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解读全球卫星定位系统

2014/8/26 10:02:37点击:


从来没有那个事物像全球GPS卫星定位系统那样改变了人类的生活,你能想象没有GPS的生活情境吗?打开GPS,地球上空的卫星在几分钟之内就会锁定你的位置,它还会告诉你行进的速度、所处位置的海拔高度……一切的一切,在习以为常之后,你是否觉得都这些是理所当然?


  全球卫星定位系统(GPS),最早由美国政府与70年代建设,前身是一套专为美军研制的定位系统,出于军用考量,为防止敌方通过定位信号截获美军的位置,定位系统被设定为单向传输,即GPS终端只接受卫星信号而不向外发射信号,这一特性也为GPS的民用领域奠定了基础。


  目前,世界上可以提供精确定位的全球定位系统共有四种:美国的GPS定位系统俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)定位系统中国的北斗定位系统欧盟的伽利略定位系统。目前美国的GPS定位系统最为成熟,覆盖面也最广。


  以美国GPS系统为例,主要由三部分组成:空间星座,包括21颗工作卫星和3颗备用卫星;地面监控系统,包括1个主控站、3个注入站和5个监控站组成;用户设备,即GPS接收机,主要作用是从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。


  24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上,即每个平面上4颗卫星。各个轨道面都被设定为特定的角度。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻,每个接收机至少可以接收到4颗卫星的信号。没颗卫星每时每刻都在向全球播报自己的位置信号。


  既然GPS接收端不向卫星发送任何信息,只是被动的接收卫星数据,而卫星只是在播报自己的位置,那么GPS系统是如何通过这些数据来确定用户的位置的?在这里,就不得不提定位系统中的重中之重——原子钟与GPS芯片。


  如果GPS芯片的作用可以理解的话,但原子钟是用来干嘛的?计时的工具怎么会和定位有关联呢?还是要回到定位原理的话题上来,卫星在广播自己位置信息的同时,会附上信息发出的时间,GPS终端接收到信息后,用当前时间减去发送时间,再乘以传播速度(光速),即可以得出终端与卫星的距离。


  读懂卫星发来的信息并进行相关运算,这些既是GPS芯片的核心功能。而为了能精确的测定接收终端与卫星的距离,在光速确定的情况下,时间必须精准,原子钟就是为了保证时间的精度。因为时间上再微小的误差,在乘以光速之后都会谬以千里。


  但为什么是4颗?根据立体几何知识,三维空间中,三个坐标就可以确定一个点的位置。这样的话,只需要3颗卫星就足够了,多出一颗是做什么的呢?但事实上,要想进行定位,必须要四颗。


  三颗卫星定位只是理想的状态下,光速的数字实在太大,对时间精度有极高的要求,同时,光速在大气中也会受到一定的影响而产生误差,卫星广播自己的位置也会有误差,这些误差的存在,使得3颗卫星不足以保证定位的精度。


  根据爱因斯坦相对论,快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢,卫星上的时钟就和地球的时钟不同步,这样每天GPS卫星都会产生38微秒的偏差,即每天将会增大11千米的误差,这种误差也必须进行补偿。


  所以,要进行的有效的定位,必须引入第四颗卫星来提高定位精度。而在日常生活中,实际应用上的定位卫星数量往往大于这个数量,理论上GPS接收机搜到的卫星数量越多则定位越精准。


  以上是最常用的美国GPS导航系统定位原理,我国的北斗导航系统与之相比,其原理略有不同,在相关功能上有所创新,从应用的角度来说,相比GPS,北斗导航系统有着不少独特的优势。


  与美国GPS系统类似,北斗导航系统由空间段、地面段、用户段三部分组成。空间段,北斗导航系统计划由35颗卫星组成,包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。


  地面段由主控站、注入站、监测站组成。主控站用于系统运行管理与控制,注入站用于向卫星发送信号,对卫星进行控制管理,用户段即用户的终端,接收机需要捕获并跟踪卫星的信号,根据数据按一定的方式进行定位计算。


  第一代北斗导航系统的定位原理属于有源定位,需要用户终端主动发送信号,可靠性较差,最新的第二代北斗导航系统已采用了类似GPS的无源定位技术。即用户至少接收4颗卫星信号来定位。


  由于卫星数量多余美国GPS定位系统,因此北斗定位系统的定位信号更强,精度也更高。而且北斗定位系统拥有独一无二的短报文传讯功能,可用于军事、救援、科研等许多方面。可同时解决“我在哪?”和“你在哪?”


  近日,国航天科工信息技术研究院西安航天华迅公司日前宣布,成功研发出第四代高性能北斗/GPS导航芯片。该芯片定位精度为2.5米,俘获灵敏度、跟踪灵敏度等各项性能指标达到国际领先水平,已经超过了目前GPS的民用定位精度。