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全球卫星定位服务


简介

卫星导航系统是覆盖全球的自主地利空间定位的卫星系统,允许小巧的电子接收器确定它的所在位置(经度、纬度和高度),并且经由卫星广播沿着视线方向传送的时间信号精确到10米的范围内。接收机计算的精确时间以及位置,可以作为科学实验的参考。GNSS主要由三部分构成:地面监控部分、空间星座部分、用户接受设备。主要功能为定位、 导航 、 授时。

评判标准

种类

导航型接收机

此类型接收机主要用于运动载体的导航,它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机 一般采用C/A码伪距测量,单点实时定位精度较低,一般为±10m,有SA影响时为±100m。这类接收机价格便宜,应用广泛。根据应用领域的不同,此类接收机还可以进一步分为:

  • 车载型——用于车辆导航定位;
  • 航海型——用于船舶导航定位;
  • 航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快,因此,在航空上用的接收机 要求能适应高速运动;
  • 星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上,因此对接收机的要求更高。

测地型接收机

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值 进行相对定位,定位精度高。仪器结构复杂,价格较贵。

授时型接收机

这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时,常用于天文台及无线电通讯中时间同步。

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调制在载频上发射的。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(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。

截至2012年,只有美国的全球定位系统 (GPS;共由24颗卫星组成)及俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)是完全覆盖全球的定位系统。中国的北斗卫星导航系统(BDS)则于2012年12月开始服务于亚太区(共由16颗卫星组成),预计于约2020年覆盖全球。欧洲联盟的伽利略定位系统则为在初期部署阶段的全球导航卫星系统,预定最早到2020年才能够充分的运作。一些国家,包括法国、日本和印度,都在发展区域导航系统。

每个覆盖全球的系统通常都是由20-30颗卫星组成的卫星集群,以中地球轨道分布在几个轨道平面上。实际的系统各自不同,但是使用的轨道倾斜都大于50°,和轨道周期大约都是12小时(高度大约20,000千米(12,000英里))。

全球卫星导航系统国际委员会认定系统

  • 美国:全球定位系统(GPS)
  • 俄罗斯:全球导航卫星系统(GLONASS)
  • 中国:北斗卫星导航系统 (BDS)
  • 欧盟:伽利略定位系统,至2020年前,该系统的30颗卫星发射完成。

区域型卫星导航系统

中国:中国区域定位系统 (CAPS) 印度:印度区域导航卫星系统(IRNSS),此系统包含7颗卫星及地面设施,于2017年8月完成卫星发射部署,为印度自主的导航系统。

辅助型卫星导航系统

日本:准天顶卫星系统(QZSS)是美国GPS的辅助系统,只为服务日本地区,但在东亚能观测到该卫星的地区皆可利用。系统由4枚卫星组成,于2018年11月1日正式启用。

工作流程

由终端设备接收卫星信号,每颗GPS卫星通过扩频通信技术,以L1和L2两个频道将卫星定位信号发给所有用户,所发送的载波信号有两种PNR编码,一种是采用了加密且精度较高的军用P码频率为10.23MHz,另一种为降低精度的加入了称为“选择可用性(SA)”措施的民用C/A码,内容包含了卫星的识别标识、内置的铷原子钟标准时间信号和卫星自身的轨道参数。

虽然卫星肉眼看不见但是其轨道布局、运行周期和24小时不间断运作可以确保覆盖全球及高可用性,在任何时间只要你能看见天空均可接受到不少于4颗卫星所发的信号,从而获得全球三维定位与导航所需的信息,并保证测量的精密。

卫星发射的L1载波和PRN码都与卫星时钟同步,经过一定的传播延时性后被接收机接收,接收机将信号解调后得到延时后的PRN码,与接收机本身的PRN码比对,计算出两个码的传播延时t即可算出与卫星的距离R,R=tC(C为光速)。经过复杂算法进而修正由于时钟 传播时延等误差,得到接收机与多颗卫星的距离。

以3颗卫星为例,当知道用户与卫星的距离时,以三个卫星为球心画圆,那么用户就在这三个以已知距离为半径的三个球面交点处。

再根据已知3个卫星的坐标、高度和距离接收机三条直线距离,用一系列球面三角公式,用适当的算法就可以计算出用户的位置坐标以及高程,就构成了三维位置;连续每一个单位时间的三维位置,可以确定三维姿态,三维速度;还可以接收卫星标准时间信息。这就是你的导航怎么显示出你的速度和方向了。

GPS的发展及其概况

1957年,第一颗人造地球卫星被送上太空并周线地球旋转,当时在美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室工作的维芬巴赫(GEorg,C·Weiffenba·h)博士和郭亦尔(WiuiamH·Gui·r)博士在观测卫星发射的无线电信号的多普勒频移时,发现卫星信号的多普勒频移曲线与卫星的运动轨迹之间存在着十分密切的联系。这一发现导致了1958年第一代卫星导航定位系统(即“子午仪”系统)实验的巨大成功。

1964年1月,子午仪卫星导航系统(Transit)正式投入使用,1967年7月美国政府宣布该系统兼供民用。它是通过测定卫星发射电波的多普勒频移来实现定位的。由于该系统不能连续定位,一次定位时间较长,精度低,且不能绑定用户的位置高度,因此使用受到限制。为了满足军事部门和某些民用部门对连续实时和高精度三维定位的迫切要求,美国国防部于1973年11月开始研制第二代卫星导航系统——GPS全球定位系统。此系统比起子午仪系统有更高的定位精度,且能连续提供用户的三维位置(经度、纬度、高度)、三维速度和精确时间,实现连续实时的导航定位。

GPS系统由24颗卫星组成,其中有21颗是工作用的基本星,另外3颗为主轨道备用星。所有卫星运行在距地面20183公里,同赤道夹角为55度的6个近圆轨道上,各轨道平面相互夹角为60度,每一轨道均匀分布4颗卫星,运行周期为12恒星时(由于恒星时与标准时的差异,实际为11小时58分)。每颗卫星内部装有铷频标原子钟、微电脑、电文存储器和信号收发设备等。根据卫星所发射的导航情号,可在地球上的任何地点,任何时刻,准确地测量到物体的瞬时位置,包括经纬度、高度和速度等。卫星可以提供两种精度的定位导航服务,一种为标准定位服务(SPS),使用C/A码,定位精度的为100米;另一种为精密定位服务(PPS),使用P码,精度约10米。

1987年美国运输部和美国国防部制订实施“联邦无线导航计划”,1993年12月8日,由国防部宣布正式免费开放“标准定位服务”。自此GPS的应用开始在民用领域得到逐步普及与推广。而精密定位服务,只供美国及其盟国的军事部门和特许的民用部门使用。

导航卫星的管理工作由美国空军在全球所设立的六个太空地面监控站负责,其中主控站设在美国科罗拉多州斯普林斯(Colorado Springs)的联合空间工作中心,负责对地面监测站的全面控制。其余五个监测站则分别设立在太平洋的夏威夷(Hawaii)、科罗拉多州的斯普林斯(Springs)、马绍尔群岛的夸贸林岛(Kwajalein)、印度洋的迪克加西亚岛(Diego Garcia)和南大西洋的阿森松岛(Ascension)。

经营设计

需求分析

目标界定

总体结构设计

详细结构设计

参数设计

设计实施

原材料

卫星:高密度碳纤维、钛合金、抗辐射涂层、光伏太阳能电池板、半导体材料

设计和规划

位置与环境

投资与评估

规模与功能

功能

军事:洲际弹道导弹

商业:物流管理、移动电话、数码相机

地理:地理信息系统、车载信息系统、卫星地图

运输:航空

通信:GPS时钟

风格与形式

成本

税费

金融成本

原材料成本

房租成本

能耗成本

人工成本

设备折旧

收益管理

消费曲线

时间分布

空间分布

目标群体

容量控制

风险控制

行业

国内市场

产量

消费量

国际市场

产量

消费量

主要公司

- 中国的北斗导航科技有限公司 - 美国的GPS定位公司

标准

文档

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评论(1)

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没什么兰 2019-11-30 21:25:09
原材料可能是机密
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