[实用新型]模拟全球定位系统(GPS)原理综合实验仪

说明书

所属技术领域

本实用新型涉及一种电子测控方面的实验教学仪器，尤其是根据现实的全球定位系统(GPS)定位原理设计的模拟全球定位系统(GPS)原理综合实验仪。

背景技术

全球定位系统(GPS)是由24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以约12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，根据三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X，Y，Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度、高程，再根据经纬度计算精确时间等信息。

对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历-描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准-GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。

静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中自身位置固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。

由于全球定位系统(GPS)的原理在课堂上很难演示，学生不容易理解。现有的GPS实验仪都是用实际的GPS接收模块和电脑连接，直接接收天空GPS卫星的信号，在电脑上显示出当时的经纬度和时间。因为在课堂演示时仪器的移动距离仅限于室内，接收到的信号变化量很小，对运动状态测量的效果不佳，且整台仪器移动起来也不方便，另外这种实验仅限于对GPS接收模块的观察和使用，学生对GPS的整个系统的发射和接收及定位原理缺乏全面的了解。

发明内容

本实用新型根据上述存在问题，设计了一种模拟全球定位系统(GPS)的综合实验仪器。在这个仪器中有一个模拟地球的圆形平面，并以此圆形平面的中心为极点，画有赤道及标有经纬线的地球平面图，在平面图的赤道上选择三个固定点放置三个注入站，在模拟的地球平面上放置一个代表GPS接收终端的高度可调的移动小车。在模拟地球的圆形平面上方，均匀交错放置4个(或多于4个)半椭圆形金属轨道用来模拟同步地球卫星的轨道，在每个金属轨道上再安装一个可以沿轨道移动的模拟卫星。模拟卫星、注入站和移动小车上均安装有超声波发射、接收传感器和红外发射、接收传感器及相应的控制电路，模拟卫星上还对称安装有两个太阳能电池板和充电电池等。再将仪器主机与模拟卫星、注入站和移动小车之间用有线(或无线)的方式进行信号联络，由此构成一套完整的模拟全球定位系统。

本实用新型的有益效果是，可以模拟真实的全球定位系统的运行机制，用于全球定位系统原理的教学实验，直观生动，便于教学，有利于学生对全球定位系统原理的了解。

附图说明

在图1中的装置为模拟全球定位系统(GPS)的结构示意图。

在图1中：1.模拟地球的圆形平面；2.模拟地球平面图的赤道；3.模拟同步地球卫星的轨道；4.模拟卫星；5.赤道上的三个注入站；6.GPS接收站的高度可调的移动小车；7.仪器主机

在图2中的装置为模拟卫星的示意图。

在图2中：8.模拟卫星的太阳能电池板；9.模拟卫星的实体部分其内部装有控制电路和充电电池等。

具体实施方式

用一个大圆桌面作为模拟地球的圆形平面(1)，在此平面上画有赤道(2)及标有经纬线的地球平面图，在模拟地球的圆形平面(1)的上方，均匀交错放置4个(或多于4个)半椭圆形金属轨道用来模拟同步地球卫星的轨道(3)，在每个金属轨道上再安装一个可以沿轨道移动的模拟卫星(4)，在平面图的赤道(2)上均匀放置三个固定注入站(5)，在模拟的地球平面(1)上放置一个代表GPS接收终端的高度可调的移动小车(6)。模拟卫星(4)、注入站(5)和移动小车(6)上均安装有超声波发射、接收传感器和红外发射、接收传感器及相应的控制电路，模拟卫星上还对称安装有两个太阳能电池板(8)，模拟卫星的实体部分(9)其内部装有控制电路和充电电池等。再将仪器主机(7)与模拟卫星(4)、注入站(5)和移动小车(6)之间用有线(或无线)的方式进行信号联络，由此构成一套完整的模拟全球定位系统。