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卫星定位为什么要用四颗,第四颗的工作原理是什么?

作者:访客 日期:2021-08-28 分类:GPS卫星定位

卫星定位系统是一种使用卫星对某物进行准确定位的技术,它从最初的定位精度低、不能实时定位、难以提供及时的导航服务,发展到现如今的高精度GPS全球定位系统,实现了在任意时刻、地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星,以便实现导航、定位、授时等功能。卫星定位可以用来引导飞机、船舶、车辆、以及个人,安全、准确地沿着选定的路线,准时到达目的地。卫星定位还可以应用到手机追寻等功能中。

卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。早期,人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标,这种对卫星的几何观测能够解决用常规大地测量难以实现的远距离陆地海岛联测定位的问题。但是这种方法费时费力,不仅定位精度低,而且不能测得点位的地心坐标。 20世纪50年代末期美国研制的子午卫星导航系统(NNSS)为GPS的前身,用5到6颗卫星组成的星网工作,每天最多绕过地球13次,但无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。但子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星系统进行定位的可行性,为GPS系统的研制埋下了铺垫,它开创了海空导航的新时代,揭开了卫星大地测量学的新篇章。

全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座才布设完成。全球定位系统(GPS)的24颗卫星中,其中21颗为工作卫星,3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上,即每个轨道面上有4颗卫星。如下图所示,卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°,各轨道平面的升交点的赤经相差60°,一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。GPS卫星定位系统卫星轨道高度约为20200km,定位精度可以达到10m。

GPS卫星定位基本原理:测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差,伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。通过接收机时钟得到时间差,从而知道四个信号从卫星到接收机的不准确距离(含同一个误差值,由接收机时钟误差造成),用这四个不准确距离和四个卫星的准确位置构建四个方程,解方程组就得到接收机位置。

另外的比较通俗的解释还有:

第一种:在确定目标点位置的空间中,需要三次卫星测量以给出三维位置。为什么卫星导航通常需要四颗卫星定位?这是因为在参与导航位置计算的过程中实际上存在时间变量参数,因为卫星导航的距离测量实际上是通过时间测量来实现的。当每秒时间误差为百万分之一时,位置误差将超过300米,人们使用的卫星导航接收器的时钟由石英晶体振荡器实现。必须使用卫星原子钟作为同步标准,以确保定位精度。因此,需要第四个卫星来参与定位。事实上,这第四颗卫星被用作时间参考标准。

第二种:GPS定位需要4颗卫星是因为各自不同的卫星在这里负责不同的工作.3颗是测量在用WGS-84作为标准的三维坐标,本来3维数据已足够定位,但是因为卫星传播的工具是用电磁波(而不是光),而电磁波经过传播会产生误差,会导致传播时间的不同步.而为了使这传播的数据同步,所以引入多一颗卫星来提供时间数据。

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