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简述卫星定位系统的构成和工作原理

浏览:731     发表时间:2018-02-07 08:27:17
简述卫星定位系统的构成和工作原理    

1  引言 


全球卫星定位系统(Global Positioning System)是由美国国防部于上世纪七十年代开始研制的一代新的卫星导航系统。其初始目的是为美国的海陆空三军提供实时,全天候和全球性的导航服务。在历经20年的不断建设和完善过后,其以能为全世界的目标提供三维坐标,三维速度和时间信息。因为GPS定位有高精度、高效率和低成本的优点,其在各领域得到了广泛的应用。其在国民生产中的地位可想而知。我国已在2003发射了***颗北斗导航卫星,开始了我国的“北斗”卫星导航系统的建设。  


2  卫星定位系统的构成  

卫星定位系统由三部分组成:空间部分———GPS卫星;地面控制部分———地面监控系统;用户设备部分———GPS 信号接收机。下面逐一简绍。


2.1  GPS卫星       

全球卫星定位系统的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km 的上 空, 均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)轨道倾角为55°。此外, 还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码,一组称为C/A码(Coarse/Acquisition Code1.023MHz);一组称为P码(Procise Code10.23MHz),P码因频率较高,不易受干扰, 定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码, 一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。  


2.2  地面监控系统

GPS系统的地面支撑部分由设在美国本土的1个主控站大西洋及太平洋的3个注入站和上述各站及夏威夷5个监控站组成。这些站不间断地对GPS卫星进行观测,主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站并将 计算和预报的信息传给GPS注入站,并对GPS卫星进行信息更新。

2.3用户接收设备 

   用户设备部分即GPS 

信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。


3  卫星定位系统工作原理       

全球卫星定位系统的定位原理就是要得到用户(载体)高精度的瞬时位置。由于不能保证接收机的时钟和卫星的时钟同步所以引入时间误差t? ,同时多接收第4颗卫星的信号,可以消除t?的影响。定位过程是: 首先, 根据卫星广播的星历,计算出第i颗卫星的准确位置 i x , i y , i z其次根据测量的码伪距或相位伪距,计算出用户与第i颗卫星之间的相对距离 id ;  ***根据导航方法计算出用户的三维位置x,y,z 。如图 Fig4 ,假t时刻在地面待测 点上安置 GPS 接收机,根据接收机所接收到的卫星星历等数据可以确定以下四个方程


4  结论 

   GPS卫星定位系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。其具有全天候,全覆盖,三维定速定时高精度,快速省时高效率的特点,在各领域有极大的用途。具有广泛的前景。


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