衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理及各國發(fā)展的歷史(編輯修改稿)
2025-07-18 14:00 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 導(dǎo)航電文、指令傳送到注入站。3個注入站分別位于阿松森、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭——赤道帶附近的美國海外空軍基地。注入站主要任務(wù)是：將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文、控制指令注入相應(yīng)的衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測GPS衛(wèi)星注入信息的正確性。 全球定位系統(tǒng)的技術(shù)特點 （1）定軌精度：目前的GPS衛(wèi)星的跟蹤技術(shù)條件，以及地球重力場模型的球階函數(shù)的引力攝動修正等等精確定軌的推算技術(shù)手段，都比70年代優(yōu)勝高明得多，因此衛(wèi)星定軌精度也比過去高得多。 廣播星歷：是由美國本土以及海外軍事基地上的5個衛(wèi)星監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)解算的。因測站數(shù)量少，故衛(wèi)星定軌精度不高。廣播星歷所預(yù)報的衛(wèi)星位置的切向誤差177。5m；徑向誤差177。3m；法向誤差177。3m。 精密星歷：是由美國國防制圖局根據(jù)全球20多個衛(wèi)星跟蹤站的觀測資料解算的，因測站數(shù)量多且分布范圍廣故衛(wèi)星定軌精度較廣播星歷高一個數(shù)量級。值得指出的是，由國際GPS地球動力學(xué)服務(wù)組織（IGS）所測算預(yù)報精密星歷比美國軍方測定的精密星歷的精度要高得多，衛(wèi)星位置精度可達177。3厘米。 （2）衛(wèi)星性能：；（包括310公斤燃料）；GPS衛(wèi)星通過12根螺旋陣列天線發(fā)射張角約為30度的電磁波束垂直指向地面。GPS衛(wèi)星采用陀螺儀與姿態(tài)發(fā)動機構(gòu)成的三軸穩(wěn)定系統(tǒng)實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定，從而使天線始終指向地面。衛(wèi)星還裝有8塊太陽能電池翼板（ m2），三組15A的鎳鎘蓄電池為衛(wèi)星提供所需的電能。 [ 轉(zhuǎn)自鐵血社區(qū) ]（3）衛(wèi)星信號：衛(wèi)星配有4臺頻率相當(dāng)穩(wěn)定（量時精度為1013秒）的原子鐘（2臺銫鐘，2臺銣鐘），由此產(chǎn)生一個頻率為: 。該信號經(jīng)過倍頻器降低10倍的頻率后，（C/A碼）的信號頻率；，直接成為測距精碼（P碼）的信號頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號經(jīng)過倍頻器降低204600倍的頻率后，成為頻率為50MHz數(shù)據(jù)碼（衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文的編碼）的信號頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號再經(jīng)過倍頻器倍頻150倍和120倍頻后，（L1）（L2）載波信號。測距用的碼頻信號控制著移位寄存器的觸發(fā)端，從而產(chǎn)生與之頻率一致的偽隨機碼（測距碼），測距碼與數(shù)據(jù)碼模二相加后再調(diào)制到L1 L2載波信號上通過衛(wèi)星天線陣列發(fā)送出去。值得指出的是：無論是測距碼的波長還是載波信號的波長，都是測量GPS衛(wèi)星到觀測點距離的物理媒體，它們的頻率越高波長越短所測量的距離精度就越高，定位精度也就越高。另外C/A碼除了用于測距外，它還用于識別鎖定衛(wèi)星和解調(diào)導(dǎo)航電文以及捕獲P碼。 （4）定位精度：利用偽隨距碼（測距碼）的信號單機測量，理論上按照目前測距碼的對齊精度約為碼波長的1/100計算，測距粗碼 （C/A碼）的測距精度約為177。3m； 而測距精碼（P碼）的測距精度約為177。 。為了消除公共誤差提高定位精度，可利用2臺以上的載波相位GPS定位儀實行聯(lián)測定位，對于載波信號單頻機的相對定位精度可達:177。（5mm+2ppmD）其中D為兩臺儀器的相對距離；對于載波信號雙頻機，它能有效的消除電離層延時誤差，其相對定位精度可達:177。(1mm+1ppmD)；全球定位技術(shù)不但精度高，而且定位速度快，可以滿足飛機、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等高速運動載體的導(dǎo)航定位的需要。 全球定位系統(tǒng)的定位原理 GPS定位的幾何原理并不復(fù)雜，它是利用測距交會的原理確定測點位置的。如圖5所示，GPS衛(wèi)星任何瞬間的坐標(biāo)位置都是已知的。一顆GPS衛(wèi)星（Sn）信號傳播到接收機的時間只能決定該衛(wèi)星到接收機（P）的距離（Dn），但并不能確定接收機相對于衛(wèi)星的方向，在三維空間中，GPS接收機的可能位置構(gòu)成一個以Sn為中心以Dn為半徑球面（稱為定位球）；當(dāng)測到兩顆衛(wèi)星的距離時，接收機的可能位置被確定于兩個球面相交構(gòu)成的圓上；當(dāng)?shù)玫降谌w衛(wèi)星的距離后，第三個定位球面與該圓相交得到兩個可能的點；第四顆衛(wèi)星確定的定位球便交出接收機的準(zhǔn)確位置。因此，如果接收機能夠同時得到四顆GPS衛(wèi)星的測距信號，就可以進行瞬間定位；當(dāng)接收到信號的衛(wèi)星數(shù)目多于四顆時，可以優(yōu)選四顆衛(wèi)星計算位置，或以信噪比最高的衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為平差標(biāo)準(zhǔn)與其他多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行平差計算，以消除公共誤差提高定位精度。如果不考慮測量距離的誤差修正，整個定位過程是：測量站星幾何距離Dn通過導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星坐標(biāo)S（Xs，Ys，Zs）利用定位球方程式： 求解4個定位球相交的公共點P（Xp，Yp，Zp）。 按GPS定位測量的技術(shù)手段分類，可分為偽隨機碼相位測量與載波相位測量兩類。由于篇幅限制這里只討論偽隨機碼相位測量原理：簡而言之偽隨機碼相位測量時，GPS接收機利用碼分多址技術(shù)與碼相關(guān)鎖相放大技術(shù)，同時對4顆以上衛(wèi)星的測距信號進行偽距（站星真空距離）測定，再通過對偽距的多項修正后的站星幾何距離解算測站坐標(biāo)。 [ 轉(zhuǎn)自鐵血社區(qū) ]偽碼測量的具體步驟為： ①接收機將本機產(chǎn)生C/A碼與衛(wèi)星發(fā)射C/A碼模二和，求自相關(guān)系數(shù)R(t)； ②當(dāng)自相關(guān)系數(shù)R(t) = 1/N（有相位差碼序不齊）時，延時器將本機碼元相位后移，直至R(t)= 1 （碼序?qū)R）時鎖定信號，并解讀導(dǎo)航電文。 ③接收機根據(jù)本機信號的延時量（Δt）計算GPS衛(wèi)星到接收機偽距（D’= CΔt）。 ④再對偽距（D’）經(jīng)過對流層延時改正、電離層延時改正、鐘差鐘漂改正等多項修正后，成為近似的幾何距離（D），連同導(dǎo)航電文的衛(wèi)星坐標(biāo) S（Xs，Ys，Zs）代入定位球方程解算測點坐標(biāo)P（Xp，Yp，Zp）。 按GPS定位方法分類可分： [ 轉(zhuǎn)自鐵血社區(qū) ]①絕對定位：在未知點上用GPS定位儀（單機）測定站星距離，從而獨立解算測點WGS84坐標(biāo)的過程。 ②相對定位：在一定距離內(nèi)，用兩臺以上GPS定位儀同時測定站星距離，通過求差的方法解算測點間基線向量的過程。 ③靜態(tài)定位：在定位過程中，GPS定位接收機始終處于靜止接收狀態(tài)的定位方法。 ④動態(tài)定位：在定位過程中，GPS定位接收機始終處于運動接收狀態(tài)的定位方法。
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