GPS全球定位系統(tǒng)原理與應(yīng)用ppt課件

1、GPS全球定位系統(tǒng)原理與應(yīng)用,華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 二00五年,Slide 2,課程主要內(nèi)容,了解GPS技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 GPS技術(shù)的發(fā)展、GPS系統(tǒng)的建立、GPS系統(tǒng)的 組成 熟悉GPS的基礎(chǔ)概念 坐標(biāo)系統(tǒng)、時(shí)間系統(tǒng)、GPS衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào)、GPS接收機(jī)的類型與工作原理 掌握GPS導(dǎo)航與定位的原理 偽距測量、載波相位測量、絕對定位和相對定位、SA和AS政策、導(dǎo)航原理與方法 熟悉GPS技術(shù)的作用和應(yīng)用領(lǐng)域 GPS在日常生活、生產(chǎn)應(yīng)用、科學(xué)研究中的作用和應(yīng)用領(lǐng)域,Slide 3,授課方式與時(shí)間安排,以課堂講解為主，課后自學(xué)為輔 主要講解原理，不注重公式推導(dǎo) 下一次

2、課程時(shí)間 9月22日下午1：30 3：30 考核形式：平時(shí)作業(yè)（兩次）、課后考試,Slide 4,主要參考資料,GPS測量原理與應(yīng)用 徐紹詮 武漢大學(xué)出版社 全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用 劉基余 測繪出版社 GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用 周忠謨 測繪出版社,Slide 5,第一部分 GPS技術(shù)及其發(fā)展,GPSGlobal Positioning System 定義：GPS是美國研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息,Slide 6,衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧,1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，40年來，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察

3、、導(dǎo)航、遙感、大地測量、地球動(dòng)力學(xué)、天文學(xué)和軍事科學(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛應(yīng)用,Slide 7,衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧,人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起了各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室，開始著手建立為美國海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星都通過地極，也稱“子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。 1964年該系統(tǒng)建成，并在美國軍方啟用。1967年美國政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，提供民用。該系統(tǒng)不受氣象條件的限制，自動(dòng)化程度高，具有良好的定位精度,Slide 8,衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回

4、顧,盡管NNSS在導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展中具有劃時(shí)代的意義，但由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目少（5-6顆），運(yùn)行軌道低（1000km ）,觀測時(shí)間長（1.5小時(shí)），無法提供連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，同時(shí)獲得一次導(dǎo)航解的時(shí)間長，難以滿足軍事要求，尤其是高動(dòng)態(tài)目標(biāo)（飛機(jī)、導(dǎo)彈等）導(dǎo)航要求。而從大地測量看，定位速度慢，一個(gè)測站一般平均觀測1-2天；精度低，單點(diǎn)定位精度3-5m，相對定位精度1m，使得在大地測量和地球動(dòng)力學(xué)研究方面的應(yīng)用，也受到很大限制,Slide 9,衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧,為滿足軍事和民用對連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年美國國防部開始組織陸?？杖?，共同研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃，這就是目前所

5、稱的“導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)測距/全球定位系統(tǒng)”（Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning System）簡稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。 為使GPS具有高精度連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航和定位能力，以及良好的抗干擾性能，在設(shè)計(jì)上采取了若干改善措施,Slide 10,GPS系統(tǒng)的特點(diǎn),全球性連續(xù)覆蓋，全天候工作 定位精度高 觀測時(shí)間短 測站間無需通視 可提供三維坐標(biāo) 操作簡便 功能多，用途廣,Slide 11,GPS定位系統(tǒng)的組成,GPS定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L波段的載頻無線電測距信號(hào)，由地面上用戶接收機(jī)實(shí)時(shí)地連續(xù)接收

6、，并計(jì)算出接收機(jī)天線所在的位置。因此，GPS定位系統(tǒng)是由以下三個(gè)部分組成： （1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分） （2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分） （3）GPS信號(hào)接收機(jī)（用戶設(shè)備部分,Slide 12,這三部分有各自獨(dú)立的功能和作用，對于整個(gè)全球定位系統(tǒng)來說，它們都是不可缺少的,Slide 13,GPS衛(wèi)星星座組成,共24顆衛(wèi)星，其中3顆備用，分布在6個(gè)軌道面上。軌道面相對地球赤道面的傾角為550，各軌道平面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差600，相鄰軌道上衛(wèi)星的升交距角相差300。軌道平均高度約20200km，運(yùn)行周期11h58m。 因此，同一測站上每天出現(xiàn)衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天

7、約有5小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時(shí)間地點(diǎn)而異，最少4顆，最多達(dá)11顆,Slide 14,GPS系統(tǒng)的空間部分由GPS衛(wèi)星組成，稱為衛(wèi)星星座。 衛(wèi)星星座的分布設(shè)置要保證地球上任何地點(diǎn)，任何時(shí)刻至少可以同時(shí)觀測到四顆衛(wèi)星,GPS衛(wèi)星星座組成,Slide 15,銫原子鐘 計(jì)算機(jī) 2塊7m2的太陽能翼板 無線電收發(fā)兩用機(jī) 導(dǎo)航荷載（接收數(shù)據(jù)，發(fā)射測距和導(dǎo)航數(shù)據(jù)） 姿態(tài)控制和太陽能板指向系統(tǒng),GPS衛(wèi)星,Slide 16,GPS衛(wèi)星結(jié)構(gòu),GPS衛(wèi)星結(jié)構(gòu),Slide 17,GPS衛(wèi)星迄今已設(shè)計(jì)了三代。第一代Block1型用于系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，稱實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，共研制和發(fā)射了11顆，設(shè)計(jì)壽命5年，

8、現(xiàn)已停止工作。第二代Block2和2A型衛(wèi)星稱為工作衛(wèi)星，共研制了28顆，設(shè)計(jì)壽命7.5年，從1989年初到1994年上半年發(fā)射完畢。第三代Block3和2R型衛(wèi)星尚在設(shè)計(jì)中，預(yù)計(jì)20顆，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng),GPS衛(wèi)星星座組成,Slide 18,GPS星座參數(shù),衛(wèi)星：24 顆 軌道：面6個(gè) 長 半 軸：26609km 偏 心 率：0.01 軌道面相對赤道面的傾角：55 各軌道面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差：60 相鄰軌道衛(wèi)星升交距角相差：30 衛(wèi)星高度：20200km 衛(wèi)星運(yùn)行周期：11小時(shí)58分鐘,Slide 19,1 接收和存儲(chǔ)由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。 2

9、 利用衛(wèi)星上的微處理機(jī)，對部分必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 3 通過星載的原子鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。 4 向用戶發(fā)送定位信息。 5 在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星,GPS衛(wèi)星的基本功能,Slide 20,GPS地面監(jiān)控部分,GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的5個(gè)地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站（5個(gè)）、主控站（1個(gè)）和注入站（3個(gè)） 1、 監(jiān)測站：是主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)1臺(tái)和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，存儲(chǔ)并傳輸?shù)街骺卣荆源_定衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星,Slide 21,控制站的分布,夏威夷,卡瓦加蘭

10、,狄哥伽西亞,阿松森島,科羅拉多,Slide 22,GPS地面監(jiān)控部分,2、 主控站 除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)： 1）根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站。 2）提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送入注入站。 3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。 4）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星,Slide 23,GPS地面監(jiān)控部分,3、注入站： 主要設(shè)備為1臺(tái)直徑3.6m的天線、1臺(tái)c波段發(fā)射機(jī)和1臺(tái)計(jì)算機(jī)。主要任務(wù)是在主控站的控制下，將

11、主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。 整個(gè)GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，在原子鐘和計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制下，實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化,Slide 24,地面監(jiān)控系統(tǒng)流程圖,Slide 25,GPS地面控制部分的作用,負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作： 監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌道運(yùn)行 跟蹤計(jì)算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶 保持各顆衛(wèi)星的時(shí)間同步 必要時(shí)對衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度,Slide 26,GPS用戶設(shè)備部分,用戶部分組成 GPS信號(hào)接收機(jī)及相關(guān)設(shè)備 GP

12、S接收機(jī) 接收、跟蹤、變換和測量GPS信號(hào)的無線電設(shè)備 GPS接收機(jī)的組成 天線、接收機(jī)、處理器、控制顯示單元、電源 GPS接收機(jī)的作用 接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)，以獲得必要的定位信息和觀測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而完成定位工作,Slide 27,GPS接收機(jī),DSNP LEICA GARMIN,TRIMBLE ASHTECH JAVAD,Slide 28,GPS接收機(jī),Slide 29,SPS與PPS SPS 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，使用C/A碼，民用 PPS 精密定位服務(wù)，可使用P碼，軍用 SA（已于2000年5月1日取消） Selective Availability 選擇可用性：人為降低普通用戶

13、的測量精度。 方法 技術(shù)：軌道加繞（長周期，慢變化） 技術(shù)：星鐘加繞（高頻抖動(dòng)，短周期，快變化） AS Anti-Spoofing 反電子欺騙 P碼加密，P+W-Y,美國政府的GPS政策,Slide 30,實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位的平面精度（m,Slide 31,非特許用戶對美國限制性政策的措施,GLONASS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) Galileo系統(tǒng) 北斗系統(tǒng)：我國的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),Slide 32,1、GLONASS,類似于GPS，是俄羅斯以空間為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)； 其前身CICADA與子午系統(tǒng)同期，于1965年設(shè)計(jì)，有12顆衛(wèi)星； 20世紀(jì)70年代中期開始啟動(dòng)GLONASS計(jì)劃 1982年10月

14、12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星 1996年1月18日，完成24顆衛(wèi)星的布局，衛(wèi)星具備完全工作能力 由于經(jīng)濟(jì)原因，現(xiàn)在天空上的GLONASS衛(wèi)星僅為8顆,Slide 33,GLONASS,Slide 34,GPS/GLONASS系統(tǒng)參數(shù)比較,Slide 35,2、Galileo,背景：GLONASS在軌衛(wèi)星缺失，GPS獨(dú)霸市場 GLONASS、GPS均由軍方控制 歐盟：要建立國際民間控制的或歐盟自己的民用導(dǎo)航系統(tǒng) 特點(diǎn)：共享的獨(dú)立于GPS的無增強(qiáng)條件下的適于海陸空的 系統(tǒng)。參股共建，收費(fèi)。 階段： （一）2000年前，可行性評估或定義 （二）20012005，開發(fā)和檢測 （三）2006200

15、7，部署 （四）2008，商業(yè)運(yùn)行,Slide 36,歐盟為何重視伽利略計(jì)劃,首先，打破美國在這方面的壟斷地位，為歐盟贏得可觀的市場份額。 權(quán)威部門預(yù)計(jì)： 伽利略計(jì)劃將為歐盟創(chuàng)造萬個(gè)高技術(shù)含量的就業(yè)崗位； 每年經(jīng)濟(jì)收益有億歐元之多； 僅出售航空和航海終端設(shè)備一項(xiàng)就可在年至年將獲得億歐元收入 第二，歐盟開發(fā)此項(xiàng)目可為歐盟現(xiàn)在極力提倡的歐洲共同安全防御政策服務(wù)。 第三，歐盟認(rèn)為，沒有科技上的領(lǐng)先地位，歐盟在將來許多事務(wù)中就沒有主導(dǎo)權(quán),Slide 37,Galileo計(jì)劃的歷程,歷程：阿基米德-GEO-HEO-MEO-LEO-Galileo,主要面臨的困難： 投資巨大：“伽利略系統(tǒng)”高達(dá)36億歐元的

16、造價(jià) 美國政府的極力反對：美國的干擾在一定程度上推遲了“伽利略”計(jì)劃的通過 各國的態(tài)度: 美國：美國說“伽利略”是個(gè)很壞的計(jì)劃 法國：對美國的壟斷感到不滿 德國、荷蘭、 英國：經(jīng)濟(jì),Slide 38,Galileo計(jì)劃概況,伽利略計(jì)劃的資金預(yù)計(jì)為32億到36億歐元 系統(tǒng)由30顆高軌道衛(wèi)星組成，分布在軌道高度為2.4萬千米、傾角為56度的3個(gè)軌道面上。 基礎(chǔ)設(shè)施包括天基和地基兩部分。 衛(wèi)星將為用戶提供精確的時(shí)間和誤差不超過一米的全球精確定位服務(wù)，與美國GPS和俄羅斯的GLONASS爭奪市場,Slide 39,3、北斗系統(tǒng),目的：快速定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航，簡短通訊，精密授時(shí) 由兩顆地球同步軌道衛(wèi)星組成星

17、座，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)簡單,Slide 40,定位工作主要在中心站完成，屬于主動(dòng)式導(dǎo)航定位系統(tǒng) 二維導(dǎo)航和定位，高程結(jié)果需要由其他途徑獲得 主要的優(yōu)勢在于軍用：通訊、集團(tuán)用戶的調(diào)度和派遣,北斗系統(tǒng)定位的特點(diǎn),Slide 41,集團(tuán)用戶解決方案,地面數(shù)據(jù)處理中心可以： 利用北斗用戶的實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡和相關(guān)地圖對動(dòng)態(tài)用戶進(jìn)行導(dǎo)航和交通管制 遙測北斗用戶接收機(jī)的工作狀態(tài)，報(bào)警用戶收發(fā)機(jī)的故障，識(shí)別用戶身份，控制用戶使用 響應(yīng)并回復(fù)集團(tuán)用戶對下屬用戶的定位審查,Slide 42,第二部分 GPS基礎(chǔ)概念,坐標(biāo)系統(tǒng) 時(shí)間系統(tǒng) GPS衛(wèi)星星歷 導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào) GPS接收機(jī)的類型與工作原理,Slide 43,GPS坐

18、標(biāo)系統(tǒng),在GPS定位中，通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)： 一類是在空間固定的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對描述衛(wèi)星的運(yùn)行位置和狀態(tài)極其方便。 另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對表達(dá)地面觀測站的位置和處理GPS觀測數(shù)據(jù)尤為方便,Slide 44,坐標(biāo)系統(tǒng)是由坐標(biāo)原點(diǎn)位置、坐標(biāo)軸指向和尺度所定義的。 在GPS定位中，坐標(biāo)系原點(diǎn)一般取地球質(zhì)心，而坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性，為了使用上的方便，國際上都通過協(xié)議來確定某些全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸指向，這種共同確認(rèn)的坐標(biāo)系稱為協(xié)議坐標(biāo)系,GPS坐標(biāo)系統(tǒng),Slide 45,地球坐標(biāo)系還有其它表示形式： （1）地球參心坐標(biāo)系 （2）天文坐標(biāo)系 （3）站心坐標(biāo)

19、系 （4）高斯平面直角坐標(biāo)系等,GPS坐標(biāo)系統(tǒng),Slide 46,GPS坐標(biāo)系統(tǒng),在全球定位系統(tǒng)中，為了確定用戶接收機(jī)的位置，GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)位置通常應(yīng)化算到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)。 在GPS試驗(yàn)階段，衛(wèi)星瞬間位置的計(jì)算采用了1972年世界大地坐標(biāo)系（World Geodetic System WGS-72），1987年1月10日開始采用改進(jìn)的大地坐標(biāo)系統(tǒng)WGS-84。世界大地坐標(biāo)系WGS屬于協(xié)議地球坐標(biāo)系CTS，WGS可看成CTS的近似系統(tǒng),Slide 47,WGS-72與WGS-84的基本大地參數(shù),GPS坐標(biāo)系統(tǒng),Slide 48,第二部分 GPS基礎(chǔ)概念,坐標(biāo)系統(tǒng) 時(shí)間系統(tǒng) GPS衛(wèi)星星歷

20、導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào) GPS接收機(jī)的類型與工作原理,Slide 49,GPS時(shí)間系統(tǒng),在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是精確描述天體和衛(wèi)星運(yùn)行位置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，也是利用衛(wèi)星進(jìn)行定位的重要基準(zhǔn)。 為精密導(dǎo)航和測量需要，全球定位系統(tǒng)建立了專用的時(shí)間系統(tǒng)，由GPS主控站的原子鐘控制。 GPS時(shí)屬于原子時(shí)系統(tǒng)，秒長與原子時(shí)相同，但與國際原子時(shí)的原點(diǎn)不同，即GPST與IAT在任一瞬間均有一常量偏差。IAT-GPST = 19s，GPS時(shí)與協(xié)調(diào)時(shí)的時(shí)刻，規(guī)定在1980年1月6日0時(shí)一致，隨著時(shí)間的積累，兩者的差異將表現(xiàn)為秒的整數(shù)倍,Slide 50,GPS時(shí)間系統(tǒng),在GPS衛(wèi)星定位中，時(shí)間系統(tǒng)的

21、重要性表現(xiàn)在： GPS衛(wèi)星作為高空觀測目標(biāo)，位置不斷變化，在給出衛(wèi)星運(yùn)行位置同時(shí)，必須給出相應(yīng)的瞬間時(shí)刻。例如當(dāng)要求GPS衛(wèi)星的位置誤差小于1cm，則相應(yīng)的時(shí)刻誤差應(yīng)小于2.6 10-6s。 準(zhǔn)確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測定信號(hào)的傳播時(shí)間。若要距離誤差小于1cm，則信號(hào)傳播時(shí)間的測定誤差應(yīng)小于3 10-11s,Slide 51,第二部分 GPS基礎(chǔ)概念,坐標(biāo)系統(tǒng) 時(shí)間系統(tǒng) GPS衛(wèi)星星歷 導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào) GPS接收機(jī)的類型與工作原理,Slide 52,GPS衛(wèi)星軌道,衛(wèi)星軌道在GPS定位中的意義 衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。 由于利用

22、GPS進(jìn)行導(dǎo)航和測量時(shí)，衛(wèi)星作為位置已知的高空觀測目標(biāo)，在進(jìn)行絕對定位時(shí)，衛(wèi)星軌道誤差將直接影響用戶接收機(jī)位置的精度；而在相對定位時(shí)，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會(huì)減弱，但當(dāng)基線較長或精度要求較高時(shí)，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂GPS測量的觀測計(jì)劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，也需要知道衛(wèi)星的軌道參數(shù),Slide 53,GPS衛(wèi)星星歷,衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息，是一組對應(yīng)某一時(shí)刻的軌道根數(shù)及其變率。 根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計(jì)算出任一時(shí)刻的衛(wèi)星位置及其速度，GPS衛(wèi)星星歷分為預(yù)報(bào)星歷和后處理星歷,Slide 54,衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷是用跟蹤站以往時(shí)間的觀測資料推求的參考軌道參數(shù)為基礎(chǔ)，并加入軌道攝

23、動(dòng)項(xiàng)改正而外推的星歷。用戶在觀測時(shí)可以通過導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)得到，對導(dǎo)航和實(shí)時(shí)定位十分重要。但對精密定位服務(wù)則難以滿足精度要求。 后處理星歷是一些國家的某些部門根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測資料，應(yīng)用與確定預(yù)報(bào)星歷相似的方法，計(jì)算的衛(wèi)星星歷。這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀測時(shí)的衛(wèi)星精密軌道信息，因此稱后處理星歷或精密星歷。該星歷的精度目前可達(dá)分米,GPS衛(wèi)星星歷,Slide 55,預(yù)報(bào)星歷是通過衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶，經(jīng)解碼獲得所需的衛(wèi)星星歷，也稱廣播星歷，包括相對某一參考?xì)v元的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動(dòng)項(xiàng)改正參數(shù)。 由于預(yù)報(bào)星歷每小時(shí)更新一次，在數(shù)據(jù)更新前后

24、，各表達(dá)式之間將會(huì)產(chǎn)生小的跳躍，其值可達(dá)數(shù)分米，一般可利用適當(dāng)?shù)臄M合技術(shù)（如切比雪夫多項(xiàng)式）予以平滑。 GPS用戶通過衛(wèi)星廣播星歷可以獲得的有關(guān)衛(wèi)星星歷參數(shù)共16個(gè),GPS衛(wèi)星星歷,Slide 56,后處理星歷一般不通過衛(wèi)星的無線電信號(hào)向用戶傳遞，而是通過磁盤、電視、電傳、衛(wèi)星通訊等方式有償?shù)貫樗枰挠脩舴?wù)。 建立和維持一個(gè)獨(dú)立的跟蹤系統(tǒng)來精密測定GPS衛(wèi)星的軌道，技術(shù)復(fù)雜，投資大，因此，利用GPS預(yù)報(bào)星歷進(jìn)行精密定位工作仍是目前一個(gè)重要的研究和開發(fā)領(lǐng)域,GPS衛(wèi)星星歷,Slide 57,第二部分 GPS基礎(chǔ)概念,坐標(biāo)系統(tǒng) 時(shí)間系統(tǒng) GPS衛(wèi)星星歷 導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào) GPS接收機(jī)的類型與

25、工作原理,Slide 58,關(guān)于GPS衛(wèi)星信號(hào) GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)包括載波信號(hào)、P碼（或Y碼）、C/A碼和數(shù)據(jù)碼（或D碼）等多種信號(hào)分量，而其中P碼和C/A碼統(tǒng)稱為測距碼。 GPS衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生、構(gòu)成和復(fù)制等，都涉及到現(xiàn)代數(shù)字通信理論和技術(shù)方面的復(fù)雜問題，GPS的用戶，一般可以不去深入研究，但了解其基本概念，對理解GPS定位的原理仍是有必要的,GPS衛(wèi)星信號(hào),Slide 59,GPS衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生與構(gòu)成主要考慮了如下因素； （1）適應(yīng)多用戶系統(tǒng)要求。 （2）滿足實(shí)時(shí)定位要求。 （3）滿足高精度定位需要。 （4）滿足軍事保密要求,GPS衛(wèi)星信號(hào),Slide 60,碼的概念 在現(xiàn)代數(shù)字通信中，

26、廣泛使用二進(jìn)制數(shù)（0和1）及其組合，來表示各種信息。表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合，稱為碼。一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)碼元或一比特。比特為碼和信息量的度量單位。 如果將各種信息例如聲音、圖象和文字等通過量化，并按某種預(yù)定規(guī)則，表示成二進(jìn)制數(shù)的組合形式，則這一過程稱為編碼。 在二進(jìn)制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)稱為數(shù)碼率，表示數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為bit/s,GPS衛(wèi)星信號(hào)的測距碼,Slide 61,隨機(jī)噪聲碼,既然碼是用以表達(dá)各種信息的二進(jìn)制數(shù)的組合，是一組二進(jìn)制的數(shù)碼序列，則這一序列就可以表達(dá)成以0和1為幅度的時(shí)間函數(shù)。 假設(shè)一組碼序列u(t)，對某一時(shí)刻來說，碼元是0或1完全是隨機(jī)的

27、，但出現(xiàn)的概率均為1/2。這種碼元幅度的取值完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機(jī)碼序列（或隨機(jī)噪聲碼序列）。它是一種非周期性序列，無法復(fù)制，但其自相關(guān)性好。而相關(guān)性的好壞，對提高利用GPS衛(wèi)星碼信號(hào)測距精度，極其重要,Slide 62,偽隨機(jī)噪聲碼,盡管隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)性，但卻是一種非周期序列，不服從任何編碼規(guī)則，實(shí)際中無法復(fù)制和利用。 GPS采用了一種偽隨機(jī)噪聲碼（Pseudo Random NoicePRN）簡稱偽隨機(jī)碼或偽碼。它的特點(diǎn)是：具有隨機(jī)碼的良好自相關(guān)性，又具有某種確定的編碼規(guī)則，是周期性的，容易復(fù)制,Slide 63,GPS衛(wèi)星所采用的兩種測距碼，即C/A碼和P碼（或Y碼），均屬

28、于偽隨機(jī)碼,測距碼,Slide 64,C/A碼,C/A碼：是用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號(hào)的偽隨機(jī)碼。它是由兩個(gè)10級反饋移位寄存器組合而產(chǎn)生。 C/A碼的碼長短，共1023個(gè)碼元，若以每秒50碼元的速度搜索，只需20.5s，易于捕獲，所以C/A碼通常也稱捕獲碼。 C/A碼的碼元寬度大，假設(shè)兩序列的碼元對齊誤差為為碼元寬度的1/101/100，則相應(yīng)的測距誤差為29.32.93m。由于精度低，又稱粗碼?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得測距分辨率大大提高。一般最簡單的導(dǎo)航接收機(jī)的偽距測量分辨率達(dá)到0.1米,Slide 65,P碼,P碼是衛(wèi)星的精測碼，碼率為10.23MHZ，產(chǎn)生的原理與C/A碼相似，但更

29、復(fù)雜。發(fā)生電路采用的是兩組各由12級反饋移位寄存器構(gòu)成。 P碼的周期長，267天重復(fù)一次。P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)航電文信息，捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的距離誤差為0.29m，僅為C/A碼的1/10，故P碼稱為精碼。 根據(jù)美國國防部規(guī)定，P碼是專為軍用的。目前只有極少數(shù)高檔次測地型接收機(jī)才能接收P碼，而且美國國防部的AS政策更是絕對禁止了非特許用戶應(yīng)用,Slide 66,GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 導(dǎo)航電文包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動(dòng)改正、

30、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息。導(dǎo)航電文又稱為數(shù)據(jù)碼（或D碼）。 導(dǎo)航電文也是二進(jìn)制碼，依規(guī)定格式組成，按幀向外播送。每幀電文含有1500比特，播送速度50bit/s，每幀播送時(shí)間30s,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文,Slide 67,每幀導(dǎo)航電文含5個(gè)子幀，每個(gè)子幀分別含有10個(gè)字，每個(gè)字30比特，故每個(gè)子幀共300比特，播發(fā)時(shí)間6s。 為記載多達(dá)25顆衛(wèi)星，子幀4、5各含有25頁。子幀1、2、3和子幀4、5的每一頁構(gòu)成一個(gè)主幀。主幀中1、2、3的內(nèi)容每小時(shí)更新一次，4、5的內(nèi)容僅當(dāng)給衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航電文后才得以更新,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文,Slide 68,導(dǎo)航電文的格式,1,2,3,4,5

31、,30s,6s,0.02s,0.6s,子幀4、5各含25頁,一個(gè)子幀,一個(gè)字碼,一個(gè)主幀,一個(gè)頁面,Slide 69,一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容,子幀 1,一個(gè)子幀6s長，10個(gè)字，每字30比特,1幀 30s 1500比特,子幀 3,子幀 4,子幀 5,子幀 2,Slide 70,導(dǎo)航電文內(nèi)容,1、遙測碼（TLWTelemetry WORD） 位于個(gè)子幀的開頭，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。遙測碼的第18比特是同步碼，使用戶便于解釋導(dǎo)航電文；第922比特為遙測電文，其中包括地面監(jiān)測系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)信息、診斷信息和其它信息。第23和第24比特是連接碼；第2530比特為奇偶校驗(yàn)碼，它用于發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤,Sl

32、ide 71,導(dǎo)航電文內(nèi)容,2、轉(zhuǎn)換碼（HOWHand Over Word） 緊接各子幀的遙測碼，主要向用戶提供用于捕獲P碼的Z記數(shù)。所謂Z記數(shù)是從星期日零時(shí)只能星期六24時(shí)，P碼字碼X1的周期（1.5秒）的重復(fù)數(shù)。因此，當(dāng)知道了Z計(jì)數(shù)，便能較快地捕獲到P碼,Slide 72,導(dǎo)航電文內(nèi)容,3、第一數(shù)據(jù)塊 第一數(shù)據(jù)塊位于第1子幀的第310字碼，它的主要內(nèi)容包括： a、時(shí)延差改正Tgd就是載波L1、L2的電離層 時(shí)延差。 b 、數(shù)據(jù)齡期AODC是時(shí)鐘改正數(shù)的外推時(shí)間間隔，它指明衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)的置信度。 C、 星期序號(hào)WN表示從1980年1月6日子夜零點(diǎn)（UTC）起算的星期數(shù)，即GPS星期數(shù)。 d

33、 、衛(wèi)星時(shí)鐘改正GPS時(shí)間和UTC時(shí)間之間存在的差值,Slide 73,導(dǎo)航電文內(nèi)容,4、第二數(shù)據(jù)塊 第二數(shù)據(jù)塊包括第2和第3子幀，其內(nèi)容表示GPS衛(wèi)星的星歷，描述衛(wèi)星的運(yùn)行及其軌道的參數(shù)，包括下列三類： a、開普勒六參數(shù)。 b 、軌道攝動(dòng)九參數(shù)。 C、 時(shí)間二參數(shù) 有關(guān)衛(wèi)星運(yùn)行及其軌道的參數(shù)內(nèi)容，具體可參見衛(wèi)星大地測量有關(guān)參考書,Slide 74,導(dǎo)航電文內(nèi)容,5、第三數(shù)據(jù)塊 第三數(shù)據(jù)塊包括第4和第5子幀，其內(nèi)容包括了所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。當(dāng)接收機(jī)捕獲到某顆GPS衛(wèi)星后，根據(jù)第三數(shù)據(jù)塊提供的其他衛(wèi)星的概略星歷、時(shí)鐘改正、衛(wèi)星改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，用戶可以選擇工作正常和位置適當(dāng)?shù)男l(wèi)星，

34、并且較快地捕獲到所選擇地衛(wèi)星,Slide 75,GPS衛(wèi)星信號(hào)包含三種信號(hào)分量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。信號(hào)分量的產(chǎn)生都是在同一個(gè)基本頻率f0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生，GPS衛(wèi)星信號(hào)示意圖如下,GPS衛(wèi)星信號(hào)的載波和調(diào)制,基本頻率 10.23MHz,L1載波 1575.42MHz,L2載波 1227.60MHz,C/A碼 1.023MHz,P碼 10.23MHz,P碼 10.23MHz,數(shù)據(jù)碼 50BPS,數(shù)據(jù)碼 50BPS,154,120,10,204600,Slide 76,衛(wèi)星取L波段的兩種不同電磁波頻率為載波: L1載波頻率為1575.42MHz，波長為19.03cm； L2載波頻

35、率為1227.60MHz，波長為24.42cm。 在L1載波上，調(diào)制有C/A碼、P碼（或Y碼）和數(shù)據(jù)碼； L2載波上，只調(diào)制有P碼（或Y碼）和數(shù)據(jù)碼,GPS衛(wèi)星信號(hào)的載波和調(diào)制,Slide 77,在無線電通信中，為有效地傳播信息，一般將頻率較低的信號(hào)加載到頻率較高的載波上，此時(shí)頻率較低的信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。 GPS衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上，且調(diào)制碼的幅值只取0或1。如果碼值取0，則對應(yīng)的碼狀態(tài)取+1；而碼值取1時(shí)，對應(yīng)碼狀態(tài)為-1，載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后，即實(shí)現(xiàn)了載波的調(diào)制,GPS衛(wèi)星信號(hào)的載波和調(diào)制,Slide 78,GPS衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào),為進(jìn)行載波相位測量，當(dāng)用戶接收

36、到衛(wèi)星發(fā)播的信號(hào)后，可通過以下兩種解調(diào)技術(shù)來恢復(fù)載波相位。 （1）復(fù)制碼與衛(wèi)星信號(hào)相乘：由于調(diào)制碼的碼值是用1的碼狀態(tài)來表示的，當(dāng)把接收的衛(wèi)星碼信號(hào)與用戶接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼（結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星測距碼信號(hào)完全相同的測距碼），在兩碼同步的條件下相乘，即可去掉衛(wèi)星信號(hào)中的測距碼而恢復(fù)原來的載波。但此時(shí)恢復(fù)的載波尚含有數(shù)據(jù)碼即導(dǎo)航電文。這種解調(diào)技術(shù)的條件是必須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)，以便產(chǎn)生復(fù)制碼,Slide 79,GPS衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào),2）平方解調(diào)技術(shù)：將接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行平方，由于處于+1狀態(tài)的調(diào)制碼經(jīng)過平方后均為+1，而+1對載波相位不產(chǎn)生影響。故衛(wèi)星信號(hào)平方后，可達(dá)到解調(diào)目的。采用這種方法，可不必知道調(diào)制

37、碼的結(jié)構(gòu)，但平方解調(diào)后，不僅去掉了衛(wèi)星信號(hào)中的測距碼，而且也同時(shí)去掉了導(dǎo)航電文,Slide 80,第二部分 GPS基礎(chǔ)概念,坐標(biāo)系統(tǒng) 時(shí)間系統(tǒng) GPS衛(wèi)星星歷 導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào) GPS接收機(jī)的類型與工作原理,Slide 81,GPS接收機(jī),GPS接收機(jī)的基本概念 GPS用戶設(shè)備主要包括GPS接收機(jī)及其天線、微處理機(jī)及其終端設(shè)備以及電源等。其中接收機(jī)和天線是核心部分，習(xí)慣上統(tǒng)稱為GPS接收機(jī)。主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并進(jìn)行處理，獲取導(dǎo)航電文和必要的觀測量,Slide 82,GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示,Slide 83,GPS接收機(jī),GPS接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成： 天線（帶前置放大器） 信號(hào)處理器：用于信號(hào)識(shí)別與處理 微處理器：用于接收機(jī)的控制、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計(jì)算 用戶信息傳輸：包括操作板、顯示板等 精密震蕩器：產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率 電源,Slide 84,GPS接收機(jī)類型,1）按工作原理劃分： 碼相關(guān)型接收機(jī)：能夠產(chǎn)生與所測衛(wèi)星測距碼結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼。利用的是C/A碼或P碼，條件是掌握測距碼結(jié)構(gòu)，也稱有碼接收機(jī)。 平方型接收機(jī)：利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制碼，獲得載波相位測量所必需的載波信號(hào)。該機(jī)只利用衛(wèi)星信號(hào)，無需解碼，不必掌握測距碼結(jié)構(gòu)，稱無碼接收機(jī)。 混合型接收機(jī)：綜合利用了碼相關(guān)技術(shù)和平方技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)獲得