分享

GPS卫星导航系统

 tanyou 2014-11-13
  
 
 全球定位系统(Global Positioning System,简称GPS),是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
目录
展开


 


特点

1、全球,全天候工作:

能为用户提供连续,实时的三维位置,三维速度和精密时间。不受天气的影响。

2、定位精度高:

单机定位精度优于10米,采用差分定位,精度可达厘米级和毫米级。

3、功能多,应用广:

随着人们对GPS认识的加深,GPS不仅在测量,导航,测速,测时等方面得到更广泛的应用,而且其应用领域不断扩大。

发展

卫星定位系统出现之前,远程导航与定位主要用无线导航系统。

1、无线电导航系统

罗兰--C:工作在100KHZ,由三个地面导航台组成,导航工作区域2000KM,一般精度200-300M。

Omega(奥米茄):工作在十几千赫。由八个地面导航台组成,可覆盖全球。精度几英里。

多卜勒系统:利用多卜勒频移原理,通过测量其频移得到运动物参数(地速和偏流角),推算出飞行器位置,属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。

缺点:覆盖的工作区域小;电波传播受大气影响;定位精度不高

2、卫星定位系统

最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统(Transit),1958年研制,64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小(5-6颗),运行高度较低(平均1000KM),从地面站观测到卫星的时间隔较长(平均1.5h),因而它无法提供连续的实时三维导航,而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。

发展历程

GPS实施计划共分三个阶段:

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。

第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准。

第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。

原理

1、GPS系统的组成

GPS由三个独立的部分组成:

空间部分:21颗工作卫星,3颗备用卫星。

地面支撑系统:1个主控站,3个注入站,5个监测站。

用户设备部分:接收GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息,经数据处理,完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。

定位原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:

上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数,其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。

di(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

△ti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

c为GPS信号的传播速度(即光速)。

四个方程式中各个参数意义如下:

x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。

xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,

可由卫星导航电文求得。

Vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。

Vto为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。

DGPS原理

目前GPS系统提供的定位精度是优于10米,而为得到更高的定位精度,我们通常采用差分GPS技术:将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数,并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时,也接收到基准站发出的改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。差分GPS分为两大类:伪距差分和载波相位差分。

1.伪距差分原理

这是应用最广的一种差分。在基准站上,观测所有卫星,根据基准站已知坐标和各卫星的坐标,求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较,得出伪距改正数,将其传输至用户接收机,提高定位精度。这种差分,能得到米级定位精度,如沿海广泛使用的“信标差分”。

2.载波相位差分原理

载波相位差分技术又称RTK(RealTimeKinematic)技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机,进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。

GPS构成

1。空间部分

GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km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3 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,并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题,随着时间的推移,导航精度会逐渐降低。

2. 地面控制系统

地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。

3。用户设备部分

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,就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。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。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,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。

GPS的发展应用

发展应用

现在,人们越来越意识到GPS作用的重大及其应用领域的广阔,除军事应用外,它已被广泛应用于航天、航空、航海、测量、勒探等诸多领域,随着GPS接收板价格的不断下降和其性能的不断提高,GPS系统在汽车防盗上的应用越来越普遍,当汽车被盗时,GPS系统可不断提供被盗车辆的位置,从而配合警方快速出警,打击犯罪。例如:目前效力于意大利国际米兰队的世界著名球星罗纳尔多,在里约热内卢度假时驾驶自己心爱的宝马车遭到五名手持武器的劫匪打劫,幸运的是,罗纳尔多的宝马车装有卫星定位系统,不出1小时,被抢走的车就物归原主了。正如专家所预言的那样,GPS将改变汽车防盗行业的经营方式,它将是继计算机革命之后的又一场革命。

应用领域

GPS适合用于:车载GPS系统,GPS系统,出租车GPS,物流GPS,汽车GPS,汽车全球定位,汽车防盗,GPS防盗,车载GSM,汽车位置服务,运钞车GPS,公交车队GPS,车载GPS,导航GPS,110联动GPS,公安巡逻GPS,120急救GPS,119火警GPS,中国移动GSM网络汽车锁,GSM汽车防盗汽器,报警器,防盗报警器,防盗器,防盗报警,防盗系统,防盗产品,家用防盗报警器,汽车单、双向报警器,家庭防盗系统,楼宇对讲倒车雷达,汽车定位,摩托车防盗器,电动车防盗器,移动/联通GSM新业务,GPS导航,GPS汽车定位,GPS防盗器,GPS导航仪全球定位,GPS-GPRS-GSM全球卫星定位

 

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多