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卫星导航定位系统工作原理

浏览:904     发表时间:2017-11-21 14:27:21

卫星导航定位系统工作原理


    以下是如何GPS工作的五个逻辑步骤:  

1. 全球定位系统的基础是三角测量   

2. 为了进行三角计算,GPS接收机利用电磁波电信号的传播时间计算距离。   

3. 为了测量电磁波信号传播时间,全球定位系统需要有非常精确的时间系统,设计者 们使用了一些技巧实现了这种设计。   

4. 除了距离,我们还需要知道卫星在太空中的位置。   

5. ***,你必须修正信号通过大气层时引起的任何延迟。 


1、三角测量  我们用的是“三角测量”这里很不严谨的,因为它是一个词大多数人可以理解,但是纯粹主义者也不会要求什么全球定位系统是“三角测量”,因为没有涉及的角度。但这里的确是“三边”。利用三角形几何学知识可知,测边是确定对象相对位置的一种方法。

整个全球定位系统的构思是利用远在太空的卫星作为参考点为地球上的位置定位,它看起来上似乎是不可能的,但是它的的确确是正确的,通过我们非常、非常精确地测量出到三颗卫星的距离,就可以计算出我们在地球上任何的位置。  

我们的接收机是如何计算出这个距离的。我们将稍后讲解。首先考虑如何利用到三颗卫星的距离准确的找到你的位置。 


几何学上的创意:  

步骤一:假设我们测量到我们到卫星的距离是11,000英里。我们可能的位置是一个是以这个卫星为中心,半径为11,000英里球面上。

步骤二:下一步,我们假设测量出我们距第二颗卫星的距离为12,000英里。这告诉我们,我们不仅在***球,我们也在以第二颗卫星中心半径为12,000英里的球面上。或者换句话说,我们的处在这两个球面相交的一个圆上。

步骤三:如果我们观测到第三颗卫星,并且测量到此卫星的距离为13,000英里,这样我们又缩小了我们位置的可能性——第三个球与第二步中产生的圆的交集将为两个点。这样,通过在太空中三颗卫星,我们可以将我们位置的可能性缩小到两点。

要决定哪一个是我们真正的位置,我们可以进行第四次测量。但通常这两个点之一是一个不可能的答案(或者距离地球太远,或以不可能的速度在移动),所以可以不需要经过第四次测量即可判断我最终的点。


2、距离测量  

我们看到在上一节中看到至少要利用3颗卫星才能计算出位置。 

数学上的创意:  从某种意义上说,整个事情归结为那些“速度乘以时间等于距离”的数学问题,和我们在高中一样,比如:“如果一辆车以每小时60英里的速度行驶两小时,它旅行了多远?”  


速度(60英里)x时间(2小时)=距离(120英里)  在全球定位系统重,我们衡量的是一个无线电信号,速度将是光的速度,或大约每秒186,000英里。问题的关键在于判断“旅行的时间”。时间是比较棘手的问题, 我们需要精确的时钟来衡量卫星信号传播到接收器所花费的时间。  


时间是比较棘手的问题,我们需要精确的时钟来衡量卫星信号传播到接收机所花费的时间。 首先,时间非常的短。如果卫星在头顶,传播的时间大约是0.06秒一样短暂的东西。因此,我们将需要一些真正精确的时钟。我们将很快谈论这些。


其次,假设我们有精确的时钟,我们怎么衡量的信号传播的时间呢?为了解释它,让我们使用一个愚蠢的比喻:  假设有一个办法让卫星和接收机在中午12时正准时同时播放“国歌”。如果声音可以从太空传到我们这里(这当然是荒谬的),然后在接收机端,我们会听到两个版本的国歌:一个从我们的接收机传过来和一个从卫星传过来。这两个版本是不同步的。从卫星传来的版本将会有一个小小的延迟,因为它不得不穿越超过11,000英里的距离。  

如果我们想看看从卫星传来的版本究竟延迟了多长时间,我们可以先推迟接收机的版本,直到他们进入完美的同步播放。  我们回调接收机版本的时间是就等于卫星版本国歌传播的时间。所以,当我们用这个时间乘以光速时,OK,我们就得到了接收机到卫星的距离。

3、获取精确时间  如果衡量一个无线电信号的传播时间是GPS的关键,那么我们就可以使用我们的手表进行计时了么,答案是不行的,因为如果即使他们的时间只是偏移了千分之一秒,以光的速度,就形成了近200英里的错误!  


在卫星方面,时间几乎是精确的,因为他们有非常精确的原子钟上。 

 

但是对于我们在地面上的接收机呢?无论如何请记住,无论是卫星和接收机必须精确同步的伪随机码,才能保证系统的精确工作。 如果我们的接收机需要原子钟(需要花费5万美元以上至10万),那么全球定位系统将是一个跛脚的技术。没有人能够负担得起。 


幸运的是全球定位系统的设计者想出了一个经典的小把戏,让我们能够使用上有更精确的时钟的接收机。得益于这一关键的技术,使得每个GPS接收机从本质上拥有了类似于原子时钟一样精确的时间系统。 


秘密在于利用第四颗的卫星进行额外的距离测量。如果三个精确的测量可以确定一个三维空间的点话,那么四个不精确的测量同样可以做到。这一观点对于GPS来说是如此重要,我们将有一个单独的说明部分,显示它是如何工作的工作。


如果我们的接收机的时钟是精确的,那么我们所有的以卫星为中心接收机到卫星距离为半径形成的球面将相交于一个点(这点就是我们的位置)。但如果不够精确的话,第四个测量,作为一个交叉检查工作,将不会与前三个相交。因此,接收机的控制中心说:“嗯,哦!那里是我的测量误差。我不能精确同步通用时间。  


因为任何时间偏移会影响我们所有的测量,所以所接收机在寻找一个与其有关的校正因子,然后从所有的时间测量重减去它,从而使得他们都相交于一个点。 若还不理解,我们可以用数学的方式来解释:  假设卫星i的空间位置已知为(Xi、Yi、Zi),而接收机的空间位置是位置的为(X、Y、Z),接收机到卫星i的距离为Pi,由于接收机时间偏差引起的误差而引入的校正因子q。


这样带来的效果就是使得接收机的时钟与通用时间得到了同步,恭喜——你获得了具有原子钟精度的时间的接收机。一旦得到了这种校正因子,并将它应用到余下的所有的测量,我们将得到精确的定位。  


这一原则带来一个后果:任何像样的GPS接收机必须有至少四个通道(channels),以便它可以同时进行进行四个距离测量。随着伪随机码作为时间同步的凭据,以及这额外的第四次测量的技巧让我们与通用时间得到了精确的同步的实现,我们已经得到的一切我们需要精确衡量我们与在太空的卫星的距离的。但对于三角测量工作,我们不仅需要知道距离,我们还需要知道卫星确切的位置。


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