全球卫星定位导航技术

全球卫星定位系统全球卫星定位系统学号学号10202350233六、全球卫星定位导航技术〔一〕全球卫星定位系统的根本概念：GPS〔GlobalPositioningSystem〕全球卫星定位系统，中文简称为“球位系”，是一个中距离圆型轨道卫星导GPS美国从本世纪7020余年,耗资200亿美元,于1994全面建成，具有在海、陆、空进展全方位实施三维导航与定位力量的一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用说明,全球定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点信任，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。目前全球定位系统是美国其次代卫星导航系统，使用者只需拥有GPSGPS〔SPS，StandardPositioningService〕和军规的准确定位效劳〔PPS，PrecisePositioningService〕两类。由于SPS用，原本美国由于担忧敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地参加误差(即SASelectiveAvailability)以降低1002023年以后，克林顿政府打算取消对民用讯号的干扰。因此，现在民GPSGPSGPSGPSGPSGPS导航仪只是GPS系统运用中的一局部。GPS系统是迄今最好的导航定位系统，随着它的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断的开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开头逐步深入人们的日常生活。自1978年以来已经有超过50GPSNAVSTAR卫星进入轨道。中国北斗卫星前身GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit〕，19586456每天最多绕过地球13-{A|zh-cn:信息;zh-tw:讯}-，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的阅历，并验证了由卫星系统进展定位的可行性，为及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种的卫星导航系统。为此,美国海军争论试验室(NRL)Tinmation”的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网打算，并于676974GPS621-B45341颗承受同步轨道外其余的都使用周期为24h轨道(PRN)强大的功能，当信号密度低于环境噪声的１％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运GPS系统得以取得成功的一个重要根底。海军的打算主要用于为舰船供给低动态的2维定位，空军的打算能供供给高动态效劳，然而系统过于简单。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个打算都是为了供给全球定位而设计的，所以19732〔JPO)洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。打算GPS打算在联合打算局的领导下诞生了，该方案将24120度的三个轨道上。每个轨道上有869100m,10mGPS打算部得不削减卫星放射数量，改为将18互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星牢靠性得不到保障。1988年又进展了最后一次修改：21颗工作星和3颗备份星工作在互成30度的6打算实施卫星定位图示GPS打算的实施共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1978年到1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地承受双子426560km,64令人满足。其次阶段为全面研制和试验阶段7“BLOCKI”的试验卫星，用粗码定位，其精度就可达14第三阶段为有用组网阶段198924GPS工作卫星放射成功，这一阶段的卫星称为IIA”GPS1993年底有用的GPS〔21+3〕GPS全球定位系统组成系统由监控中心和移动终端组成，监控中心由通讯效劳器及监控终端GSM/GPRS承受发送模块组成。事实上GPS定位系统是以GSM、GPS、GIS组成具有高技术的“3G”GPS接收机的构造分为：天线单元和接收单元两大局部。全球定位系统组成部分GPSGPS(GPS24组成的星座，其中21颗是工作卫星，3颗是备份卫星)；地面掌握局部—地GPS信号接收机。美国GPSGPS的空间局部是由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。这就供给了在时间上连续的全球导航力量。GPS卫星产生两组电码,一组称为C/A码(Coarse/AcquisitionCode11023MHz); 一组称为P码(ProciseCode10123MHz),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,主要为美国军方效劳。C/A码人为实行措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。地面掌握局部地面掌握局部由一个主控站,5个全球监测站和3个地面掌握站组成。监测站均配装有周密的铯钟和能够连续测量到全部可见卫星的承受机。监测数,然后将结果送到3把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进展最终的注入。假设某地面站发降低。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态点。星的位置是依据卫星放射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常 作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进展监测和掌握。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测 各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。用户设备局部用户设备局部即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按肯定卫的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出时间等信息。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。GPS接收机的构造分为天线单元和接收单元两局部。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充 电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丧失。目前各种类型的承受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。GPS在测试架上的GPS卫星GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，卫星重774kg71.5m(BLOCKI)5.33m承受日光面积为7.2m2。对日定向系统掌握两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断供给电力，并给三组 15Ah镉镍电池充电，以保证卫星在地球阴影局部能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能放射张角大约为30度的两个L波段〔19cm和24cm波〕的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信 此外卫星还装有姿势掌握系统和轨道掌握系统，以便使卫星保持在适当的由GPS系统的工作原理可知，星载时钟的准确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星承受由霍普金斯大学研制的石英振荡器，相对频率10−11/天。误差为141974gps10−12/8m。1977BOKCKII型承受了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率到达10−13/天,误2.9m198110−14/天的氢BLOCKIIR1m。〔二〕卫星定位原理用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及原理介绍当苏联发射了第一颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学应用物理试验室的争论人员提出既然可以观测站的位置知道卫星位置，那么假设卫星位置，应当也能测量出接收者的所在位置。这是导航卫星的根本间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要到达这一目的，卫星的位置可以依据星载时钟所 记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经受的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距〔PR〕：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒码间距1微秒相当于300mP码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的根底上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正 电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中-{A|zh-cn:解调制;zh-tw:解调变}-出来，以50b/s-{A|zh-cn:调制;zh-tw:调变}-在载频码；每三十秒重复一次，每小时更一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户承受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做比照便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推WGS-84-{A|zh-cn:大地坐标系;zh-tw:大地坐标系}-中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星局部的作用就是不断地放射导航电文。然而，由于用户承受机使用的时钟与卫星星载时钟不行能总是同步，所以除了用户的三维-{A|zh-cn:坐标;zh-tw:x、y、zΔt间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以假设想知4坐标描述你的位置的一组数值，一般有维度〔北或南〕和经度〔东 或西〕。UTM坐标系以米为单位测量你离赤道〔北或南〕和本初子午线〔东或西〕的GridReferenceSystem)UTM,但是把UTMGPS二维和三维坐标GPS你的平面位置，例如经度和维度，称作二维坐标，至少需要三颗GPS山峰或建筑物挡住了卫星，你可能只能得到二维坐标。定时定位这是指你重启动你的GPS接收器时，它确定现在位置所需的时间。对于十二通道接收器，假设你在最终一次定位位置的四周，冷启动时的定位时间一般为三至五分钟，热启动时为十五至三十秒，而对于双通道接收器 冷启动时大多超过十五分钟，热启动时为二至五分钟。为了使民用的准确度提升，科学界进展另一种技术，称为差分全球定(DifferentialGPS),简称DGPS(由其它测量方法所得),来修正GPS的误差。再把这个即时(realtime)GPS有2D导航和3D3D而且海拔高度精度明显不够，有时到达10倍误差。但是在经纬度方面经改进误差很小。卫星定位仪在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间功能及特点准确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中。工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量承受 量。勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到。：武器导航：准确制导、巡航；船舶导航：远洋导航、港口/内河引水；飞机导航：航线导航、进场着陆掌握 ；星际导航：卫星轨道定位；。：1、车辆防盗系统；2PDA，PPC等通信移动设备防盗，电子地图，定位系统；3、儿童及特别人群的防丧失系统；4、精准农业：农机具导航、自动驾驶，土地高精度平整。1、全天候，不受任何天气的影响；2、全球掩盖〔98%〕；3、三维定点定速定时高精度；4、快速、省时、高效率；5、应用广泛、多功能；6、可移动定位。〔三〕现状及进展趋势〔工程案例〕GPS。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标给海中的军舰导航，为军用飞机供给位置和导航信息等。定位系统组成〔GPS〕测量标准》已于己于人1992101日起实施。此外，在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油 、建筑以及农业、气象、土地治理、金融、公安等部门和行业，在航空航天 测时授时、物理探矿、姿势测定等领域，也都开展了GPS技术的争论和应用。制开发了GPS静态定位和高动态高精度定位软件以及周密定轨软件。在理论争论与应用开发的同时，培育和造就了一大批技术人才和产业队伍。近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等GPS跟踪站，进展对GPS卫星的周密定轨，为高精度的GPS测量供给观测数据和周密星历效劳，致力于我国自主的广域差分GPS〔WADGPS〕方案的建立，参与全球导航卫星系统〔GNSS〕和GPS〔WAAS〕的筹建。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统〔双星定位GPSGPS1995年成立了中国GPS设四个专业委员会，期望通过广泛的沟通与合作，进展我国的GPS术。海、空和陆地的导航，的制导，大地测量和工程测量的周密定位，时GPS高精度的全国性的大地测量掌握网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进展高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程掌握网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面掌握或无地面掌握的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环很多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线和移动数据终端来适应车队治理的需要。全球定位系统技术现广泛应用于农业、林业、水利、交通、航空、测绘、安全防范、军事、电力、通讯、城市管理等部门。〔四〕全球四大卫星定位系统〔仪器〕1、美国GPS由美国国防部于20世纪70年月初开头设计、研制，于1993年全部建成。199410只向外国供给低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的“后门”，一旦发生战斗，美国可以关闭对某地区的信息服务。GPSITPCWorld一家不能倒闭的银行。„„对于欧洲‘伽利略’系统的支持者来说，用户对美国GPS丧失信念明显是他们最情愿看到的事情。”2欧盟于1999年首次公布伽利略卫星导航系统打算，其目的是摆脱欧洲对美国全球定位系统的依靠，打破