淺談GPS定位系統(tǒng)構成及原理

GPS 定位系統(tǒng)的定義

GPS定位系統(tǒng)是指利用衛(wèi)星，在全球范圍內實時進行定位、導航的系統(tǒng)，簡稱GPS(Global Positioning System)。GPS定位系統(tǒng)功能必須具備GPS終端、傳輸網(wǎng)絡和監(jiān)控平臺三個要素;這三個要素缺一不可;通過這三個要素，可以提供車輛防盜、反劫、行駛路線監(jiān)控及呼叫指揮等功能。

GPS定位系統(tǒng)是美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。和子午儀系統(tǒng)一樣，GPS定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三大部分組成。

GPS定位系統(tǒng)的構成

空間部分(太空部分)

GPS定位系統(tǒng)的空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成，這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為可用于導航的衛(wèi)星，3顆為活動的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行。衛(wèi)星的運行周期約為12恒星時。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號來進行工作的?？梢?，GPS定位系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導航電文。

控制部分

GPS定位系統(tǒng)的控制部分由分布在全球的由若干個跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構成，根據(jù)其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對GPS的觀測數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去;同時，它還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，調度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作;另外，主控站也具有監(jiān)控站的功能。監(jiān)控站設有GPS用戶接收機、原子鐘、收集當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進行數(shù)據(jù)初步處理的計算機。監(jiān)控站的主要任務是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。注入站的作用是將主控站計算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。這種注入對每顆GPS衛(wèi)星每天進行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。

用戶部分(地面接收)

GPS定位系統(tǒng)的用戶部分由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應的用戶設備如計算機氣象儀器等所組成。它的作用是接收GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號，利用這些信號進行導航定位等工作。

以上這三個部分共同組成了一個完整的GPS定位系統(tǒng)。

GPS定位系統(tǒng)的特點

GPS定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應用廣的特點，是迄今最好的導航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。

GPS定位系統(tǒng)的原理

GPS定位系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖所示，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：

上述四個方程式中待測點坐標x、 y、 z 和Vto為未知參數(shù)，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機之間的距離。

△ti (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間。

c為GPS信號的傳播速度(即光速)。

四個方程式中各個參數(shù)意義如下：

x、y、z 為待測點坐標的空間直角坐標。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，

可由衛(wèi)星導航電文求得。

Vt i (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。

Vto為接收機的鐘差。

由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z 和接收機的鐘差Vto 。

相對論為GPS提供了所需的修正

GPS定位系統(tǒng)衛(wèi)星的定時信號提供緯度、經(jīng)度和高度的信息，精確的距離測量需要精確的時鐘。因此精確的GPS接受器就要用到相對論效應。

準確度在30米之內的GPS接收機就意味著它已經(jīng)利用了相對論效應。華盛頓大學的物理學家Clifford M. Will詳細解釋說：“如果不考慮相對論效應，衛(wèi)星上的時鐘就和地球的時鐘不同步。”相對論認為快速移動物體隨時間的流逝比靜止的要慢。Will計算出，每個GPS衛(wèi)星每小時跨過大約1.4萬千米的路程，這意味著它的星載原子鐘每天要比地球上的鐘慢7微秒。

而引力對時間施加了更大的相對論效應。大約2萬千米的高空，GPS衛(wèi)星經(jīng)受到的引力拉力大約相當于地面上的四分之一。結果就是星載時鐘每天快45微秒， GPS要計入共38微秒的偏差。Ashby解釋說：“如果衛(wèi)星上沒有頻率補償，每天將會增大11千米的誤差。”(這種效應事實上更為復雜，因為衛(wèi)星沿著一個偏心軌道，有時離地球較近，有時又離得較遠。

總結

本文主要介紹了GPS定位系統(tǒng)的概念、構成、原理、特點以及相對論在GPS定位系統(tǒng)中的應用提供的所需的修正。