技术角度解析简单易懂的导航定位授时原理-北斗科技文化网

北斗作为国家重大战略项目,在2018年将覆盖“一带一路”沿线国家,2020年提供全球服务能力。鉴于媒体上对导航定位授时的文章写得并不那么具有科普性质,很多非该领域人士理解上有难处。本文以通俗易懂的方式,通过举例说明通过导航卫星实现定位授时的原理。

1、  常规意义上来说,在一个三维空间当中,建立坐标系,那么定位实际上就是确定自己当前时刻所处位置的xyz。三个未知数,可通过三个方程得到解。即三个卫星分别告诉地面用户其所处的空间位置,地面用户同时测量其至三个卫星的距离,联立三个方程求解即可。

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2、  为通俗起见,换一个场景来解释。我们看军事题材影视剧时经常看到士兵在出任务前都会互相对时间,以确保行动时间的统一。假设某天士兵许一多、许二多、许三多、许四多野外出任务,但是只有3台能确定自己所处位置坐标的仪器,分别分给了许一多、许二多、许三多。为了让许四多也知道自己位置,四人出任务前对了时间,同时约定,每个小时的起始时刻许一多、许二多、许三多都喊一声,并把自己的位置喊出来。许四多在每小时的起始时刻记录其听到许一多、许二多、许三多声音所花的时间,并记录下他们的位置坐标。假定许四多听到许一多、许二多、许三多声音所花的时间分别为7s、8s、9s,许四多通过以下方程解析自己的位置:技术角度解析简单易懂的导航定位授时原理-北斗科技文化网

许四多终于能够知道自己在哪了,但是他发现通过这种方法经常会走错路。时间久了,许四多明白原来他们出发前对的时间没有绝对统一。即,如果对时间的时候许一多、许二多、许三多都比士兵许四多的手表快了分别0.1s、0.2s、0.3s,那么上述方程应该变为:技术角度解析简单易懂的导航定位授时原理-北斗科技文化网

许四多发现就算时间对的不准,但是他如果事先知道他和许一多、许二多、许三多的时间差,也还是能把听到他们喊声所花时间修正过来。当然,许四多还是经常会走错路,因为他发现怎么对时间都不能把他和许一多、许二多、许三多的时间差对出来,毕竟时间差一点点,乘以声速,这距离误差还是挺大的。

许四多想到另一个方法:许一多、许二多、许三多在喊的同时能不能把和他的时间差同时也告诉他,这样他也可以修正听到声音的时间。但是许一多、许二多、许三多也不知道他们的手表和许四多到底精确差多少。所以在双方不知道各自时间相差多少的情况下,许四多仅靠许一多、许二多、许三多是无法知道自己位置的。技术角度解析简单易懂的导航定位授时原理-北斗科技文化网

3、 既然仅靠3个士兵不能为许四多提供定位所需的信息,那么再引入一个士兵许零多,同时假设许零多、许一多、许二多、许三多携带的仪器能够让其知道其与总部标准时钟的差t0、t1、t2、t3。在此。我们假设许四多与总部标准时钟的差为t4,那么,以总部标准时钟为参考,许四多与许零多、许一多、许二多、许三多的时间差为t4-t0、t4-t1、t4-t2、t4-t3。如果许四多听到许零多、许一多、许二多、许三多声音所花的时间分别为6s、7s、8s、9s,许四多通过以下方程解析自己的位置:技术角度解析简单易懂的导航定位授时原理-北斗科技文化网

4个方程,解4个未知数即可知道许四多的位置。

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4、 同样的,如果把许零多、许一多、许二多、许三多换成4个导航卫星,许四多换成地面用户,也可以通过这种方式实现地面用户的定位,前提是导航卫星得告诉地面用户其与标准时间的差:钟差,以及其所处的位置:星历。而钟差和星历都是地面通过计算得出后“告诉”卫星的。

(来源:今日北斗)