和地殼形變；用于工程測量，成為建立城市與工程掌握網(wǎng)的主要手段。用于測定航空航天攝影瞬間的相機位置，實現(xiàn)僅有少量地面掌握或無地面掌握的航測快速成圖，導致地理信息系統(tǒng)、全球環(huán)很多商業(yè)和政府機構(gòu)也使用GPS設備來跟蹤他們的車輛位置，這一般需要借助無線通信技術。一些GPS接收器集成了收音機、無線和移動數(shù)據(jù)終端來適應車隊治理的需要。全球定位系統(tǒng)技術現(xiàn)廣泛應用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、交通、航空、測繪、安全防范、軍事、電力、通訊、城市管理等部門?！菜摹橙蛩拇笮l(wèi)星定位系統(tǒng)〔儀器〕1、美國GPS由美國國防部于20世紀70年月初開頭設計、研制，于1993年全部建成。199410只向外國供給低精度的衛(wèi)星信號。據(jù)信該系統(tǒng)有美國設置的“后門”，一旦發(fā)生戰(zhàn)斗，美國可以關閉對某地區(qū)的信息服務。GPSITPCWorld一家不能倒閉的銀行。??對于歐洲‘伽利略’系統(tǒng)的支持者來說，用戶對美國GPS喪失信念明顯是他們最情愿看到的事情?！?歐盟于1999年首次公布伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)打算，其目的是擺脫歐洲對美國全球定位系統(tǒng)的依靠，打破