文档介绍：航空航天技术概论课程论文学号:3100300038
2011-2012夏学期姓名:朱光明
专业:电气工程与其自动化
论文题目:GPS的基本原理及其应用前景
论文概要:全球***系统(GPS)是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一,GPS在定位导航,授时校频,精密测量等诸多领域中得到越来越广泛的应用已深切的影响了人们日常生活的方方面面。人们现在的越来越依赖GPS了。该文首先对GPS的工作原理进行阐述,分析了GPS的在生产生活中的各种应用以及未来GPS更高端的应用进行了展望。
2012年6月6日
GPS的基本原理及其应用前景
关键词:全球定位系统(Global Positioning System,简称GPS)GPS的应用现状和发展前景基本原理GPS应用卫星接收设备监控站信号定位
全球定位系统(英语:Global Positioning System,通常简称GPS),又称全球***系统,是一个中距离圆形轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位,测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护,可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确地确定三维位置,三维运动和时间需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星:地面上的一个主控站,三个数据注入站,五个监测站即作为用户端的GPS接收机。最少只需三颗卫星,就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能收联接到的卫星数越多,解码出来的位置就越精确。【1】
GPS卫星分布模型
GPS研究背景:
GPS的应用已十分广泛,而且越来越广泛,差不多涉及到国民经济的各个领域,尤其是近几年来其向消费市场的发展的强劲势头表时,以GPS位代表的卫星导航应用产品,由于它能很容易地提供位置,速度和时间信息,所以会很快成为现代信息社会的重要信息来源,成为信息时代的国家基础设施之一,由于它功能强大,使用方便价格合适,所以能很好地与其他系统结合,形成大量的新应用,新产品,迅速的进入我们日常工作,学****生活和娱乐中【2】
GPS的组成及其定位原理
GPS是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样,全球定位系统有空间部分,地面监控部分和用户接收机三大部分组成【3】
。21+3颗卫星均为近圆形轨道,运行周期约为11小时58分,分布在六个轨道表面上(每轨道面四颗),轨道倾角为55度。在地球上的任何地面位置,任何时间都可观测到四颗以上的卫星。
控制部分地面监控部分包括4个监控站,一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机,原子钟,收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站对地面监控部分实行全面控制,主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据,利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站的主要任务是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后注入。
地面用户GPS信号接收设备GPS卫星所发送的信号,可供无限多用户共享,用户只需要接收,跟踪,变换和测量,GPS信号的接收设备(即GPS信号接收机),就可以全天后用GPS信号进行导航定位测量,GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换,放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时的计算出运动(或静态)载体的位置,速度,高度,运动方向,时间等三维数据。
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。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断的发射导航电文。然而,由于用户接收机使用的时钟与卫星星在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个卫星信号。
设想在地面待定位置上安置GPS接收机,同一时刻接收4颗以上GPS卫星发射的信号。通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离,据此利用距离交会法解算出测站P的位置及接收机钟差δt。
如图,设时刻t在测站点P用GPS接收机同时测得P点至4颗GPS卫星S1,S2,S3, S4的距离ρ1,ρ2,ρ3,ρ4,通过GPS电文解译出4颗GPS卫星的三维坐标(Xj,Y