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GPS三边测量原理

1970
GPS接收器在无线电波物理学中显示卫星信号和距离测量。

(图片仅供参考)

GPS利用三边测量法确定接收器的位置。通过测量到至少三颗卫星的距离,接收器可以精确定位其在地球表面上的位置。距离的计算方法是将信号的传播时间乘以光速。还需要第四颗卫星来同步接收器的时钟,从而确定四个未知量:纬度、经度、海拔和时间。

GPS定位的核心原理基于一种称为三边测量(或更准确地说是多边测量)的几何技术。每颗GPS卫星持续广播一个信号,其中包含其精确的轨道位置(星历)和信号的精确发射时间。位于地球表面或附近的GPS接收器接收来自多颗卫星的这些信号。接收器计算信号发送时间和接收时间之间的时间差。这个时间差,即飞行时间,乘以光速(c),即可确定到该卫星的距离,或称“伪距”。之所以使用“伪距”一词,是因为接收器的内部时钟与卫星上高精度的原子钟并非完全同步,从而引入了时间偏移误差。

从几何角度来看,知道到一颗卫星的距离可以将接收机的位置限定在一个以该卫星为中心、半径等于计算出的伪距的球面上。有了第二颗卫星,位置范围就缩小到两个球面的交集,即一个圆。第三颗卫星的信号提供了第三个球面,它与前两颗卫星形成的圆的交集会产生两个可能的点。通常,其中一个点是一个无意义的位置(例如,遥远的太空或地球深处),这使得接收机能够确定其二维位置(纬度和经度)。为了求解第四个未知量——高度,更重要的是,为了校正接收机的时钟误差(Δtreceiver),需要来自第四颗卫星的信号。这使得接收器能够求解四个未知数(x、y、z、Δt_{receiver})的四个方程组,从而得到精确的 3D 位置和准确的时间。

UNESCO Nomenclature: 2212
无线电波物理学

类型

抽象系统

中断

革命

用法

广泛使用

前体

  • 天文导航
  • 无线电测向(RDF)
  • 远程导航(LORAN)系统
  • 过境(导航)卫星系统
  • 几何和三角学的基本原理
  • 光速测量

应用程序

  • 车辆导航系统
  • 照片地理标记
  • 精准农业
  • 灾害管理和紧急服务
  • 智能手机上的基于位置的服务

专利:

NA

潜在创新理念

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相关术语:三边测量、多边测量、伪距、卫星测距、飞行时间、GPS定位、导航、几何、光速、时钟偏移。

历史背景

GPS三边测量原理

1963
1964
1968
1970
1970
1975
1980
1962
1963
1965
1970
1970
1974-11-15
1980
1980

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

相关发明、创新和技术原理

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