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GPS测速原理  

2011-10-17 15:17:48|  分类: 专业 |  标签: |举报 |字号 订阅

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     GPS是怎样确定自身的速度呢?一般人会想当然的以为,既然接收器都可以算出我每一秒钟的具体坐标,然后再除以一秒钟,这就是我一秒钟内的平均速度了。看起来是很合理,可是实际应用中,由于各种误差,导致这样算出来的数据不可能那么准确。实际上GPS接收机在计算前进速度的时候,用的是多普勒效应(Doppler Effect),准确程度可以达到0.5公里/小时。那什么是多普勒效应呢?GPS又是怎样利用多普勒效应确定速度的呢?
    多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。他认为声波频率在声源移向观察者时变高,而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车,当火车接近观察者时,其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有:警车的警报声和赛车的发动机声。

    我们不妨先想一想火车从我们身边驶过时汽笛声的变化。当火车向我们驶来时,由于声波被压缩,汽笛的音调会变高;而当火车离我们远去时,声波被拉长,汽笛的音调又逐渐降低。怎样来理解这种现象呢?我们可以把声波视为有规律间隔发射的脉冲,可以想象成火车每走一米,便发射了一个脉冲,那么在之前的每一个脉冲都比静止不动的状态是更接近火车本身。而在火车后面的声源则比原来静止不动时远了一米。或者说,在火车前的脉冲频率比平常变高,而在火车后的脉冲频率比平常变低了。

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多普勒效应

    多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波形,包括电磁波。科学家Edwin Hubble发现远处银河系的光线频率在变高,即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移,或称红移。若银河系正移向他,光线就成为蓝移,从而用用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。GPS卫星发射的也是电磁波,同理,可以根据接收到的电磁波频率和理论上卫星的发射频率进行对比就可以得出接收机自身的速度。为了要量到每秒几公分的精确速度,需要数公分的波长,所以GPS卫星使用微波,微波的波长在几公分左右。可是有些刨根问底的人又说了,刚才那些例子都是发射方和接收方一方静止一方移动,但是GPS接收在运动,GPS卫星也在运动,而且两方的运动方向通常不在一条直线上啊,那怎样确定速度呢?为什么GPS卫星不用固定轨道呢?
    我们用火车经过来比对GPS确定速度的方式可能会误导了你,认为GPS卫星是在固定轨道(Stationary Orbit)上更好。固定轨道也叫做同步轨道(Synchronous Orbit),在该轨道的卫星以24小时环绕着地球转,和地球的自转同方向同速度,因此地面上的人看到的同步卫星是在天空中一固定的位置。其实,如果我们能一直预知信号源的位置和运动状态的话,信号源大可不必如火车一样和接收者在同一直线上。还好,GPS卫星绕地球运行的轨道是可预知的。德国数学家兼天文学家约翰?克普勒(Johannes Kepler 1571-1630)已解决了数学理论的问题。他发现了天体运动的方程式和定律。如:月亮环绕地球、行星绕太阳等等。人造卫星亦遵循着克普勒定律。当然,牛顿(Sir Isaac Newton 1642-1727)和爱因斯坦(Albert Einstein 1879-1955)的划时代成就也对GPS的来龙去脉有所贡献。的确,有些复杂的方程需要解出答案。对人而言这种极为困难的计算工作对计算机来说却是易如反掌,到了今天,计算机的速度已经是非常快了,所以不论这种计算过程有多么复杂困难,计算机只需一瞬间即可完成。在你接收机里的微电脑能够每秒执行上百万指令,借着程序中的克普勒数学公式能即刻算出卫星的位置。
    由于已知了GPS卫星轨道,卫星会播放星历资料(Almanac)包含克普勒轨道资料,该资料可预知GPS卫星于每一时刻之位置,您的GPS接收机读进这些星历资料并写入它的非易失性内存(Non-Volatile Memory)中,既使关机后接收机也不会忘记这些星历资料。因此我们得知GPS卫星不仅放送测距用的伪乱码,它们也播放其它如轨道位置的资料讯息,以后我们将详细讲解伪乱码的作用。
    那为什么不用固定轨道呢?首先,固定轨道必须在赤道之正上方,两极附近的使用者很难看见固定轨道上的卫星。其次若所有的卫星都在同一平面上,在定位上叫做很高的精确度淡化,而很难算出正确位置,所以GPS卫星是均匀地分布在全球每一角落之上空,周期约12小时。再者,我们知道卫星群需经常由美国国防部所运作的一些地面站所监控,互通讯息。地面设施须要每天能看见它们两次以便检查它们的位置、时钟和健康情形,上载资料以供播放给我们使用者。地面监控设施亦需精确地推算出卫星的位置和速度,由于轨道会因太阳风、月亮或太阳之引力造成微量的变异,由于操纵卫星对有限的燃料资源与控制都是负担所以运作的方式通常不是操纵卫星回到预测的正确克普勒轨道上,所以只有在监控部份很难预测卫星轨道参数时,才会去操纵卫星。微量的轨道和时钟之变异由一组卫星轨道参数修正之,叫做精确轨道资料。GPS卫星由地面监控设施修正之,所以卫星也广播精确轨道的资料以供你的接收机处理。如果监控部份测得GPS卫星偏离了预测的轨道,它会上载新的精确轨道资料至卫星上,卫星广播其修正量,以便GPS接收机做准确的定位计算。所以,基于以上原因,GPS使用的是近地轨道而不是同步轨道。

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