在航海导航中的gps接收机的研制和航迹管理

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1、3航路交通管理系统4跟踪监视系统5紧急救援系统6GPS/声纳组合用于水下机器人导航[2]7其他方面的应用我们在这里所考虑和设计的GPS接收机用于航海导航应该具有以下功能1导航和显示系统图根据导航线路和预定区域选择一定的比例尺编成数字地图将所需要知道的如航线偏航距偏航角预警等显示在显示器上2预置航线或航路根据预定的路线选定航路点确定航线由此航线为基准实施导航调整偏航参数3数据处理系统GPS接收机接收到卫星信号和差分信号后输出的是地心坐标必须将其地心坐标转换为我国采用的北京-84坐标中的高斯平面坐标才能与上面的地图联系起来形

2、成统一的航行图4计算偏航道由计算机算出船舶所在位置与标准航线的偏离值偏航距偏航角并给出校正航线的方向和大小5存储记录将以上各种信息全部存储起来以供返航或其他核查1.2GPS定位系统组成及原理全球定位系统(GlobalPositioningSistem—GPS)是美国从上世纪70年代开始研制于1994年全面建成具有海陆空进行全方位实施以接收导航卫星信号为基础的非自主式的导航与定位系统它以其全球覆盖全天候连续实时提供高精度的三维位置三维速度和时间信息的能力从根本上解决了人类导航和定位问题并随着全球定位系统的不断改进软硬件的不

3、断完善应用领域正在不断的开拓无论在军事领域还是在民用方面都得以广泛地应用和发展如轮船和飞机的导航导弹卫星测控精密授时作战训练石油资源开发等方面近年来在车辆的跟踪和导航农业公安及旅游等也纳入了GPS的应用范畴我们在这里主要工作是对GPS接收机的研制及其在航海导航中应用进行开发2GPS从投入使用到现在己经得到迅猛发展在开始几年里主要应用于军事领域随着相关技术的发展和硬件产品价格的下降以及GLONASS系统的突入使用GPS越来越多地被用于商业和民用领域这一趋势的发展带动了相关技术和工业的发展[3][4][5]其中航海导航系统就

4、是其中一个主要分支1.2.1GPS系统组成全球定位系统GPS由3部分组成即空间卫星星座部分地面监控部分和用[6]户设备部分GPS接收机1GPS空间星座部分GPS空间卫星星座必须保证在地球各处能同时观测到高度角15以上的至少4颗卫星GPS全球定位系统的空间星座由24颗工作卫星构成其中3颗为备用卫星24颗工作卫星部署在6个轨道平面中每个轨道平面升交点的赤经相隔60轨道平面相对地球赤道面的倾角为55每个轨道上均匀分布4颗卫星相邻轨道之间的卫星要彼此叉开30以保证全球均匀覆盖的要求GPS卫星轨道平均高度约为20200km运行周期

5、为11小时58分因此地球上同一地点的GPS接收机的上空每天出现的GPS卫星分布图形相同只是每天提前约4分钟同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点的不同而相异最少也有4颗最多可达11颗3颗在轨的备用工作卫星相间布置在3个轨道平面中随时可以根据指令代替发生故障的其他卫星以保证整个GPS空间星座正常而高效地工作[7-8]2GPS地面监控部分全球定位系统的地面监控部分有3部分组成1个主控站3个注入站和5个监测站主控站又称联合空间执行中心CSOC它的任务是1采集数据推算编制导航电文2给定全球定位系统时间基准3主控站负责协调和管理

6、所有地面监测站和注入站系统诊断所有地面支撑系统和天空卫星的健康状况并加以编码向用户指示使得整个系统正常工作4调整卫星运动状态启动备用卫星3监测站装有双频GPS接收机和高精度铯钟在主控站的直接控制下自动对卫星进行持续不断的跟踪测量并将自动采集的伪距观测量气象数据和时间标准等进行处理然后存储和传送到主控站注入站是将主控站传送来的卫星星历钟差信息导航电文和其他控制指令等注入到卫星的存储器中使卫星的广播信号获得更高的精度满足用户的需求3用户设备部分GPS的空间星座部分和地面监控部分是用户应用系统进行导航定位的基础而用户只有使用G

7、PS接收机才能实现其定位导航的目的GPS接收机的基本结构如图11所示天线显示模块信号处理部分存储模块电源图11GPS接收机基本结构1.2.2GPS定位原理[9]1TOA测距原理GPS利用到达时间TOA测距的原理以确定用户的位置这种原理需要测量信号从位置已知的辐射源例如雾号角无线电信标卫星发出至到达用户所经历的时间将这个称为信号传播时间的时间段乘以信号的速度如音速光速便得到从辐射源到接收机的距离接收机通过测量从多个位置已知的辐射源所广播的信号的传播时间便能确定自己的位置假定有一颗卫星正在发射测距信号卫星上的一个时钟控制着测

8、距信号广播的定时在星座内每一颗卫星上的这一个时钟和其他时钟实际与一个记为GPS系统时以后就叫系统时的内在系统时间标度同步用户接收机也包含有一个时钟我们暂时4假定它与系统时同步定时信息嵌入在卫星的测距信号中它使接收机能够计算出信号离开卫星的时刻记下接收到卫星信号的时刻便可以算出卫星至用户的传播时间将其乘以光速便求得卫星