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卫星定位系统是如何工作的

发布时间:2021-11-26 16:52

当今社会,卫星定位被广泛用于多种设备的定位和导航,车辆防盗,物流跟踪,共享经济,智能手机等等。您考虑过这套系统是如何工作的么?今天就让我们以 GPS 为例来简单地了解一下。

在某个电闪雷鸣的瞬间,我们都曾经尝试着计算我们与闪电之间的距离。方法是这样的,从看到闪电开始计时,直至听到雷声,数的秒数(时间)乘以声音的速度(约为 340m/s),即可得出大概的距离。


卫星导航的原理与此类似,卫星的位置是已知的,我们根据从卫星上发送的无线电波到达接收设备的时间来计算距离。确定的时间,构成确定的距离,这个距离构成一个以卫星为球心的球面。然后根据接收设备和多颗卫星的距离,确定球面的交点,进一步确定位置和高度。

卫星发射的无线电波以光速(大约300000km/s)传播,到达地球表面卫星正下方的位置大约需要 67.3ms。信号每多行进 1km 需要 3.33μs。卫星到地面上导航接收机的行程时间相差 1μs,也会造成大概 300m 的位置误差。因此精确的时间对定位精度非常重要,这决定了定位精度。

为了获得更加准确的时间,每颗 GPS 卫星都配备有多个不同用途的星载原子钟。原子钟是已知最精确的时间计量仪器,每 30000 至 1000000 年的最大误差不超过 1s。为使它们更加精确,从地球上的各个控制点定期对其进行调整或同步。

定位的一个前提是需要时时知道卫星的位置,卫星的位置可以通过地面站观测得到,进而编制星历(轨道数据),地面站把星历数据注入卫星。

卫星会广播发送自身高精度的星历,系统时间,时钟修正值,所有其他 GPS 卫星的近似轨道数据(年历),系统健康状况等。

为测定 3 个所需坐标(经度、纬度和高度)和精确的时间,至少需要接收 4 颗卫星的信号。

具体问题要更加复杂,比如空气,电离层对电磁波速度的影响,多径效应等等。军用信号的加密,多颗微信相同频率发射的信号编码问题,多普勒效应对频率的影响,实际情况远比本文介绍的复杂的多。

常见的 GPS 终端设备只需要接收,不需要向卫星发送信号。与 GPS 不同,中国早期的北斗系统采用了另外一种定位方式,2000~2007 年间,中国发射了 4 颗地球同步卫星用于区域性北斗系统。北斗-1A 至北斗-1D 在中国上空发送信号。在卫星与导航接收机之间通过交互方式定位。信号的发送和接受方式如下:

1,导航接收机向 4 颗地球同步卫星发送信号。

2,所有 4 颗卫星都收到该信号。

3,所有 4 颗卫星将接收到信号的准确时间发送给地面站(注意是地面站,不是接收机)。

4,地面站计算接收机的经度和纬度并确定其高程。

5,地面站将位置信息发送给地球同步卫星。

6,地球同步卫星将位置信息发送给导航接收机。

标签:卫星定位卫星导航系统卫星授时系统

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