【航天甲子年50讲】 23 导航卫星定位原理



文:晟宇(视频讲解)

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前言


卫星导航从一个美好的构想到服务于我们的生活所花的时间也不过几十年,那么从过去的观星到用人造的卫星来实现位置的确定,背后的原理是什么呢?


首先我们要知道最早的灵感来源于对于地面测量卫星位置的反推。也就是如果能准确地知道卫星所处的位置以及精确的时间,那么就可以用卫星来确定地面的位置。也是基于这样的思路来构建导航系统的。



基本工作流程


我们不妨从GPS网站上对于全球定位系统如何工作的流程来做一个了解。首先我们看到GPS的卫星会一直广播自己的位置信息以及关联这个位置的准确时间信息。


所以我们知道其实本质上导航卫星是一种特殊的通信卫星,是一种广播型的通信卫星。而卫星的位置和时间是广播的核心内容。


以光速传播的广播信息穿过空间,穿过大气层由地面的用户接收到。用户记录下接收到这个信号的准确时刻。


最后只要用户可以接收到4颗以上的卫星广播信息,用户就可以在自己的设备上计算出自己所处的位置。


这就是我们在空间任务几何里说过的,GPS星座的这个服务特点决定了它的星座必须实现多重的覆盖。





饭要一口一口吃,算位置也要一点点来


回到我们刚才说到的流程,我们知道了这里面用户为什么记录自己接收到广播信息的时间,就是为了通过计算一个时间差来得到自己和卫星之间的距离。由于实际上这个距离并不是真正的两者之间的距离,因为有时间上的误差,信号传播过程中的误差,所以一般这个距离称之为伪距。


这个距离的确定就使得我们知道哦自己处于距离卫星特定距离的一个球上。那么如果接收来自两颗卫星的信号,我们所处的位置就应该是两个球的交接处,就是一个圆。





接着上面的来想象,那么接收3颗卫星的信号,我们就能在这个圆上确定2个点,而当我们接收到的4颗星的信号时,就能确定我们到底是处于哪一个点咯。


当然还有另外一种表达方式。我们所处的位置是未知的,在时空上就有4个未知量,所以需要构建4个方程来求解了。




多多益善


而现实的使用过程中,只有4颗卫星来进行定位的结果并不理想,例如GPS系统往往用户在定位时可以接收到7,8颗以上的卫星发送的定位信息。


GPS卫星广播的内容就是用户用来解算出自己位置的内容,就是导航电文。导航电文里就包含了卫星的位置,就是卫星的星历,可以通过查星历来确定特定时刻下的卫星位置。同时也包含着准确的时钟信息,可以通过这个信息来计算距离。


那么这个导航电文是用伪随机码来进行发送的,分别有民用的C/A码和精度更高的军用P码。


另外导航电文里还包含一些用来修正误差的信息,具体的误差我们会在下次的分享中讨论。



视角不同,效果不同


对于接收到的GPS信号,提供信号的卫星所处的位置分布不同,带来的差异也很大。


我们可以想象一下作战的时候,其实对于同一个目标我们都需要从不同角度观察,一方面是为了确定目标分布,一方面也是确定目标的具体位置。


那么对于GPS来评价这种分布差异的就是几何因子或者说几何精度因子。简单理解可以认为就是提供导航信息的卫星分布的关系。显然越集中的分布效果越不好,例如我们在高楼林立的城市和峡谷中定位的精度不高,就是因为GDOP较差。





这一点尤其体现在高程的测量上,往往在高程上的误差较大。



差分GPS


由于很多环境条件的约束,使得有些地方的GPS定位精度不够理想。于是就需要一些辅助的手段来提高。


例如可以使用差分GPS的方法,就是选取一些确定位置的点,通过与这些特点点之间的测量来提高定位的精度。





下次我们来聊聊那些影响定位精度的误差来源。



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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标
编辑于 2018-04-04