车上装的GPS定位系统用的是什么原理?

车上装的GPS定位系统用的是什么原理?
09-01-06  d963 发布
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    大笨笨笨笨熊

    【IT168 技巧】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x、y、z为待测点坐标,Vto为接收机的钟差为未知参数,其中di=c△ti,(i=1、2、3、4),di分别为卫星i到接收机之间的距离,△ti 分别为卫星i的信号到达接收机所经历的时间,xi 、yi 、zi为卫星i在t时刻的空间直角坐标,Vti为卫星钟的钟差,c为光速。

      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。

       这时候就有人说了,干嘛要四颗卫星呢,三颗不就够了吗?想想还蛮有道理的,三个球面,交汇于一点,不就可以定出接收机所在的位置了吗?但是实际上,GPS 接收器在仅接收到三颗卫星的有效信号的情况下只能确定二维坐标即经度和纬度,只有收到四颗或四颗以上的有效GPS卫星信号时,才能完成包含高度的3D定位。这是为什么呢?

       原来,大家忽略了一件事情,那就是时间。先来看一颗卫星,它在一个规定的时间发送一组信号到地面,比如说每天8:00整开始发送一组信号,如果地面接收机就在8点零2秒收到了这一组信号,那么就是说信号从卫星到接收机的距离是电波花2秒能够跑到的距离,由于这颗卫星的位置和电波的速度已知,那么就可以肯定接收机就在以卫星为球心的一个球面上,那么再多测2个卫星的距离,就可以得到3个空间球,3个空间球的焦点只有2个,那么逻辑排出一个不在地球表面的,剩下的就是接收机的位置。这就是我们所想象的三颗卫星可以定位的情形。但是,这只是假象的情况,卫星和接收机的距离如此之近,以至于卫星和接收机的时钟必须完全同步和准确,否则距离偏差会很大。实际上,如果接收机这端不配备一个銫原子钟的话,定出来的位置肯定差了个十万八千里。銫原子钟的价格我也不太清楚,反正肯定是比你坐的汽车要贵了。所以,由于时间需要校准,这就需要四颗卫星。可以从方程里看到,时间都不是绝对时间,都是以卫星之间的钟差来计量的。

    09-01-07 | 添加评论 | 打赏

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    闪电打雷下雨

    全球定位系统(Global Positioning System,通常简称GPS)是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护,可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星;地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中4颗卫星,就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能收联接到的卫星数越多,解码出来的位置就越精确。

    该系统是由美国政府于20世纪70年代开始进行研制于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机,无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务(SPS,Standard Positioning Service)和军规的精确定位服务(PPS,Precise Positioning Service)两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用,原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击,故在民用讯号中人为地加入误差以降低其精确度,使其最终定位精确度大概在100米左右;军规的精度在十米以下。2000年以后,克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此,现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

    GPS系统拥有如下多种优点:全天候,不受任何天气的影响;全球覆盖(高达98%);三维定速定时高精度;快速、省时、高效率;应用广泛、多功能;可移动定位;不同于双星定位系统,使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性,提高了其军事应用效能。

    GPS系统发展历程
    前身
    GPS(又称全球卫星导航系统或全球卫星定位系统)系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit),1958年研制,1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作,每天最多绕过地球13次,并且无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。然而,子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星系统进行定位的可行性,为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此,美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划,并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星,在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统,这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划,这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道 该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号,其强大的功能,当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位,空军的计划能供提供高动态服务,然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用,而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的,所以1973年美国国防部将2者合二为一,并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导,还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多,包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

    计划
    最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了,该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星,地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样,粗码精度可达100m,精码精度为10m。 由于预算压缩,GPS计划不得不减少卫星发射数量,改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改:21颗工作星和3颗备份星工作在互成30度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

    [编辑] 计划实施
    GPS计划的实施共分三个阶段:

    第一阶段为方案论证和初步设计阶段。
    从1978年到1979年,由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星,卫星运行轨道长半轴为26560km,倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网,结果令人满意。

    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颗称为BLOCK I的试验卫星,研制了各种用途的接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准,利用粗码定位,其精度就可达14米。

    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,这一阶段的卫星称为BLOCK II 和 BLOCK IIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底使用的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。

    GPS卫星
    GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的,卫星重774kg,使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构,主体呈柱形,直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板(BLOCK I),全长5.33m接受日光面积为7.2m2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转,使板面始终对准太阳,为卫星不断提供电力,并给三组15Ah镉镍电池充电,以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线,能发射张角大约为30度的两个L波段(19cm和24cm波)的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线,用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统,以便使卫星保持在适当的高度和角度,准确对准卫星的可见地面。

    由GPS系统的工作原理可知,星载时钟的精确度越高,其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器,相对频率稳定度为10 − 11/秒。误差为14米。1974年以后,gps卫星采用铷原子钟,相对频率稳定度达到10 − 12/秒,误差8m。1977年,BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到10 − 13/秒,误差则降为2.9m。1981年,休斯公司研制的相对稳定频率为10 − 14/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。

    GPS的功能
    精确定时:广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中
    工程施工:道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量
    勘探测绘:野外勘探及城区规划中都有用到
    导航:
    武器导航:精确制导导弹、巡航导弹
    车辆导航:车辆调度、监控系统
    船舶导航:远洋导航、港口/内河引水
    飞机导航:航线导航、进场着陆控制
    星际导航:卫星轨道定位
    个人导航:个人旅游及野外探险
    定位:
    车辆防盗系统
    手机,PDA,PPC等通信移动设备防盗,电子地图,定位系统
    儿童及特殊人群的防走失系统
    精准农业:农机具导航、自动驾驶,土地高精度平整
    GPS的六大特点
    第一,全天候,不受任何天气的影响;
    第二,全球覆盖(高达98%);
    第三,三维定点定速定时高精度;
    第四,快速、省时、高效率;
    第五,应用广泛、多功能;
    第六,可移动定位。
    目前正在运行的全球卫星定位系统有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。

    欧盟1999年初正式推出“伽利略”计划,部署新一代定位卫星。该方案由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成,可以覆盖全球,位置精度达几米,亦可与美国的GPS系统兼容,总投资为35亿欧元。该计划预计于2010年投入运行。

    中国还独立研制了一个区域性的卫星定位系统——北斗导航系统。该系统的覆盖范围限于中国及周边地区,不能在全球范围提供服务,主要用于军事用途。

    09-01-10 | 添加评论 | 打赏

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    圣斗士之家

    GPS定位系统原理
    GPS:全球卫星定位系统(Global Positioning System,GPS)是由美国政府所发展,整个系统约分成下列三个部份:

    【太空卫星部份】由 24 颗绕极卫星所组成,分成六个轨道,运行于约 20200公里的高空,绕行地球一周约12小时。每个卫星均持续着发射载 有卫星轨道数据及时间的无线电波,提供地球上的各种接收机来应用。

    【地面管制部份】这是为了追踪及控制上述卫星运转,所设置的地面 管制站,主要工作为负责修正与维护每个卫星能保持正常运转的各项参 数数据,以确保每个卫星都能提供正确的讯息给使用者接收机来接收。

    【使用者接收机】追踪所有的 GPS卫星,并实时地计算出接收机所在 位置的坐标、移动速度及时间,GARMIN GPS 即属于此部份。


           我们一般民间所能拥有及应用的,就是第三部份。计算原理为:每个太空卫星在运行时,任一时刻都有一个坐标值来代表其位置所在(已知值),接收机所在的位置坐标为未知值,而太空卫星的讯息在传送过程中,所需耗费的时间,可经由比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之,将此时间差值乘以电波传送速度(一般定为光速),就可计算出太空卫星与使用者接收机间的距离,如此就可依三角向量关系来列出一个相关的方程式。

           一般我们使用的接收机就是依上述原理来计算出所在位置的坐标数据,每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式,因此在至少收到三卫星后,即可计算出平面坐标(经纬度)值,收到四颗则加上高程值,五颗以上更可提高准确度,这就是
            GPS的基本定位原理。一般来说,使用者接收机每一秒钟的坐标数据都是最新的,也就是说接收机会自动不断地接收卫星讯息,并实时地计算其所在位置的坐标数据,如此使用者便不需担心是否接收机显示的数据太旧或是不准确了。

              由于卫星是处在相当高的运行轨道上,其传送的讯号是相当的微弱,因此它不像一般通讯无线电或大哥大等可在室内使用或收到讯号,在使用时需注意下列事项:

                        1.需在室外及天空开阔度较佳之地方才能使用,否则若大部份之卫星信号被建筑物、金属遮盖物、浓密树林等所阻挡,接收机将无法获得足够的卫星讯息来计算出所在位置之坐标。

                        2.请勿在具1.57GHz左右之强电波环境下使用,因此环境易将卫星讯号遮盖掉,造成接收机无法获得足够的卫星讯息来计算出所在位置之坐标,尤其是高压电塔下方。

                        3.单纯 GPS
                      所计算出的高程值,并非是我们一般所说的海拔高度及气压计量测的飞行高度,原因在于所使用的海平面基准点不同,因此在使用时请务必注意此点。

             GPS 的基本应用就是导航与定位,定位方面在上文已描述过,而导航方面就是利用所求出的定位数据来计算。接收机所计算出的任何时刻坐标数据,在GPS里我们都称为一个航点(WAYPOINT),也就是说每个航点所表示的就是一个坐标值,比较重要的航点,我们就可以把它储存在接收机内,并编上一个名字,让我们可以辨别。

           由于在地球表面上的任何位置,都以不同的坐标值来表示,因此只要知道两个不同航点的坐标数据,接收机就可马上计算出两个航点间的直线距离、相对方位及航行速度,这就是GPS 接收机导航数据的来源。

           例如:目前我们在广州南沙港,希望往南行驶,第一个目的地是虎门,第二个目的地是香港为终站;从起点至终点,每站就都是一个航点,航点与航点间的行程称为航段(LEG),从起点依序经过各点至终点琉球等,整个行程我们称之为一条航线或是一条路径(ROUTE),图标如下:

                        (航点)   航段  (航点)  航段 (航点)

                        广州南沙港  →   虎门   →  香港

                        全程称为:Route

            我们只要事先将各点的坐标数据(利用地图或查询相关数据)输入GPS接收机内,我们就可建立许多航点数据,要使用时候将其叫出,利用
              GPS接收机的导航功能做各航段间的导航。而当进行导航时,为使我们的行进方向不致于偏移太多,有些 GPS 提供了航线宽度─
            CDI的设定功能,只要我们行进时偏离我们所设定的航线宽度限制,GPS 就会自动提示我们,这就是CDI的作用。由此可知,要利用
          GPS 做导航功能,最基本的就是先建立航点的数据,然后储存在接收机内,如此不管是要做航点与航点间的导航,或是要编辑一条航线,就可直接利用内存内的航点数据了,也可以说〞航点〞是GPS 接收机导航功能所需最基本的数据了。

    09-01-10 | 添加评论 | 打赏

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