gps卫星导航原理
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发布时间：2022-04-22 15:39
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时间：2023-07-22 22:15
GPS的上一代产品是美国海军1964年研制的“子午仪”导航卫星，属于低轨道卫星。主要用途是为核潜艇和水面舰艇的导航之用，兼做大地测量功能。它最重要的功能是为北极星核导弹提供精确的定位，以便迅速发动核打击。从1960年4月到80年代初共发射30多颗 。第一颗是子午仪1B号，用来对导航卫星方案及其关键技术进行试验鉴定，并验证双频多普勒测速定位导航原理，结果证明卫星导航可行。 “子午仪”的主要用户——北极星核导弹
“子午仪”卫星主体是八棱柱体，高 25.4厘米，宽45.7厘米，有一根长22.86米的稳定杆，从柱体的顶部伸出，杆子未端带有一个重约1.36公斤的质量块。四块短形太阳电池帆板从棱柱体侧面伸出，形成十字形，帆板长167.6厘米，宽25.4厘米。
1963 年12月发射第一颗实用导航卫星子午仪 5B-2号；1964 年 6 月发 射第一颗定型导航卫星子午仪 5C - 1号，并交付海军使用；1967 年7月子午仪号导航卫星组网实用并允许民用。1972年开始执行子午仪改进计划（TIP ），共发射3颗卫星，主要试验扰动补偿系统 ，对大气阻力和太阳辐射压力等引起的轨道摄动作实时补偿，大大提高了轨道预报精度，故称无阻力卫星。1981 年5月发射经过改进的实用型子午仪号卫星，改名为新星号（NOVA）。 卫星导航的开山之作：“子午仪”卫星
“子午仪”卫星运行在高度约1100公里的近圆极轨道，目的是为了避免多普勒效应减弱。它们在轨道面上均匀分布组成围绕地球的空间导航网，六颗卫星在轨道上的配置似鸟笼形状。它可为全球任何地方的水下潜艇、水面船只、地面车辆和空中飞机等用户服务，用户每隔1.5小时左右就可以接收每颗卫星以150兆赫与400兆赫频率连续播送的无线电信号。地球上的用户根据发送的信号，便可以确切地知道卫星在太空轨道上的位置。人们根据多普勒效应，用计算机就能确定出地球上运动体（如潜艇等）所在的位置。这样，即使潜艇在浩瀚的海洋水下航行，时时刻刻都能知道自己在何处，在大海深处航行数月也不会迷失方向。
地球上的用户，利用“子午仪”导航卫星发送的无线电信号来确定自己所在的位置，一颗卫星的定位精度在20~ 50米。如果在一天内把数颗卫星飞越30多次的数据都收集起来，然后进行平均计算，可以把定位误差减小到最小，这样就可以把定位精度提高到几米。
总体性能方面，“子午仪”系统用于军事导航的定位精度为6米左右，通过多次定位可达2米以内。整体系统可工作到1996年。子午仪导航系统可以全天候导航，导航信号覆盖全球；导航精度优于以前任何系统。但不能定高度、速度，不能连续实施导航。
不能连续导航对于用户来说实在麻烦，固定地点采用卫星多次飞越的数据来提高定位精度，显然是一个很好的办法。但是对于航行在水中的潜艇、水面的船舶，它们的导航接收机安在活动的艇、船上，还必须精确地知道它们航行的速度，否则，定位精度将会大大降低。对于翱翔在空中的飞机，由于在两次导航定位的时间间隔内，飞行距离可达1000公里以上，显然，不能用“子午仪”导航卫星来进行导航，而需要研制更先进的导航卫星系统。
“子午仪”的诞生在当时具有重大的科学意义，它是人类首次建立的卫星导航系统，它为后来的GPS以及伽利略系统奠定了基础。另外，“子午仪”也让军方充分认识到导航系统的重要性，接下来的时间内，世界主要强国均在卫星导航系统上投下巨资。
GPS的诞生和组成
GPS的诞生
为了解决“子午仪”存在的众多问题，美国国防部70年代投资100亿美元开发新的卫星导航系统，即我们熟悉的GPS，从当时到1993年GPS建成投入使用，共耗资300亿美元以上。GPS在当时隶属于“星球大战”的组成部分受到了相当高的重视，80年代美国放弃星球大战计划后，GPS仍然得以存活发展。 GPS系统示意图
和早期的“子午仪”相比，GPS提高了卫星的数量，同时应用了最新的计时工具，让定位精度大为提高。另外GPS可提供实时导航，大大方便了飞行器和舰船的应用。同时GPS解决了“子午仪”不能提供高度数据的缺陷，当GPS接收器能锁定4颗卫星信号的时候，便可提供实时的高度数据。另外，GPS还提供较高的容错性，当接收机能接收到5颗卫星的数据时，其中一颗便可提供错误信息供参考。除了传统的导航用途外，GPS还可以提供较为精确的移动信息和时间校正功能。
可以说，GPS相对于“子午仪”有了重大的飞跃，让卫星导航真正进入大规模应用领域。
GPS的发展阶段
GPS系统的组成
GPS主要包括3部分的设备：地面控制中心；导航卫星和GPS接收装置。GPS主控制站在美国科罗拉多，负责全权控制，另外的三个地面天线，五个监测站，分布在全球。主要是收集数据、计算导航信息、诊断系统状态、调度卫星这些杂事。太空*有27颗GPS卫星，距离地面20200公里。27颗卫星有24颗运行、3颗备用。这些卫星已经更新了三代五种型号。卫星发射两种信号：L1和L2。L1:1575.42MHZ-p.htm" target="_blank" title="1575.42MHZ货源和PDF资料">1575.42MHZ L2:1227.60MHZ。卫星上的时钟采用铯原子钟或铷原子钟，计划未来用氢原子钟。至于接收机就很简单了，就是我们手头的GPS设备，包括大米同学的手机。常见的民用手持机接收L1信号，还有双频的接收机，做精密定位用的。军用的要复杂一些，主要更为可靠。 美国的德尔塔火箭发射最新型的GPS卫星
GPS的精度
性能方面，GPS虽然是军民合用的系统，但它针对军用和民用提供了不同的定位精度。军用为3米，民用信号增加了干扰机制，使精度下降到100米。鉴于GPS在民用中发挥越来越重要的作用，美国*2005年取消了GPS的干扰机制，使民用信号的精度提高到了5米，大大方便了民用用户的使用，也为现在GPS的普及奠定了基础。不过据称经过改进的GPS军用信号已经达到了1米的精度，但尚未对民用开放。
下面我们来了解GPS的主要工作原理。
GPS的主要原理比较简单，只涉及基本的地理和数学知识，但由于种种因素的干扰，完全搞明白GPS的原理就比较复杂了。我们这里只讲述最基本的知识，以便大多数读者能够理解。
首先我们假定GPS卫星的位置为已知，而我们又能准确测定所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置，因为这两点相差很远，可能在地球之外和地心某处，所以通过GPS内置的逻辑系统可以很容易的排除掉。
为了担保不会有意外发生，GPS通常会测量第4颗卫星的位置，这样4个虚拟的圆形相交的点就是我们的精确位置了。
综合所述，想GPS定位需要具备两个重要条件：
1、其一是要确知卫星的准确位置
2、其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离
具体来讲，实现第一点的方法是通过精确的控制。首先要优化设计卫星运行轨道，而且，要由监测站通过各种手段，连续不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历（相当于火车时刻表），注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。 导航卫星的飞行轨迹有严格的*，每颗都必须按照时刻表运行
第二点解决原理，只要知道卫星发射的信号到地面的距离就能准确知道卫星的距离，其中原理是最简单的物理公式：距离=速度*时间。GPS接收机计算卫星信号之间的间隔时间，乘上电磁波的速度就是准确的距离乐。但是这其中涉重要问题：卫星时间和GPS时间要同步，GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间（GPS自身的时钟采用廉价的石英钟）。所以，GPS接收机除了能准确定位之外，还可产生精确的时间信息。 GPS的核心装配——原子钟（非GPS用）
知道了距离和卫星的位置后GPS就可以开始工作了。当然这其中还涉及相当复杂的知识，包括大气的干扰；时间的校对；卫星的控制；容错功能；提高精度的差分技术等等，足可以让你学上好几年。当然，作为普通用户，我们只知道简单原理就成了。
最后，我们来模拟一次卫星导航，就说大米同学吧。此人在外HAPPY后夜间迷路，怎么也会不了家，突然一掏兜想起自己还有GPS。慌乱中，大米启动GPS导航，系统开始自动寻找可用的GPS卫星，大米运气不错，有4颗卫星能用，信号清晰。GPS开始接收卫星传输的无线电波，首先计算出4颗卫星的距离，然后通过“卫星运行时刻表”，知道了4颗卫星的位置。条件具备后，GPS开始对比内置地图，根据经纬度坐标确定目前的方位，最后根据大米的指示开始导航，甜美的语音告诉使用者出前方5米掏开门的提示——敢情大米在家门口转悠了一个晚上！
如何，相信您对GPS的整个系统和运作方法有了大概的了解。
系统构成与工作原理 北斗卫星导航定位系统的系统构成有：两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。 北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。
由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”而其他几种定位系统都是接收机被动接受信号，成为无源系统。北斗星除了能作导航用途外，还可以进行简单的通讯功能，这是其他系统所不具备的。
北斗星显然是应急的产物，系统只有3颗卫星，造价和同类系统相比非常便宜，它的主要作用是确保战争时期和特殊用途时不受GPS的*，有很强的战备目的。从性能上看，北斗星定位等功能和GPS相比也稍微不及，并且“有源定位”的工作方法很容易暴露用户的位置，保密性差，在军用方面是个不小的缺点。
总体来看，北斗星是我国在卫星导航的试水产品，很多地方还不完善，还有很长的路要走。出于战备目的，市面很少有北斗星的接收机出售，且价格昂贵，使用者基本是军队等国家用户。虽有少数零售产品，但都是应付事的面子工程，基本没有商业价值。 GPS和摩托罗拉“铱”系统的区别
在小编完成此文的时候，大米同学突出说出“铱”系统这个名词，并且将“铱”和GPS弄混了。为了解释这个问题，我们最后再介绍一下摩托罗拉的“铱”系统，看看它和GPS有和区别。
“铱”系统简单介绍
“铱”星系统是由美国摩托罗拉公司卫星通信部设计、筹建的通过低地球轨道运行的卫星组成的通信系统，与现有通信网结合，可实现全球数字化个人通信。于“铱”星系统包括66颗卫星，有部分是由中国长城工业公司的长征2C/SD火箭承担发射任务的。
这个系统最初设计中是模拟化学元素铱的原子结构，铱的原子核外有77个电子绕核旋转，所以设计的“铱”星系统也由77颗卫星在太空中的7条太阳同步轨道上绕地球运行，可以覆盖地球表面的任一点，构成“天衣无缝”的通信覆盖区，后来，这一系统改为66颗卫星围绕6个极度地圆轨道运行，但仍用原来注册的名称。
“铱”星系统于1994年开始发*7颗卫星。1998年11月1日，“铱”星系统正式投入运行，开创了人类电信史上的新篇章。美国的副总统戈尔成为“铱”星的第一位用户，他将第一个电话打给了美国地理学会*(此人是电话的发明人亚历山大·贝尔的曾孙)并告知他这个振奋人心的好消息。
“铱”星系统是一个非常庞大的低轨道卫星网络，共计72颗通信卫星(66颗组网卫星和6颗在轨的备用卫星)，运行在距离地面780公里高的轨道上，构成了6个倾角为86.4度的轨道面，卫星在轨道上绕地球运行的周期是100分钟又28秒。每颗卫星的质量约700千克。在每颗卫星上有48个发射点用来传送通讯信号。整个“铱”星系统和“铱”星本身都是由Motorola公司负责设计的，“铱”星系统的用户端的手持设备(“铱”星手机)是由Motorola公司和日本的专业手持电话制造商京瓷(Kyocera)提供，“铱”星手机分为只用于Iridium系统通信单功能机和GSM移动网/Iridium复合模式两种。后者既能用作卫星电话，又能用作蜂窝无线电话使用。当一个“铱”星用户呼叫另一个“铱”星用户时，“铱”星系统将会通过整个“铱”星网络定位被呼叫的“铱”星用户。如果被呼叫用户位于一个地面GSM系统的呼叫范围内的话，则信号将通过该地面GSM网络接通该用户的GSM信道(如果该用户使用兼容GSM的“铱”星电话)，就如同上面的情形。而如果无法在地面电话网内定位，则信号将直接在卫星与卫星之间传送，直到传送到被呼叫的“铱”星系统用户的“铱”星电话上。所以，只要通话双方都使用“铱”星电话，则无论用户在南极还是北极，该次通话肯定能够建立，体现出了“铱”星在个人通信方面的强大能力。 卫星爱好者拍摄的“铱”星掠过的照片
1998年11月“铱”星公司的全球卫星通讯系统全面建成并正式投入商业运营后，“铱”星公司在世界各地广设分公司，并拨出庞大的财务预算在全球范围内进行大规模的广告宣传活动，以纪念这一重大的技术创举，可谓声势浩大。不过，随着时间的推移，“铱”星公司在项目论证上存在的严重问题就逐渐暴露出来了。“铱”星公司所吸收的卫星电话用户的数量远远低于原来的预期，甚至达不到当初预计数字的一个零头。
同时，由于“铱”星公司的有息负债额高达44亿美元，占投资总额的80%，严重的入不敷出导致资金迅速枯竭，财务上陷入困境，该公司不得不在1999年8月向*申请破产保护，在2000年3月17日，“铱”星公司被宣布破产，耗资57亿美元的“铱”系统最终走向失败。据最新消息，“铱”卫星公司(Iridium Satellite LLC，不是“铱”星公司)只花了2500万美元就完成了对“铱”星公司(Iridium LLC)及其子公司所属资产的收购，并刚从美国国防部获得了一份为期两年，价值7200万美元的合同，给大约20000名*提供不限时间的无线通信服务。目前几十颗“铱”星委托波音公司管理和维护。 “铱”星电话，和普通GSM手机差不多
虽然走向大众的“铱”星系统失败了，但卫星移动通信系统仍存在广阔市场。因为目前，陆地蜂窝移动通信系统只能覆盖地球2%的面积，而且受用户和通信量制约，在一些地广人稀的区域长期运营蜂窝网得不偿失，加之海事卫星系统几十年来的成功运营，均表明卫星移动通信市场前景广阔。目前卫星通信系统仍在发展，除已投入使用的全球星系统外，还有ICO系统、奥德赛系统、日本的NTT系统、欧洲的RACE系统，都有着广阔的发展前景。
“铱”星系统通信装置在国内有出售价格与通话费用惊人也只有少数*部门采购的起，普通老百姓是无缘享受了。
“铱”星系统和GPS的区别显而易见，“铱”星系统功能是通信，打电话用的；GPS是负责导航的，看地图用的。二者不能混淆。 卫星导航展望
讲了半天卫星导航，大家肯定有点累了，咱们最后说点实际的。
卫星导航在我国还出于尚在发展的产物，产品主要是以美国的GPS为主，价格说实话还比较昂贵，一般的产品的售价在2000元左右，而且还需要缴纳每年的使用费用，以更新地理数据等，否则设备会作废或过期。从实际使用上来看，小编觉得还有不少问题需要解决，首先是地图精度实在不足，信息少的可怜，只能给你大概的走法，并且精度不能保证。
其次，GPS的使用稍有复杂，尤其是行车期间绝不能使用，否则复杂的操作很可能令你出交通事故。因此GPS在易用性方面还需要进行较大的改进。
目前可用的导航系统只有GPS一家，没有其他替代品。不过随着2008年欧洲“伽利略”的投入使用，相信导航系统竞争加剧，价格会进一步下调。预计今后的导航系统很可能内置GPS和伽利略两套系统，互为备份并且还能提高使用精度。至于俄罗斯的GLONASS和我国的北斗星，由于种种原因，很可能不足以进入市场。
总之，小小的GPS别看样子简单，但其中蕴含的科技却是普通人难以想象的，从早期的罗盘指南针路到现在的卫星导航，其中经历了数千年的发展历程，背后经过了无数人的艰辛劳动，所以别小看您的GPS! 转载附录：卫星导航的核心设备—原子钟
GPS系统操作原理其实是很简单的:每一颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号。GPS的接收装置接收到来自于四颗卫星的信号，然后计算出在地球上的位置，误差仅为几百英尺。接收装置将接收时间与卫星发射的时间进行比较，通过二者之差计算出远离卫星的距离(光线的速度为每秒186000英里，假如卫星发射时间比接收时间晚千分之一秒，那么接受装置离卫星的距离就为186英里)。通过比较这个时间与其他三个已知位置的卫星的时间，接收装置便能够确定经纬度及海拔高度。
从以上论述可以看出精确计时及其计时工具在整个GPS系统中的重要地位。
说到原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的;他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。
根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”(他的学生这样说道)，也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。
在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。
两位科学家先驱的工作为全球定位系统的发展奠定了基础:左图:拉比对原子和原子核的基本性质所做的研究引导他发明了磁共振的技术，为第一台原子钟的出现奠定基础。右图:拉比以前的学生诺曼·兰姆赛为铯原子束“喷泉”钟的发展奠定了基础。他还发明了氢微波激射仪器，从而为时间记录的概念重新下了定义。
拉比本人并没有深入到制造这种时钟的工作，但其他的研究者继续工作改进这个想法和技术。1949年，拉比的学生诺曼?兰姆赛所做的研究表明如果让原子束通过振荡场两次的话便能得到更精确的时钟。为此，兰姆赛于1989年获得了诺贝尔奖。 几十年来，铯束钟、氢微波激射钟和铷钟这三种时钟在空间领域发挥着重要作用，要么是被安装在卫星上，要么是安装在地面控制系统里。GPS系统的卫星最终必须依赖这些和拉比六十年前所构想出的时钟相似的铯钟。
1993年也就是五角大楼构思GPS系统的20年后，随着第二十四颗卫星的升空，GPS系统终于成为一个实用的系统了。美国空军操纵着这些卫星，并从遍布全世界的五个地面站监视着它们。收集到的数据将送到位于科罗拉多的空军联合空间行动中心进行分析，该中心每天将这些最新数据传送回每颗卫星上，校正时钟及轨道数据。
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时间：2023-07-22 22:15
