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航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

精艇网 2015-10-8 来源: 西西里航海俱乐部
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航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

     众所周知,我们航海都离不开GPS,也就是:全球卫星定位系统。如果没有GPS,我们就无法对船舶进行定位、导航等一系列航海动作,也只能通过海图测绘作业来获得我们的大概船位。今天,我们来介绍一个GPS(全球卫星定位系统)。

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

    GPS即全球卫星定位系统(Global Positioning System,简称GPS),它与阿波罗登月计划和航天飞机计划并称为美国航天三大工程。中文简称为“球位系”,是一个中距离圆型轨道卫星导航系统,结合卫星及通讯发展的技术,利用导航卫星进行测时和测距。今天,GPS几乎成为卫星定位系统的代名词,是因为它是全球最早的卫星定位系统,也是目前最成熟的卫星定位系统。目前全球有四大卫星定位系统(美国的GPS,俄罗斯的格洛纳斯,欧盟的伽利略,中国北斗),这里,我们只说美国GPS卫星定位系统。

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

     GPS是美国从本世纪70 年代开始研制,历时20 余年,耗资200 亿美元,于1994 年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实施三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用表明,全球定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。目前全球定位系统是美国第二代卫星导航系统,使用者只需拥有GPS终端机即可使用该服务,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(即SA政策,Selective Availability)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。

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

GPS系统并非GPS导航仪,多数人提到GPS系统首先联想到GPS导航仪,GPS导航仪只是GPS系统运用中的一部分。GPS系统是迄今最好的导航定位系统,随着它的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断的开拓,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

GPS的工作原理介绍:

当苏联发射了第一颗人造卫星后,美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出既然可以已知观测站的位置知道卫星位置,那么如果已知卫星位置,应该也能测量出接收者的所在位置。这是导航卫星的基本设想。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR):当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的,保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中-{A|zh-cn:解调制;zh-tw:解调变}-出来,以50b/s-{A|zh-cn:调制;zh-tw:调变}-在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块,其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84-{A|zh-cn:大地坐标系;zh-tw:大地坐标系}-中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维-{A|zh-cn:坐标;zh-tw:坐标}-x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。描述你的位置的一组数值就是我们常用的坐标,一般有维度(北或南)和经度(东或西)。UTM坐标系以米为单位测量你离赤道(北或南)和本初子午线(东或西)的距离。另外一个坐标系MGPS(Military Grid Reference System)也基于UTM,但是把UTM坐标分割得更细了,它只用在军用的GPS接收器上。

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

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GPS组成部分:GPS系统包括三大部分:
 
1,空间部分:GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用
 
2,地面控制部分:由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

3,用户设备部分:即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

功能及应用:

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:

1、车辆防盗系统;
2、手机,PDA,PPC等通信移动设备防盗,电子地图,定位系统;
3、 儿童及特殊人群的防走失系统;

4、 精准农业:农机具导航、自动驾驶,土地高精度平整。

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

用户终端:

     武器导航,船舶导航仪,车载导航仪,GPS手持设备,GPS防盗报警器,平板电脑,手机,GPS手表等。现在我们所接触的大多导航仪都是基于GPS平台的。

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

航海必备--全球卫星定位系统(GPS)简介

     目前,GPS系统的应用已将十分广泛,我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航,导弹的制导,大地测量和工程测量的精密定位,时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域,GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网,测定全球性的地球动态参数;用于建立陆地海洋大地测量基准,进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘;用于监测地球板块运动状态和地壳形变;用于工程测量,成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置,实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图,导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。
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