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1、卫星定位系统简介李洪斌杨先秒(10-9秒)级精度,故其定位可精确到米。GLONASS系统原理与之相似。需要明确的是,上面讲述的只是卫星定位最基随着科学技术的不断进步和发展,当今社会已进入电子信息时代。快速、准确的卫星定位在军事、国民经济等诸多领域中广泛应用。目前能够实现全球卫星定位服务的,有美国的全球定位系统(GlobalPositioningSystem,简称GPS)和俄罗斯的“格洛纳斯”(GLONASS)全球导航系统(GLONASS为全球卫星导航系统的缩写),中国也有自己的区域性卫星定位系统“北斗一号”。卫
2、星定位服务现已成为全球公认的八大无线产业之一。本文首先以GPS和“北斗一号”为例介绍卫星定位的基本原理,然后详细介绍各种已有和正在建设的卫星定位系统。一、卫星定位的基本原理GPS定位原理简单地讲,GPS卫星定位系统的基本原理是:卫星连续向地面发射相应的电波信号,用户通过接收机接收到这些信号后,由置于其内的相应软件计算出接收机的经纬度、海拔高度以及运动速度等,从而达到定位和导航的目的。GPS卫星同时发射导航电文和测距信号。导航电文中含有卫星的位置信息,即卫星(Si)在太空中任意时刻精确的三维坐标;而测距信号则可让
3、用户(C)测量出其与卫星的距离SiC。从几何的角度讲,卫星要确定待测点的位置,只需知道3个卫星的坐标,并测量出该点与参考点的距离,就可算出待测点的坐标,也就是求解一个含有3个未知数、3个方程的方程组。但是GPS卫星的轨道高度约20000千米,且运动速度非常快,要同步确定这3颗卫星间的距离,还必须要有一个统一的时间基准,因此又引入了1个时间参数,这时的3个方程、4个未知数当然无法求解,所以用户必须知道至少与4颗卫星的距离才能定位。GPS系统在设计的时候就合理分布卫星运行轨道,所以全球用户在任意时刻都可以至少接受到
4、4颗卫星发送的信息而进行实时定位。如果用户同时知道4颗卫星的坐标并测定了与它们的距离,将待测点与卫星间连线(即在数学上采用空间距离后方交会的方法,见图1),就可建立一个有4个方程、4个未知数的方程组,求解后就可得本的计算原理。卫星在轨道上运动还要受到地球、太阳、月亮以及其他天体的很多摄动力的影响,故其运动轨迹并不是一个严格的椭圆,有时其运动会偏离预定轨道数百米甚至上千米;此外,电磁波的传播速度也会受到大气层的严重影响,也就是说电磁波在大气层中的传播速度不是固定不变的。因此在定位计算时不可避免地要出现误差,所以还
5、必须建立相应的模型对误差进行修正,才能进一步提高定位精度。目前,国际上每年都要召开GPS大会,对这些问题进行讨论和研究。“北斗一号”定位原理我国的“北斗一号”系统共有3颗卫星,其中工作卫星2颗、备用卫星1颗,且都是地球的同步卫星———即卫星相对地面是静止不动的。其定位过程为:用户通过卫星中转,向地面中心站发送定位请求,地面中心站对用户发送来的信息进行处理,对其进行定位后将定位信息通过卫星再发送给用户;或者由地面中心站主动进行指定用户的定位,定位后不将定位信息发送给用户,而是由中心站保存。这个过程与GPS系统是不
6、同的。简单地看,GPS的终端设备只有接收功能,故又称为终端接收机,而“北斗一号”的终端设备却必须要具有发射和接收两项功能,这在一定程度上影响了用户的隐蔽性。GPS研制和实施的整个过程中,约花费200亿美元。“北斗一号”虽然有3颗卫星,但只有2颗工作卫星,所以事实上属于两星定位系统。其定位的基本原理是:由于所用卫星(Si)为地球同步卫星,所以卫星的坐标是固定已知的;与GPS测距原理相同,北斗一号”通过测量用户(C)发送的电磁信号来确定两颗卫星与用户间的距离。分别以两颗卫星球心与用户间的距离为半径作两个球面,用户必
7、然位于这两个球面相交的弧线上。当然,这只能知道用户处于这条弧线上,而不能确定具体在弧线的哪个点上。地面中心站配有一个电子高程地图,这个地图是以地心为球心、以地心至地表高度为半径的非均图2“北斗一号”定位原理示意图匀球面。这时求解弧线与地表交点(该点是唯一的,GPS系统的组成GPS由以下三个独立的部这不难理解),就可以得到用户的位置了(见图2)。分组成。空间部分:21颗工作卫星、3颗备用卫星分布在6个轨道平面上,每个轨道平面平均分布4颗卫星,用于向全球发射导航电文和测距信号。地面支撑系统:1个主控站、3个注入站、
8、5个监测站,其二、美国全球卫星定位系统GPS发展历程二战后,美国为了解决海军舰艇的定位导航问题,自1957年前苏联发射第一颗卫星开始,就有了利用卫星进行定位的设想,随后即研主要工作是监视卫星的运动、确定GPS时间系统、制了子午仪卫星导航系统(Transit)———系统的卫星向每颗卫星发送与导航相关的数据等。用户设备部分:主要由接收机硬件和处理软件组成;用户通过接收机接收卫星发射的信号,
