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        GPS衛星定位體系結構詳解

        2019/3/29 15:33:23互聯網發布者:佚名 【字體:

        GPS衛星定位體系結構詳解

        GPS衛星定位體系結構詳解

        GPS概述

          GPS(Global Positioning System - GPS - 全球定位系統)是美國從本世紀70年代開始研制,歷時20年,耗資200億美元,于1994年全面建成,具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位本領的新一代衛星導航與定位系統。經近10年我國測繪等部門的使用表明,GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點,博得廣大測繪工作者的信任,并成功地應用于大地測量、工程測量、航空拍照測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘探、地球動力學等多種學科,從而給測繪領域帶來一場深入的技術改革。

          隨著全球定位系統的不停改進,硬、軟件的不停更新換代,應用領域正在不停地開拓,現在已普遍國民經濟各種部門,并開始逐步深化人們的日常生活。

         

        GPS衛星定位體系結構詳解

         

          GPS系統包括三大部分:

          1、空間部分―GPS衛星星座;

          2、地面控制部分―地面監控系統;

          3、用戶設備部分―GPS信號接收機。

         

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        衛星及星座

          GPS衛星星座由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成,記作(21+3)GPS星座。 24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內,軌道傾角為55度,各個軌道平面之間相距60度, 即軌道的升交點赤經各相差60度。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度, 一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。

          在兩萬公里高空的GPS衛星,當地球對恒星來說自轉一周時,它們繞地球運行二周, 即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣,對于地面觀察者來說,每天將提前4分鐘見到同一顆GPS 衛星。位于地平線以上的衛星顆數隨著時間和地點的差別而差別,最少可見到4顆, 最多可見到11顆。在用GPS信號導航定位時,為了結算測站的三維坐標,必須觀察4顆 GPS衛星,稱為定位星座。這4顆衛星在觀察歷程中的幾何地位分布對定位精度有一定的 影響。對于某地某時,甚至不能測得準確的點位坐標,這種時間段叫做“間隙段”。但這種 時間間隙段是很短暫的,并不影響全球絕大多數地方的全天候、高精度、連續實時的導航定位測量。 GPS工作衛星的編號和試驗衛星根本相同。

        地面監控系統

          對于導航定位來說,GPS衛星是一動態已知點。星的位置是依據衛星發射的星歷―描述衛星運動及其軌道的參數算得的。每顆GPS衛星所播發的星歷,是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作,以及衛星是否一直沿著預定軌道運行,都要由地面設備進行監測和控制。地面監控系統另一重要作用是保持各顆衛星處于統一時間標準―GPS時間系統。這就必需地面站監測各顆衛星的時間,求出鐘差。然后由地面注入站發給衛星,衛星再由導航電文發給用戶設備。GPS工作衛星的地面監控系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站。

         

        GPS衛星定位體系結構詳解

         

        用戶設備

          1、GPS信號接收機

          GPS 信號接收機的任務是:可以捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號,并跟蹤這些衛星的運行,對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理,以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間,解譯出GPS衛星所發送的導航電文,實時算出測站的三維地位,甚至三維速度和時間。

          靜態定位中,GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛星的歷程中固定不變,接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間,利用GPS衛星在軌的已知地位,解算出接收機天線地點地位的三維坐標。而動態定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。GPS信號接收機所位于的運動物體叫做載體(如航行中的船艦,空中的飛機,行走的車輛等)。載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛星的歷程中相對地球而運動,接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態參數(時間、三維地位、三維速度)。

          接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包,組成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說,兩個單位一般分為兩個獨立的部件,觀察時將天線單元安裝在測站上,接收單元位于測站相近的地方,用電纜線將兩者連成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制造成一個整體,觀測時將其安置在測站點上。

          GPS接收機一般用蓄電池做電源,同時采用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時不中斷連續觀測。在用機外電池的歷程中,機內電池自動充電。關機后,機內電池為RAM存儲器供電,以防備丟失數據。

          近幾年,國內引進了很多種案例的GPS測地型接收機。各種范例的GPS測地型接收機用于精密相對定位時,其雙頻接收機精度可達5mm+1PPM.D,單頻接收機在一定距離內精度可達10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可達亞米級至厘米級。

          現在,各種范例的GPS接收機體積越來越小,重量越來越輕,便于田野觀察。GPS和GLONASS 兼容的全球導航定位系統接收機已經問世。

          2、GPS接收機的分類

          GPS衛星發送的導航定位信號,是一種可供無數用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶,只要用戶擁有可以接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備(即GPS信號接收機)?梢栽谌魏螘r候用GPS信號進行導航定位測量。根據利用目的地差別,用戶要求的GPS信號接收機也各有差異,F在世界上已有幾十家工場生產GPS接收機,產品也有幾百種。這些產品可以根據原理、用處、功能等來分類。

          2.1、按接收機的用處分類

          1. 導航型接收機

          此范例接收機主要用于運動載體的導航,它可以實時給出載體的地位和速度。這類接收機平常采用C/A碼偽距測量,單點實時定位精度較低,一樣平常為±25mm,有SA影響時為±100mm。 這類接收機價格便宜,應用普及。根據應用領域的差別,此類接收機還可以進一步分為:

          車載型――用于車輛導航定位;

          航海型――用于船舶導航定位;

          航空型――用于飛機導航定位。由于飛機運行速度快,因此,在航空上用的接收機 要求能適應高速運動。

          星載型――用于衛星的導航定位。由于衛星的速度高達7km/s以上,因此對接收機的要求更高。

          2. 測地型接收機

          測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀察值進行相對定位,定位精度高。儀器結構龐大,價格較貴。

          3. 授時型接收機

          這類接收機主要利用GPS衛星提供的高精度時間標準進行授時,常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。

          2.2、按接收機的載波頻率分類

          單頻接收機

          單頻接收機只能接收L1載波信號,測定載波相位觀察值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響,單頻接收機只適用于短基線(<15km)的精密定位。

          雙頻接收機

          雙頻接收機可以同時接收L1,L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣,可以消除電離層對電磁波信號的延遲的影響,因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。

          2.3、按接收機通道數分類

          GPS接收機能同時接收多顆GPS衛星的信號,為了分離接收到不同衛星的信號,以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測,具有這樣功效的器件稱為天線信號通道。根據接收機所具有的通道種類可分為:

          多通道接收機

          序貫通道接收機

          多路多用通道接收機

          2.4、按接收機工作原理分類

          碼相關型接收機

          碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀察值。

          平方型接收機

          平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調制信號,來恢復完整的載波信號通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差,測定偽距觀察值。

          混淆型接收機

          這種儀器是綜合上述兩種接收機的優點,既可以得到碼相位偽距,也可以得到載波相位觀察值。

          干預干與型接收機

          這種接收機是將GPS衛星作為射電源,采用干預測量方法,測定兩個測站間距離。

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