卫星定位系统简介.doc

 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 。GL ONA SS 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 ( Glo bal Po sitio ning System ,简称 GPS) 和俄罗斯的“格洛纳 斯”( GL ONA SS) 全球导航系统 ( GL ONA SS 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 ( S i ) 在太空 中任意时刻精确的三维坐标 ; 而测距信号则可让用 户 ( C) 测量出其与卫星的距离 S i C 。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 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 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 ( S i ) 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