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汽车电子-GPS卫星技术测量

1.GPS卫星技术测量

      GPS是全球定位系统(Navigation Satellite Timimg and Ranging/Global Positioning System,NAVSTAR/GPS)的英文缩写.它的含义是利用卫星的测时和测距进行导航,以构成全球定位系统。现在国际上公认,将这一全球定位系统简称为GPS.它是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的 ,该系统自1973年开始设计、研制,历时20年,于1993年全部建成。

      GPS是目前世界上最先进、最完善的卫星导航系统与定位系统,它不仅具有全球性、全天候、实时高精度,三维导航与定位能力,而且具有良好的抗干扰和保密性。因此引起世界各国军事部门和广大民用部门的普遍关注,由于GPS定位技术的高度自动化信其所达到的高精度和具有潜力,也引起测绘界的高度重视,特别是近几年来,GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面都取得了迅速的发展,广泛的科学实验活动也为这一新技术的应用展现极为广阔的前景!
      目前,GPS精密定位技术已广泛的渗透到经济建设和科学技术的许多领域,尤其是在大地测量学及相关学科领域,如地球动力学,海洋大地测量学,地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、工程测量学等方面的广泛应用,充分的显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。

      近年来,GPS精密定位技术已在我国得到广泛的应用,在大地测量中、工程测量与变形监测、资源勘察及地壳动力监测等方面取得了良好的效果和成功经验,充分地证明了GPS精密定位技术瓣优越性和巨大潜力,在新的世纪里。GPS导航与定位技术将会获得进一步的发展,应用将更为广泛,效益会更为显著,将为我国经济建设、国防建设的发展和科学技术的进步发挥更大的作用。
      GPS卫星定位技术与常规测量相比,具有以下优点:
      1) GPS点之间不要求相互通视,对GPS网的几何图形也没有严格的要求,因而使GPS点位的选择更为灵活,可以自由布设。
      2) 定位精度高。目前采用载波相位进行相对一位,精度 可达1ppm。
      3) 观测速度快。目前,利用静态定位方法,完成一条基线的相对定位所需要的,根据要观测的精度不同,一般约为1-3h。如果采用快速静态相对定位技术,观测时间可缩短到数分钟。
      4) 功能齐全。GPS测量可同时测定测点的平面位置和高程,采用实时动态测量可进行施工放样。
      5) 操作简便。GPS测量的自动化程度很高,作业员在观测是只需要安置和开启、关闭仪器,量取天线高度,监视仪器的工作状态及采集环境的气象数据,而其它如捕获、跟踪观测卫星和记录观测娄数据待一系列测量工作均由仪器自动完成。
      6) 全天候、全球性作业。由于GPS卫星有24颗而且分布合理,在地球任何地点、任何时间均可连续同步观测到4项以上的卫星,因此在任何地点,任何时间均可进行GPS测量。GPS测量一般不受天气况的影响。

2. GPS的开发过程主要有三个阶段:

      第一阶段为方案论证和初步设计阶段,从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星,研制了地面接收机及建立地面跟踪网,从硬件到软件进行了试验,结果令人满意。

      第二阶段为全面研制和试验阶段,从1979年到1984年,又陆续的发射了7颗试验卫星。这一阶段称之为Block Ⅰ.与此同时,研制了各种用途的接收机,主要是导航型接收机,同时测地型接收机也相继问世,试验表明,GPS的定位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级,达到14m。由此证明GPS计划是成功的。

      第三阶段为实用网组网阶段。1989年2月4日,第一颗GPS工作卫星发射成功,宣告了GPS系统进入了工程建设阶段,这种工作卫星称为Block Ⅱ和BlockⅡA型卫星。这两组卫星差别是:Block Ⅱ只能存储14天用的导航电文(每天更新三次);而BlockⅡA卫星能存储180天用的导航电文,确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21+3)GPS星座已建立,今后将根据计划更换失效的卫星。

3. GPS系统的组成

      GPS系统由三部分组成,即空间部分,地面监控部分和用户设备部分
1)  空间部分

      GPS系统的空间部分是每指GPS工作卫星星座。GPS工作卫星星座由24颗卫星组成,其中21颗工作卫星和3颗备用卫星,均匀分布在6个轨道上。卫星轨道平面相对地球赤道的倾角为55°各个轨道平面之间交角为60°轨道平均高度20200km,卫星运行周期为11小时58分钟,同一轨道上各卫星之间的交角为90°,GPS卫星的上述时空配置,保证了地球上任意地点,在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星,因而满足精密导航和定位的需要。GPS卫星的主体呈圆柱形,直径约为1.5m重约774kg(其中包括310kg燃料),两侧各安装两块双叶太阳能电池板,能自动对日定向,以保证卫星正常工作的用电,每颗GPS卫星上装有4台高精度的原子钟,其中2台为铷钟,2台为铯钟。原子种为GPS定位提供高精度的时间标准。
      GPS卫星的基本功能是:
      ① 执行地面监控站的控制指令,接收和储存由地面监控站发来的导航信息;
      ② 向GPS用户发送导航电文,年代导航和定位信息;
      ③ 通过高精度原子钟(铷钟和铯钟)向用户提供精密的时间标准;
      ④ GPS卫星上设有微处理机,可进行必要的数据处理工作。并可根据地面监控站指令,调整卫星姿态、启动备用卫星。

2) 地面监控部分

      GPS地面监控部分目前由5 个地面站组成,包括主控站、信息注入站和监测站,主控站设在美国本土科罗拉多(Colorado Springs)的联合空间执行中心CSOC,主控站除协调、管理所有的地面监控系统的工作外,其主要任务还有:
      ① 根据各监测站提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历,卫星钟差和大气层修正参数等,并把这数据传送到注入站。
      ② 提供全球定位系统的时间蕨。务监测站和GPS卫星的原子钟,均应与主控站的原子钟同步,或观出其间的钟差,并将钟差信息编入导航电文送到注入站。
      ③ 调整偏离轨道的卫星,使之沿预定的轨道运行。
      ④ 启用备用卫星以取代失效的工作卫星。

      注入站现有3个,分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)南在大西洋的阿松森岛(Ascencion)的南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。注入站的主要设备,包括一台直径为3.6m的天线,一台C波段发射机和一台计算机,其主要任务是在主控站的控制下,将主控站推算出和编制的卫星星历,钟差,导航电文和其它控制指令等注入到相应卫星的存储系统。并监测注入信息的正确性。
      监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供观测数据,监测站现有5个,一控站、注入站兼做监测站,另外一个设在夏维夷。每个监测站均设有GPS接收机,对每颗可见卫星进行连续观测,并采集气象要素等数据。

      整个GPS地面监控部分,除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通讯系统联系在起来,在原子钟和计算机的驱动和精确控制下,各项工作实现了高度的自动化和标准化。

3) 用户设备部分

      GPS系统的用户设备部分由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成,GPS接收机硬件包括接收机主机,天线和电源,它的主要功能是接收GPS卫星发射的信号,以获得必要的导航和定位信息及观测量,并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件是指各种后处理软件包,它通常由厂家提供,其主要作用是对观测数据进行精加工,以便获得精密定位结果。

      GPS接收机的类型,一般可分为导航型、测量型和授时型三类,测量单位使用的GPS接收机一般为测量型。
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