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全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn),是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn),硬、軟件的不斷完善,應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓,目前已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各種部門,并開始逐步深入人們的日常生活。下面小編就介紹一下GPS導(dǎo)航的定位原理和GPS定位系統(tǒng)是如何定位的。
一、GPS定位系統(tǒng)是如何定位的
24顆GPS衛(wèi)星在離地面1萬2千公里的高空上,以12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行,使得在任意時(shí)刻,在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。
由于衛(wèi)星的位置精確可知,在GPS觀測(cè)中,我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離,利用三維坐標(biāo)中的距離公式,利用3顆衛(wèi)星,就可以組成3個(gè)方程式,解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X,Y,Z)。考慮到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差,實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù),X、Y、Z和時(shí)鐘差,因而需要引入第4顆衛(wèi)星,形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解,從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。
事實(shí)上,接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星,這時(shí),接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組,每組4顆,然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位,從而提高精度。
由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差,大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響,以及人為的SA保護(hù)政策,使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度,普遍采用差分GPS(DGPS)技術(shù),建立基準(zhǔn)站(差分臺(tái))進(jìn)行GPS觀測(cè),利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo),與觀測(cè)值進(jìn)行比較,從而得出一修正數(shù),并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后,與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較,消去大部分誤差,得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。
車用導(dǎo)航系統(tǒng)主要由導(dǎo)航主機(jī)和導(dǎo)航顯示終端兩部分構(gòu)成。內(nèi)置的GPS天線會(huì)接收到來自環(huán)繞地球的24顆GPS衛(wèi)星中的至少3顆所傳遞的數(shù)據(jù)信息,由此測(cè)定汽車當(dāng)前所處的位置。導(dǎo)航主機(jī)通過GPS衛(wèi)星信號(hào)確定的位置坐標(biāo)與電子地圖數(shù)據(jù)相匹配,便可確定汽車在電子地圖中的準(zhǔn)確位置。 在此基礎(chǔ)上,將會(huì)實(shí)現(xiàn)行車導(dǎo)航、路線推薦、信息查詢、播放AV/TV等多種功能。駕駛者只須通過觀看顯示器上的畫面、收聽語音提示,操縱手中的遙控器即可實(shí)現(xiàn)上述功能,從而輕松自如地駕車。 全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。和子午儀系統(tǒng)一樣,全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。 按目前的方案,全球定位系統(tǒng)的空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道,運(yùn)行周期約為11小時(shí)58分,分布在六個(gè)軌道面上(每軌道面四顆),軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方,任何時(shí)間都可觀測(cè)到四顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖形(DOP)。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α? 地面監(jiān)控部分包括四個(gè)監(jiān)控站、一個(gè)上行注入站和一個(gè)主控站。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對(duì)地面監(jiān)控部實(shí)行全面控制。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天進(jìn)行一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。
全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn),是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn),硬、軟件的不斷完善,應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓,目前已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各種部門,并開始逐步深入人們的日常生活。
二、GPS導(dǎo)航的定位原理
d1=[(x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2)^2]^1/2+c(Vt1-Vt0) d2=[(x2-x)^2+(y2-y)^2+(z2-z)^2]^1/2+c(Vt2-Vt0) d3=[(x3-x)^2+(y3-y)^2+(z3-z)^2]^1/2+c(Vt3-Vt0) d4=[(x4-x)^2+(y4-y)^2+(z4-z)^2]^1/2+c(Vt4-Vt0)
上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)x、y、z和Vto為未知參數(shù),其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。 di(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。 △ti(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。
c為GPS信號(hào)的傳播速度(即光速)。 四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下: x、y、z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。 xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo),可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。 Vt i(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差,由衛(wèi)星星歷提供。 Vto為接收機(jī)的鐘差。 由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z和接收機(jī)的鐘差Vto。 GPS的基本定位原理是:衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息,用戶接收到這些信息后,經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置,三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。