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6个回答
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我在哪? 现在 是 什么时间? 要达到目的地该怎么走? 说到GPS,大多数人的第一反应就是定位和导航,这是GPS设计的初衷,也是其最典型的应用。 并且,由于GPS免费、公开,并且性能可靠,全球的形形色色的大量用户已经为其开发出了数百种用途,几乎影响到我们生活的方方面面。 空中,飞机借助GPS导航在云中穿梭;路上,无数的汽车通过GPS来规划行驶路线;甚至,在你的手机后台,一个个APP在贪婪地记录着你的位置,在提供便利服务的同时,个人行踪也被默默地上传,作为大数据和所谓人工智能的食粮。
最关键的是,5G基站需要高精度的时间同步才能正常工作,这也要依赖于GPS。当然,随着中国的北斗系统的发展,GPS的重要性有所下降。 |
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什么是GPS ?
GPS的全称是Global Positionsing System,也就是全球定位系统。 这个看似如此全球化的名字,实际上掌握在美国国防部手中,最初是作为军用的,开放给民用之后,在全球形成了一个巨大的产业链。 上世纪中叶,随着美国在全球的扩张 ,海陆空三军都亟需一个可靠的卫星定位系统。 海军和空军各自提出了各自的实现方案,甚至已经开始了实验。 国防部一看,这些系统的复杂度很大,各家自行研发的话太费钱了,既然大家的目标是一致的,何不集中力量一起搞呢? 于是,在1973年,GPS计划在国防部下辖的卫星导航定位联合计划局的领导下诞生了。 经过了十几年的方案论证,初步设计,全面研制以及系统实验,终于在1989年,第一颗GPS工作卫星发射成功,宣告GPS系统进入工程建设状态。到了1994年,规模为24个的GPS星座已经建成。至此,GPS计划共花掉了50亿美元。 最初,耗费了巨资的GPS系统完全由美国军方使用,后来开放给民用,但给信号加入了选择性误差(增加干扰),用来降低定位精度。直到2000年5月,克林顿下令取消干扰,终于,民用信号也可以达到和军用相同的精度了。 虽然美国已经将这个先进的系统免费开放给全球民用,但其所有权依然属于美国***,因此美国随时可以在一些地方关闭GPS服务。这样的基础服务一旦被掐断,必然是痛彻心扉。在1999年,美国就对印巴冲突中的印度这么干过。 其实毛爷爷早就教导过我们:“ 自己动手,丰衣足食。嗟来之食,吃下去肚子要痛的。 ”其他国家自然也不愿看人眼色,纷纷着手研制自己的卫星定位系统。 于是,俄罗斯搞出来了个GLONASS系统(GLobal NAvigation Satellite System,格洛纳斯);欧盟也自食其力大力研发伽利略系统(Galileo);中国的北斗(Beidou)导航卫星系统也在2020年得以建成。 上述这些卫星导航系统,连带GPS被统称做GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)。GNSS看着和俄罗斯GLONASS的全称是一样的?还真一样,不过由于缩写不同,想要区分开还是很容易的。 |
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GPS系统的组成
GPS系统主要由天上飞的 卫星(空间星座),地面监控部分 ,以及 用户设备 部分组成。 2.1 星座: GPS卫星星座原本设计由24颗卫星组成,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。 这些卫星位于中地球轨道,平均高度为20200千米。卫星轨道相对地球赤道面的倾角是55°,各轨道平面升交点的赤经相差60°,卫星的运行周期是11小时58分钟。 经过对卫星轨道布局的精心设计,可以保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。为什么是4颗呢?这和定位的实现方式有关,在下文会详细介绍。 2011年6月,美国空军成功扩展GPS卫星星座,调整了6颗卫星的位置,并加入多3颗卫星。这使工作卫星的数目增加至27颗,扩大了GPS系统的覆盖范围,并提高了准确度。 截止2020年9月,工作卫星的数量为30颗,不包括退役及备用卫星。 美国军方除了增加卫星数量之外,还要让卫星本身的设计和功能也更新换代,并对系统软件功能进行升级。由于卫星的设计寿命仅为7.5年到15年,卫星的更换工作会持续进行,这叫做卫星的现代化。 由上图可以看出,最早的卫星BLOCK IIA已经全部退服,从2018年起目前正在替换最新一代卫星GPS III/IIIF,民用信号不断更新换代,功能也不断增强,设计寿命也不断延长。 所以,不要以为几十年前的系统就一定老旧,只要架构搭建良好,拥有持续的升级能力,就可以做到历久弥新。 要跟踪GPS卫星的运行,监控它们的传输状态,分析工作性能,并发送相关的指令,必须要通过地面控制系统来进行。 2.2 地面控制系统: 地面控制系统包括: 监测站,主控站,地面天线站 这三类。 监测站 :跟踪该区域经过的GPS卫星,收集卫星发射的导航数据,测距码,载波等测量信息,以及大气层相关的数据。这些数据数据,最终会发送给主控站,并进行相关的分析和处理。 监测站共有16个,分布在全球各地。 一个1984-2007年间使用的GPS地面监测站,现收藏于美国空军太空与导弹博物馆 主控站 :通过全球各个监控站提供的数据来计算各个卫星的精确位置,监控卫星的完整性和准确性,执行卫星维护和异常解决,包括重新定位卫星以保持最佳星座等操作,并生成导航数据以便向卫星注入,还可提供各种指令来控制GPS星座。 主控站相当于整个GPS系统的神经中枢一样,非常重要,因此存在两个主控站作为相互备份。 地面天线站 :顾名思义,这种地面站有着大大的天线,也称为注入站,它们可以直接和天上的卫星通信,向卫星发送命令,导航数据上传和处理器程序加载。 地面天线站共有11个,由4个专用GPS地面天线和7个空军卫星控制网络(AFSCN,Air Force Satellite Control Network)远程跟踪站组成。 遍布全球的GPS地面控制系统 2.3 GPS用户设备: GPS用户设备,也叫GPS接收机,顾名思义,就是接收GPS信号供各行各业使用的设备。 由于使用场景的不同,GPS接收机的类型是非常多的,大体可以分为导航型,测量型,以及授时型这三类。 用于无线通信基站之间同步的,当然就是授时型GPS了。其在架构上分为GPS天线和GPS接收机两部分。 GPS接收机一般内置于基站的BBU里面,用于GPS信号处理,并出一个接口用于连接GPS天线。GPS天线则必须安装在不受遮挡的室外以方便接收信号。 |
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GPS定位的原理
试想在西游的路上,唐僧身无一物,又很不巧地走到一个前不着村后不着店的地方迷了路,野外阴风阵阵,狼嚎四起,这可咋办? 还能咋办?赶紧找人问路啊! 终于遇到了一位放羊的老大爷,他便迫不及待追上去地问:我这是在哪里啊?大爷也是个有意思的人,对数学有迷之兴趣,淡然说到:这里离饿狼屯有10公里。 这句话所含的信息并不能确定唐僧的位置。因为以饿狼屯为圆心,以10公里为半径画一个圆,他所在的位置就在这个长度为62.8公里的圆周上。 然而唐僧肯定是不甘心的,等待许久终于又看到一个扛着铁锹要去耕田的大叔,便又过去问路。这位大叔也同样有趣,说到:你现在离卧龙岗有15公里。 这家伙,到底说不说人话?好在信息越多,就离正确答案越接近。唐僧所在的位置,必然在圆心为饿狼屯,半径为10公里的圆,以及卧龙岗为圆心,半径15公里的圆这两个圆的交点。然而交点有两个,还是不能确定具体位置。 终于又等来了一个路过的小姑娘,唐僧只得又去问路。小姑娘莞尔一笑:圣僧莫要心焦,此处距盘丝洞有8公里,正好小女子要去那里赴宴,要不我们同行? 话说凭此三条信息,必然可以唯一确定唐僧的位置。那就是饿狼屯,卧龙岗,以及盘丝洞这三个圆唯一的交点。 上述的定位方法,就叫做三边定位。基本思想就是:饿狼屯,卧龙岗,以及盘丝洞这三个点的坐标已知,并且它们到目标点的距离也已知,就可以据此确定目标点的位置。 GPS定位的基本原理正是如此,所不同的是,上面的定位是在一个平面上的,而GPS定位则是三维的,因此需要围绕多个卫星画球并求得交点。 下图是GPS定位的工作图示: 1、GPS卫星广播自己的位置和精确时间t1; 2、GPS信号以光速C在空中传播,速率为299792千米每秒; 3、GPS接收机收到信号,比较发送时间 t1 和自己收到信号的时间 T 便可知时间差,再乘以光速就是和卫星的距离:d1 = C·(T-t1); 4、假设卫星的三维坐标为(x1,y1,z1),GPS接收机的坐标为(x,y,z),根据勾股定理,它们之间的距离还可以这么算: 参考第3步的结论,两个式子合起来就有了这样的一个方程: 理论上,使用三颗卫星就有这样三个这样的方程,它们联立就可以解出GSP接收机的坐标(x,y,z)。 但是,由于GPS接收机上的时钟的精度不高,差以毫厘谬以千里,因此将接收时间T当做一个未知数来看待,这样就有4个未知数,必须使用4颗卫星才能完成精准定位。 这一堆乱七八糟的方程其实可以直观地理解,就是以4个卫星为中心的球体相交于地球上的一点。 这一点,就正是我们要定位的目标。 |
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基站GPS时钟同步
基站内部的GPS接收机收到并解调GPS信号中的定时信息之后,再结合自身的晶振,会输出一个关键的信号:1PPS,专门用于网络同步。 1PPS的全称是1 Puls Per Second,意思就是秒脉冲,它每秒固定输出一个方波,精度可达±20纳秒,用于5G基站同步完全不在话下。 目前商用的4G网络以FDD模式为主,大量使用了IP时钟1588v2,在5G时代,这种依赖于传输网络层层传递时钟的方式,虽然理论上可行,在实际应用中却由于各种限制,精度难以满足5G同步要求。 因此,以GPS为代表的GNSS系统,在5G时代又重新大放异彩。北斗,也在润物细无声地潜入我们的生活。 |
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