专利名称：模拟gps卫星定位实验装置及实验方法
技术领域：
本发明涉及一种物理实验装置及实验方法，特别是涉及能模拟全球定位系统中卫星的测时和测距实现物体的精确定位的实验装置和实验方法。
背景技术：
利用卫星的测时和测距进行导航的GPS全球定位系统是目前世界上最先进、最完善的卫星导航系统与定位系统，它不仅具有全球性、全天候、实时高精度，三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰和保密性。因此引起世界各国军事部门和广大民用部门的普遍关注。目前，GPS精密定位技术已广泛的渗透到经济建设和科学技术的许多领域，尤其是在大地测量学及相关学科领域，如地球动力学，海洋大地测量学，地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、工程测量学等方面的广泛应用，充分的显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。
卫星的测量技术与方法是大学物理实验教学内容之一，目前与此相关的教学仪器设备很少，模拟GPS卫星定位实验装置及实验方法将现代科学技术与大学物理实验教学紧密结合，提高了教学水平和教学质量。
发明内容
本发明目的是提供一种应用于教学上，面向学生使用的可靠、操作性强、物理量显示简洁，并可根据实验原理改变不同实验方法，进行测量的模拟GPS卫星定位实验装置和实验方法。
本发明提供一种模拟GPS卫星定位实验装置，该装置分成二个部分实验平台、测量控制仪。
所述实验平台主要包括有由二维物体定位机构，极坐标，X、Y坐标，模拟卫星信号发射器，和接收器组成；模拟卫星信号发射器安装在高度可调的支架上，支架固定在实验平台底座相应位置上，构成模拟卫星；信号接收器固定在定位物体上，定位物体固定在由两根相互垂直的导轨组成的二维物体定位机构上，可在X、Y方向任意移动，所处位置通过X，Y坐标读出。
所述测量控制仪主要包括有发射超声波信号和测量信号4组微秒级时间间隔测量单片机，单片机发射超声波信号并测量信号，测量选择单元与测量控制仪面板上的测量卫星选择键相应连接，测量控制仪面板上有液晶显示屏显示，电缆线插孔，测量卫星选择键。
本发明的由4只模拟卫星信号发射器模拟4颗卫星根据实验内容进安装、固定、调节高度和位置。
本发明的模拟GPS卫星定位实验装置测量方法为 将模拟卫星放置在相应实验内容所需的位置上，装有接收器的物体用二维定位机构置于某一位置，通过平台四周刻度，读出物体实际的坐标位置(x，y)。
在测量控制仪面板上选择测量卫星，将物体上的接收器喇叭口对准所选卫星发射器，记录液晶显示屏上的时间值。
改变物体位置，再次进行测量。
本发明采用声发射技术中的平面定位原理，可进行二维平面上的模拟GPS卫星定位和三维空间GPS卫星定位模拟实验。通过本实验模拟卫星测时和测距的数据对实验中的物体进行定位的方法，不仅可以学习到相关实验的基本原理，进一步理解物理学在现代高科技领域的基础地位和作用，而且可以了解由传感器，信号处理，计算机组成的现代测量系统的许多基本知识以及用计算机处理实验数据的一些基本方法。
本发明采用上述实验原理和技术方法构成了一种模拟GPS卫星定位实验装置，该装置在实验教学中可做的实验内容丰富，不仅能在二维平面上进行物体定位，而且可实现三维空间的物体定位测量，通过数据处理得出物体的空间位置。数据处理结果可与实验平台上直接测得的位置值比较，加深学生对卫星定位原理和方法的理解，拓展学生的知识面，提高物理实验教学质量。
附图1为本发明模拟GPS卫星定位实验装置图 1、实验平台2、极坐标底图3、四周刻度尺4、定位物体5、X方向导轨6、Y方向导轨7、导轨槽8、信号接收器9、信号发射器(模拟卫星1)10、信号发射器(模拟卫星2)11、信号发射器(模拟卫星3)12、信号发射器(模拟卫星4)13、支架14、固定孔15、测量控制仪16、控制面板17、测量卫星选择键18、液晶数据显示窗19、外接插孔20、电缆线21、定位指针 附图2二维平面上三发射器探头模拟卫星阵列图 附图3二维平面上四发射器探头模拟卫星阵列图 附图4三维空间四发射器探头模拟卫星阵列图 附图5二维平面上三个发射器位置图 附图6二维平面上四个发射器位置图
具体实施例方式 实施例1模拟GPS卫星定位实验装置 参见附图1，由实验平台1、测量控制仪15两部分组成，所述实验平台1主要包括有极坐标底图2、平台四周边缘的刻度尺3；模拟卫星信号发射器9、10、11、12安装在高度可调的支架13上，支架13通过固定孔14固定在平台1上构成模拟卫星；信号接收器8固定在由两根相互垂直导轨组成的地位机构物体4上，在X、Y方向可任意移动；所述测量控制仪15内有发射超声波信号和测量信号四组微秒级时间间隔测量单片机，单片机发射超声波信号并测量信号，测量选择单元与测量控制仪面板16上的测量卫星选择键17相应连接，测量控制仪面板16上有液晶显示屏18显示模拟卫星信号测量数据，模拟卫星的发射器9、10、11、12和信号接收器8电缆线20插入外接插孔19与测量控制仪15内单片机相连。所述二维物体定位机构由定位物体4和X方向导轨5，Y方向导轨6组成，导轨二端嵌入平台内侧凹槽7并保持滑动自如，导轨在X、Y方向任意移动，在平台的刻度尺3上可测出定位物体4所处位置的X、Y坐标值，定位物体4底部有一指针21指向极坐标底图2，可测出定位物体4所处位置的角度值。四只模拟卫星信号发射器模拟四颗卫星T1、T2、T3、T4根据实验内容进行安装、固定、调节高度和位置。通过测量卫星选择键17相连的测量选择单元，分别接收和测量四个发射器的信号，测量控制仪面板上有四块液晶显示屏18分别显示模拟卫星信号被地面物体接收到的时间和温度。
模拟GPS卫星定位实验装置的实验方法为 ●将模拟卫星发射器9、10、11、12和接收器8的电缆线20分别插入测量控制仪15面板相应外接插孔19中； ●将所述模拟卫星信号发射器9、10、11、12插入实验平台1相应的固定孔14中，调节支架13的高度，使模拟卫星放置在相应实验内容所需的位置上； ●装有接收器8的定位物体4置于某一位置，通过平台四周边缘刻度尺3，读出定位物体4实际的坐标位置(x，y)； ●按下卫星选择键17，将接收器对准所选的模拟卫星发射器方向，在对应的液晶显示屏18上显示时间间隔并记录时间； ●改变接收器对准模拟卫星发射器方向依次完成各颗模拟卫星的测量； ●改变定位物体4位置，再次进行下一组数据的测量，通过数据处理与实验平台上直接测得的位置值比较，获得模拟GPS卫星定位实验结果。
通过本发明的实验装置不但能研究在二维平面上，采用三发射器、四发射器的原理进行模拟GPS卫星定位。还可研究在三维空间用四发射器的原理进行模拟定位及在数值分析，数据处理方面可做进一步的探讨和研究。
本发明的实验装置可开设的实验内容由浅入深，知识面广与现代科学技术紧密结合可激发学生的学习兴趣，提高物理实验的教学质量。
实施例2平面上的三发射器模拟卫星阵列实验 用三个发射器模拟三颗卫星，三超声波信号发射器探头T1、T2，T3模拟卫星阵列附图2所示 已知D1，D2，θ1，θ3，Δt1＝t2-t1，Δt2＝t3-t1 Δt1V＝r2-r1 (1) Δt2V＝r3-r1 (2) 解(3)，(4) cos(θ-θ1)＝cosθ·cosθ1+sinθ·sinθ1 cos(θ3-θ)＝cosθ3·cosθ+sinθ3·sinθ 设a＝cosθ1，b＝sinθ1，c＝cosθ3，d＝sinθ3 g＝Δt1V，h＝Δt2V， A＝eh-gf，B＝fD1a-eD2c，T＝fD1b-eD2d X＝cosθ 得(B2+T2)X2-2ABX+A2-T2＝0(5) 求θ，r1。
发射器位置如附图5所示，接收器位置即为物体位置。
θ1＝10°，θ3＝45°，D1＝69.0cm，D2＝67.5cm 数据处理 根据公式(3)，(4)模拟卫星定位计算得到的定位物体的极坐标r1，θ值。
计算所得的r1，θ值与实际测量值比较，其相对误差可满足实验教学的需要。
实施例3 平面上的四发射器模拟卫星阵列实验。
用4个发射器模拟4颗卫星，原理如附图3，发射器位置如附图6所示，接收器位置即为物体位置。a＝80.00cm，b＝60.00cm 实验数据 数据处理 根据公式(6)，(7)模拟卫星定位计算得到的x，y坐标值。
从数据结果看出，模拟卫星定位计算得到的x，y坐标值与实际测量坐标比较，其相对误差均可满足实验教学的需要。
实施例4三维空间四发射器模拟卫星阵列实验 实际的GPS定位，至少要对四颗卫星同时进行测量。以确定地球坐标系中的三维坐标和因卫星时钟与接收机时钟不同步所造成的钟差修正。在GPS的声学模拟中，为了减小时差不准对定位精度的影响，设计考虑用获取来自多个“卫星”(信号发射器)的位置和时差，通过数据处理平台，来获得“用户”(接收器)的相关位置信息。
用4个发射器模拟空间4颗卫星，实验系统用四超声波探头模拟GPS中的卫星阵列附图4所示，其坐标分别为T1(x1，y1，z1)，T2(x2，y2，z2)，T3(x3，y3，z3)，T4(x4，y4，z4)。M(x，y，z)为定位目标。
设t1为M到T1的时间，同理t2，t3，t4。
Δt1＝t2-t1，Δt2＝t3-t1，Δt3＝t4-t1，V声速，l1＝Δt1V，l2＝Δt2V，l3＝Δt3V 设 如果f1(x，y，z)＝f2(x，y，z)＝f3(x，y，z)＝0，则x，y，z就是解。
设模函数 若F(x，y，z)＝0，则x，y，z就是解。
设x(0)，y(0)，z(0)是第0步(初始)时的试样解 设x(k)，y(k)，z(k)是第k步的试样解 x(k)＝x(k-1)-Δx(k)， y(k)＝y(k-1)-Δy(k) z(k)＝z(k-1)-Δz(k) 用MATLAB软件进行梯度法求解M点的x、y、z坐标。
发射器位置如附图1所示，接收器位置即为物体位置。四发射器坐标T1(-40.00，0，21.50)、T2(0，-30.00，21.50)、T3(40.00，0，21.50)、T4(0，30.00，21.50) 实验数据 数据处理用MATLAB软件进行梯度法求解，得出定位物体M所在各点的x、y坐标。
从数据结果看出，模拟卫星定位计算得到的x，y坐标值与实际测量坐标比较，其相对误差均可满足实验教学的需要。
权利要求
1.一种模拟GPS卫星定位实验装置，由实验平台(1)、测量控制仪(15)二个部分组成，其特征是
所述实验平台(1)主要包括有极坐标底图(2)、平台四周边缘的刻度尺(3)；模拟卫星信号发射器安装在高度可调的支架(13)上，支架(13)通过固定孔(14)固定在平台(1)上构成模拟卫星；信号接收器(8)固定在由两根相互垂直的导轨组成的定位机构物体(4)上，可在X、Y方向任意移动；
所述测量控制仪(15)内有发射超声波信号和测量信号4组微秒级时间间隔测量单片机，单片机发射超声波信号并检测信号，测量选择单元与测量控制仪面板(16)上的测量卫星选择键(17)相应连接，测量控制仪面板(16)上有液晶显示屏(18)显示模拟卫星信号测量数据，模拟卫星的发射器和信号接收器(8)电缆线(20)插入外接插孔(19)与测量控制仪(15)内单片机相连。
2.根据权利要求1所述的模拟GPS卫星定位实验装置，其特征是所述二维物体定位机构由定位物体(4)，X方向导轨(5)和Y方向导轨(6)组成，导轨二端嵌入平台内侧凹槽(7)保持滑动自如，导轨在X、Y方向可任意移动，在平台的刻度尺(3)上测出定位物体(4)所处位置的X、Y坐标值，定位物体(4)底部有一指针(21)指向极坐标底图(2)，测出定位物体(4)所处位置的角度值。
3.根据权利要求1所述的模拟GPS卫星定位实验装置，其特征是由4只模拟卫星信号发射器(9)、(10)、(11)、(12)模拟4颗卫星T1、T2、T3、T4根据实验内容进安装、固定、调节高度和位置。
4.根据权利要求1或3所述的模拟GPS卫星定位实验装置，其特征是通过测量卫星选择键(17)相连的测量选择单元，分别接收和测量4个发射器的信号，测量控制仪面板上有4块液晶显示屏(18)分别显示T1、T2、T3、T4模拟卫星信号被地面物体接收到的时间和温度。
5.权利要求1所述的模拟GPS卫星定位实验装置的实验方法为
●将模拟卫星发射器和接收器(8)的电缆线(20)分别插入测量控制仪(15)面板相应外接插孔(19)中；
●将所述模拟卫星信号发射器插入实验平台(1)相应的固定孔(14)中，调节支架(13)的高度，使模拟卫星放置在相应实验内容所需的位置上；
●装有接收器(8)的定位物体(4)固定在二维定位机构上，通过平台四周边缘刻度尺(3)，读出定位物体(4)实际的坐标位置(x，y)；
●按下卫星选择键(17)，将接收器对准所选的模拟卫星发射器方向，在对应的液晶显示屏(18)显示时间间隔并记录时间；
●改变接收器对准模拟卫星发射器方向依次完成各颗模拟卫星的测量；
●改变定位物体(4)位置，再次进行下一组数据的测量，通过数据处理与实验平台上直接测得的位置值比较，获得模拟GPS卫星定位实验结果。
6.根据权利要求1所述的模拟GPS卫星定位实验装置，实验内容有
1)在二维平面上的模拟GPS星定位；
2)在三维空间模拟GPS卫星定位。
全文摘要
一种模拟GPS卫星定位实验装置，包括由实验平台、测量控制仪组成。实验平台是由二维物体定位机构、极坐标、模拟卫星信号发射器和接收器组成。二维物体定位机构可将装有接收器的物体在X、Y方向任意移动，根据平台边缘的刻度值，读出其X、Y坐标。测量控制仪由4组微秒级时间间隔测量单片机和测量选择单元组成。通过单片机发射超声波信号并测量信号从发射到接收所需的时间。共有4个发射器模拟4颗卫星，1个与定位物体一起的接收器，通过选择单元分别接收4只发射器的信号。测量控制仪面板有4块液晶显示屏分别显示1-4号模拟卫星信号被地面物体接收到的时间，同时还可显示温度。4个模拟卫星的发射器固定在高度可调的支架上，支架位置可根据实验内容在实验平台上固定放置。本发明提供一种可改变实验条件，定量测量物理量的实验方法和手段，通过模拟卫星的测时和测距数据对实验物体进行精确定位，应用于物理实验教学的模拟GPS卫星定位实验装置。
文档编号G01S1/02GK101118705SQ20071007121
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月6日 优先权日2007年9月6日
发明者陈红雨 申请人:浙江大学