天空中的“指南针”:卫星导航系统

由于地磁场分布不均,使指南针的使用受到了很大限制。为了适应社会各方面的发展,天空中的“指南针”:卫星导航系统应运而生。

现在大家提起导航,脑海中就会浮现“GPS”这三个字母,其实GPSGlobal Positioning System)是美国军方建造的全球定位系统,由于先入为主的关系,人们常把它当做卫星导航系统的代名词。1991年海湾战争,GPS在海陆空都发挥了作用,尤其是在沙漠中扮演关键角色,海湾战争的胜利,被誉为“GPS的胜利

图 海湾战争是GPS的胜利

那么什么是卫星导航系统呢?卫星导航系统由三部分组成,分别是导航卫星、地面台站和用户定位设备。导航卫星是卫星导航系统的空间部分,由多颗导航卫星构成;地面台站主要是对卫星上设备进行控制管理;用户定位设备通常由接收机、手持终端等组成。



图 卫星导航系统组成 

卫星导航系统的工作原理是:导航卫星装有专用的无线电导航设备,用户接收导航卫星发来的无线电导航信号,获得用户相对于卫星的距离等导航参数,并根据卫星发送的时间、轨道参数,求出在定位瞬间卫星的实时位置坐标,进一步定出用户的地理位置坐标。

 

图 卫星导航系统工作原理

卫星在离地面2200千米的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。  

 

  图 卫星定位原理

由于卫星的位置精确可知,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,XYZ和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高度。


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