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      GPS導航系統

      GPS導航系統

      目 錄

      1、 相關介紹

      2、 GPS導航系統的功用

      3、 組成

      4、 工作原理

      5、 功能與用途

      6、 類型

      7、 相關條目

      即全球定位系統(GlobalPositioningSystem)。簡單地說,這是一個由覆蓋全球的24顆衛星組成的衛星系統。這個系統可以保證在任意時刻,地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛星,以保證衛星可以采集到該觀測點的經緯度和高度,以便實現導航、定位、授時等功能。這項技術可以用來引導飛機、船舶、車輛以及個人,安全、準確地沿著選定的路線,準時到達目的地。

      返回目錄↑1、相關介紹

      GPS導航系統GPS導航系統

      GPS導航系統是以全球24顆定位人造衛星為基礎,向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導航定位系統。它由三部分構成,一是地面控制部分,由主控站、地面天線、監測站及通訊輔助系統組成。二是空間部分,由24顆衛星組成,分布在6個軌道平面。三是用戶裝置部分,由GPS接收機和衛星天線組成,F在民用的定位精度可達10米內。

      車載GPS導航系統,其內置的GPS天線會接收到來自環繞地球的24顆GPS衛星中的至少3顆所傳遞的數據信息,結合儲存在車載導航儀內的電子地圖,通過GPS衛星信號確定的位置坐標與此相匹配,進行確定汽車在電子地圖中的準確位置,這就是平常所說的定位功能。

      在定位的基礎上,可以通過多功能顯視器,提供最佳行車路線,前方路況以及最近的加油站、飯店、旅館等信息。假如不幸GPS信號中斷,你因此而迷了路,也不用擔心,GPS已記錄了你的行車路線,你還可以按原路返回。當然,這些功能都離不開已經事先編制好的使用地區的地圖軟件。

      車載GPS還有一個很大的功能就是防盜,分為靜態防盜和動態追蹤兩種。前者是指車主離開汽車,停泊的車輛遭遇偷盜、毀壞、移動時,車輛通過自身的監控系統向GPS監控中心發出警報,并自動與車主手機聯系、電話報警等。后者則可對行使中的被盜車輛進行定位跟蹤、車況監聽、車跡記錄,甚至控制車輛斷電、斷油等。

      返回目錄↑2、GPS導航系統的功用

      全球定位系統的主要用途:(1)陸地應用,主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、 市政規劃控制等;(2)海洋應用,包括遠洋船最佳航程航線測定、船只實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平臺定位、海平面升降監測等;(3)航空航天應用,包括飛機導航、航空遙 感姿態控制、低軌衛星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。

      返回目錄↑3、組成

      GPS全球衛星定位系統由三部分組成:

      空間部分———GPS星座; GPS的空間部分是由24顆衛星組成(21顆工作衛星;3顆備用衛星),它位于距地表20200km的上空,均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆),軌道傾角為55°。衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星,并能在衛星中預存導航信息,GPS的衛星因為大氣摩擦等問題;隨著時間的推移,導航精度會逐漸降低。
      2. 地面控制系統

      地面控制部分———地面監控系統;地面控制系統由監測站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天線(Ground Antenna)所組成,主控制站位于美國科羅拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站負責收集由衛星傳回之訊息,并計算衛星星歷、相對距離,大氣校正等數據。

      用戶設備部分———GPS信號接收機。用戶設備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星,并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后,就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率,解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據,接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS 數據的后處理軟件包構成完整的GPS 用戶設備。GPS 接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在于更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后機內電池為RAM存儲器供電,以防止數據丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測使用。其次則為使用者接收器,現有單頻與雙頻兩種,但由于價格因素,一般使用者所購買的多為單頻接收器

       

      返回目錄↑4、工作原理

      GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離,然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的,衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出。而用戶到衛星的距離則通過紀錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間,再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾,這一距離并不是用戶與衛星之間的真實距離,而是偽距(PR):當GPS衛星正常工作時,會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發射導航電文。GPS系統使用的偽碼一共有兩種,分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復周期一毫秒,碼間距1微秒,相當于300m;P碼頻率10.23MHz,重復周期266.4天,碼間距0.1微秒,相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的,保密性能更佳。導航電文包括衛星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛星信號中解調制出來,以50b/s調制在載頻上發射的。導航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼;每三十秒重復一次,每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊,其中最重要的則為星歷數據。當用戶接受到導航電文時,提取出衛星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離,再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發射電文時所處位置,用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。

      可見GPS導航系統衛星部分的作用就是不斷地發射導航電文。然而,由于用戶接受機使用的時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步,所以除了用戶的三維坐標x、y、z外,還要引進一個Δt即衛星與接收機之間的時間差作為未知數,然后用4個方程將這4個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置,至少要能接收到4個衛星的信號。

      GPS接收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息;用于預報未來幾個月內衛星所處概略位置的預報星歷;用于計算定位時所需衛星坐標的廣播星歷,精度為幾米至幾十米(各個衛星不同,隨時變化);以及GPS系統信息,如衛星狀況等。

      GPS接收機對碼的量測就可得到衛星到接收機的距離,由于含有接收機衛星鐘的誤差及大氣傳播誤差,故稱為偽距。對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距,精度約為20米左右,對P碼測得的偽距稱為P碼偽距,精度約為2米左右。

      GPS接收機對收到的衛星信號,進行解碼或采用其它技術,將調制在載波上的信息去掉后,就可以恢復載波。嚴格而言,載波相位應被稱為載波拍頻相位,它是收到的受多普勒頻移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測,保持對衛星信號的跟蹤,就可記錄下相位的變化值,但開始觀測時的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的,起始歷元的相位整數也是不知道的,即整周模糊度,只能在數據處理中作為參數解算。相位觀測值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相對定位、并有一段連續觀測值時才能使用相位觀測值,而要達到優于米級的定位精度也只能采用相位觀測值。

      按定位方式,GPS定位分為單點定位和相對定位(差分定位)。單點定位就是根據一臺接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式,它只能采用偽距觀測量,可用于車船等的概略導航定位。相對定位(差分定位)是根據兩臺以上接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置的方法,它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量,大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位。

      在GPS觀測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差,在定位計算時還要受到衛星廣播星歷誤差的影響,在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱,因此定位精度將大大提高,雙頻接收機可以根據兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分,在精度要求高,接收機間距離較遠時(大氣有明顯差別),應選用雙頻接收機。

      返回目錄↑5、功能與用途

      全球定位系統的主要用途:(1)陸地應用,主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、市政規劃控制等;(2)海洋應用,包括遠洋船最佳航程航線測定、船只實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平臺定位、海平面升降監測等;(3)航空航天應用,包括飛機導航、航空遙感姿態控制、低軌衛星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。

      主要是為船舶,汽車,飛機等運動物體進行定位導航。

      工程機械(輪胎吊,推土機等)控制應用。

      道路工程中也應用。

      返回目錄↑6、類型

      GPS衛星接收機種類很多,根據型號分為測地型、全站型、定時型、手持型、集成型;根據用途分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式。

      按接收機的用途分類

      1.導航型接收機

      此類型接收機主要用于運動載體的導航,它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機一般采用C/A碼偽距測量,單點實時定位精度較低,一般為±10m,有SA影響時為±100m。這類接收機價格便宜,應用廣泛。根據應用領域的不同,此類接收機還可以進一步分為:

      車載型——用于車輛導航定位;

      航海型——用于船舶導航定位;

      航空型——用于飛機導航定位。由于飛機運行速度快,因此,在航空上用的接收機要求能適應高速運動。

      星載型——用于衛星的導航定位。由于衛星的速度高達7km/s以上,因此對接收機的要求更高。

      2.測地型接收機

      測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位,定位精度高。儀器結構復雜,價格較貴。

      3.授時型接收機

      這類接收機主要利用GPS衛星提供的高精度時間標準進行授時,常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。

      4.2.2按接收機的載波頻率分類

      單頻接收機

      單頻接收機只能接收L1載波信號,測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響,單頻接收機只適用于短基線(<15km)的精密定位。

      雙頻接收機

      雙頻接收機可以同時接收L1,L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣,可以消除電離層對電磁波信號的延遲的影響,因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。

      4.2.3按接收機通道數分類

      GPS接收機能同時接收多顆GPS衛星的信號,為了分離接收到的不同衛星的信號,以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測,具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據接收機所具有的通道種類可分為:

      多通道接收機

      序貫通道接收機

      多路多用通道接收機

      4.2.4按接收機工作原理分類

      碼相關型接收機

      碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀測值。

      平方型接收機

      平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調制信號,來恢復完整的載波信號通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差,測定偽距觀測值。

      混合型接收機

      這種儀器是綜合上述兩種接收機的優點,既可以得到碼相位偽距,也可以得到載波相位觀測值。

      干涉型接收機

      這種接收機是將GPS衛星作為射電源,采用干涉測量方法,測定兩個測站間距離。

      經過20余年的實踐證明,GPS系統是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統。GPS技術已經發展成為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產業。

       

      GPS提供修正   全球定位系統GPS衛星的定時信號提供緯度、經度和高度的信息,精確的距離測量需要精確的時鐘。因此精確的GPS接受器就要用到相對論效應。   準確度在30米之內的GPS接收機就意味著它已經利用了相對論效應。華盛頓大學的物理學家Clifford M. Will詳細解釋說:“如果不考慮相對論效應,衛星上的時鐘就和地球的時鐘不同步。”相對論認為快速移動物體隨時間的流逝比靜止的要慢。Will計算出,每個GPS衛星每小時跨過大約1.4萬千米的路程,這意味著它的星載原子鐘每天要比地球上的鐘慢7微秒。   而引力對時間施加了更大的相對論效應。大約2萬千米的高空,GPS衛星經受到的引力拉力大約相當于地面上的四分之一。結果就是星載時鐘每天快45微秒, GPS要計入共38微秒的偏差。Ashby解釋說:“如果衛星上沒有頻率補償,每天將會增大11千米的誤差。”(這種效應事實上更為復雜,因為衛星沿著一個偏心軌道,有時離地球較近,有時又離得較遠。)

       

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