GPS衛(wèi)星導(dǎo)航課件

1、 GPSGPS衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航GPS介紹介紹 GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。 GPS是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時(shí)等導(dǎo)航信息。GPS的由來GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)，這可以說是第一代GPS。1957年10月前蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后。美國霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室隨即提出利用多普勒頻移進(jìn)行定位。這就是GPS定位系統(tǒng)的由來。GPSGPS構(gòu)成構(gòu)成空間部分GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成（21顆工作衛(wèi)星；3顆備

2、用衛(wèi)星），它位于距地表20200km的上空，運(yùn)行周期為12h。衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道面上（每個(gè)軌道面4顆），軌道傾角為55。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息，GPS的衛(wèi)星因?yàn)榇髿饽Σ恋葐栴}，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。地面控制系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天線（Ground Antenna）所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市（Colorado. Springfield）。地面控制站負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計(jì)算衛(wèi)星星歷、相對(duì)距離，

3、大氣校正等數(shù)據(jù)。用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分即GPS信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。 GPS天線從放置方式上GPS天線分為內(nèi)置天線和外置天線。從供電方面又分有源和無源。絕大部分GPS天線為右旋極化陶瓷介質(zhì)，其組成部分為：陶瓷天線、低噪音信號(hào)模塊（信號(hào)進(jìn)行放大和濾波）、線纜、接頭。早期GPS手持機(jī)多采用外翻式天線，此

4、時(shí)天線與整機(jī)內(nèi)部基本隔離，EMI幾乎不對(duì)其造成影響，收星效果很好?，F(xiàn)在隨著小型化潮流，GPS天線多采用內(nèi)置。此時(shí)天線必須在所有金屬器件上方，殼內(nèi)須電鍍并良好接地，遠(yuǎn)離EMI干擾源GPS定位原理 假設(shè)t時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式： 上述四個(gè)方程式中x、y、z為待測點(diǎn)坐標(biāo)，Vto為接收機(jī)的鐘差為未知參數(shù)，其中di=cti，(i=1、2、3、4)，di分別為衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離，ti 分別為衛(wèi)星的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間，xi 、yi 、zi為衛(wèi)星在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，Vti為衛(wèi)星鐘的

5、鐘差，c為光速。GPS原理 這時(shí)候就有人說，干嘛要四顆衛(wèi)星呢，三顆就夠嗎？想想還蠻有道的，三個(gè)球面，交匯于一點(diǎn)，就可以定出接收機(jī)所在的位置嗎？但是實(shí)際上，GPS接收器在僅接收到三顆衛(wèi)星的有效信號(hào)的情況下只能確定二維坐標(biāo)即經(jīng)和緯，只有收到四顆或四顆以上的有效GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，才能完成包含高的3D定位。這是為么呢？原來，大家忽一件事情，那就是時(shí)間。先來看一顆衛(wèi)星，它在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間發(fā)送一組信號(hào)到地面，比如說每天8：00整開始發(fā)送一組信號(hào)，如果地面接收機(jī)就在8點(diǎn)2秒收到這一組信號(hào)，那么就是說信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)的距離是電波花2秒能夠跑到的距離，由于這顆衛(wèi)星的位置和電波的速已知，那么就可以肯定接收機(jī)就在

6、以衛(wèi)星為球心的一個(gè)球面上，那么再多測2個(gè)衛(wèi)星的距離，就可以得到3個(gè)空間球，3個(gè)空間球的焦點(diǎn)只有2個(gè)，那么邏輯排出一個(gè)在地球表面的，剩下的就是接收機(jī)的位置。這就是我們所想象的三顆衛(wèi)星可以定位的情形。但是，這只是假象的情況，衛(wèi)星和接收機(jī)的距離如此之近，以至于衛(wèi)星和接收機(jī)的時(shí)鐘必須完全同步和準(zhǔn)確，否則距離偏差會(huì)很大。實(shí)際上，如果接收機(jī)這端配備一個(gè)銫原子鐘的話，定出來的位置肯定差個(gè)十萬八千。銫原子鐘的價(jià)格我也太清楚，反正肯定是比你坐的汽車要貴。所以，由于時(shí)間需要校準(zhǔn)，這就需要四顆衛(wèi)星。可以從方程看到，時(shí)間都是絕對(duì)時(shí)間，都是以衛(wèi)星之間的鐘差來計(jì)的。GPS定位精度美國軍用GPS的精度都是在1米左右，甚至1

7、米以下，尤其它的第二代GPS投入使用，可以達(dá)到0.1米。我們用的GPS，也就是民用的，精度在15米左右。與GPS衛(wèi)星有關(guān)的影響GPS定位精度的因素可分為以下四大類： （1）SA美國政府從其國家利益出發(fā)，通過降低廣播星歷精度（ 技術(shù)）、在GPS基準(zhǔn)信號(hào)中加入高頻抖動(dòng)（ 技術(shù)）等方法，人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度。 （2）衛(wèi)星星歷誤差在進(jìn)行GPS定位時(shí)，計(jì)算在某時(shí)刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種類型的星歷提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會(huì)與其真實(shí)位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。 （3）衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與GP

8、S標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。 （4）衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號(hào)發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。GPS小知識(shí)小知識(shí)1.GPS不能100%定位,更別相信室內(nèi)定位的鬼話,GPS不像手機(jī)廣播,隨地都能收到訊號(hào),很多東西都會(huì)影響gps收訊,包含天空星分布狀態(tài),大樓, 高架橋,電波,樹葉,隔熱紙等,會(huì)影響的東西太多太多了,一般來說,從gps位置向上看,能看到天空的面積,就是gps能收到訊號(hào)的面積。2.不要用一兩次,或一兩天,就決定gps的好壞-由于天空衛(wèi)星狀態(tài)每天都不同,也許同一個(gè)地方,上午收訊滿格,但晚上無法定位,都有可能,也有可能一連好幾天定

9、位狀況都不好。3.比較gps的好壞,必須同時(shí)同地比較-很多人新買gps,都會(huì)說,我之前用的那顆比較好之類的話,但是這樣說,不見的正確,因?yàn)槭褂脮r(shí)間地點(diǎn)不同,最后的結(jié)果是差很多的,必須長期使用,或同時(shí)同地,才能感受兩種gps的不同點(diǎn)。4.GPS收訊強(qiáng)度表,已經(jīng)不足以作為GPS購買參考-大家買gps,只會(huì)看在電子地圖中的收訊表,以前可能還蠻準(zhǔn)的,但現(xiàn)在的gps,為了讓收訊表看起來好看,所以有假訊號(hào),或是仿真的訊號(hào)等等,收訊表確實(shí)很漂亮,但也許定位不準(zhǔn),甚至不能正確顯示也不一定。5.沒有所謂室內(nèi)定位的gps-基本上室內(nèi)沒有訊號(hào)就是沒有訊號(hào),真正室內(nèi)定位,要從cold start開始就在室內(nèi),但一樣能

10、定位,才是真正室內(nèi)定位,不過基本上室內(nèi)定位一點(diǎn)意義也沒有,因?yàn)槲也粫?huì)在家里導(dǎo)航。6.到底要用藍(lán)牙,CF gps,還是gps mouse?-一般來說,這是見仁見智的問題,使用藍(lán)牙或CF,必須擔(dān)心gps or pda隨時(shí)會(huì)沒電的問題,且費(fèi)用較高,不過可以隨時(shí)隨地導(dǎo)航,使用gps mouse是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠收訊又佳,不必?fù)?dān)心電力問題,但是有線的困擾。7.定位不準(zhǔn),不見得是GPS的錯(cuò)-基本上定位誤差能在20公尺以內(nèi),都算是好gps了,另外,gps位置沒有很準(zhǔn)確在路上,原因可能很多,可能收訊不良,造成誤差,可能是地圖數(shù)據(jù)有問題,也有可能是路很寬,所以看起來gps好像穩(wěn)定偏移路面,用久了您就知道是gps還是地圖

11、的問題。8.購買gps,規(guī)格表僅供參考-gps規(guī)格什么幾秒內(nèi)完成定位,什么幾公尺誤差,靈敏度等等信息,這些都是寫好看的,要真正使用才知道,說真的,比較規(guī)格表是浪費(fèi)時(shí)間。 10.使用GPS,不用收通訊費(fèi)-雖然大家都知道了,但是還是有人一直以為要另外收月租費(fèi)。9.若GPS是新買來第一次使用,或是已經(jīng)是cold start狀態(tài),請(qǐng)到空曠處定點(diǎn)進(jìn)行車外定位-這樣一來定位速度比較快,而且比較不會(huì)有一些奇怪的現(xiàn)象,若cold start狀態(tài)下直接上路,即使訊號(hào)都很強(qiáng),但可能到目的地了都無法定位喔!這點(diǎn)非常重要,定位完后,再放到車內(nèi),看看車內(nèi)收訊會(huì)不會(huì)比較差,另外單次 gps使用時(shí)間越久,能保存衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)

12、間就越長,若長期不用,如一二星期,gps可能會(huì)恢復(fù)到cold start狀態(tài)。 NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)語句美國電氣制造商協(xié)會(huì)$GPGGA例：$GPGGA,092204.999,4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,0000*1F字段0：$GPGGA，語句ID，表明該語句為Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息字段1：UTC 時(shí)間，hhmmss.sss，時(shí)分秒格式字段2：緯度ddmm.mmmm，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段3：緯度N（北緯）或S（南緯）字段4：經(jīng)度dddmm.mmmm，度分格式

13、（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段5：經(jīng)度E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）字段6：GPS狀態(tài)，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，3=無效PPS，6=正在估算字段7：正在使用的衛(wèi)星數(shù)量（00 - 12）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段8：HDOP水平精度因子（0.5 - 99.9）字段9：海拔高度（-9999.9 - 99999.9）字段10：地球橢球面相對(duì)大地水準(zhǔn)面的高度字段11：差分時(shí)間（從最近一次接收到差分信號(hào)開始的秒數(shù)，如果不是差分定位將為空）字段12：差分站ID號(hào)0000 - 1023（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0，如果不是差分定位將為空）字段13：校驗(yàn)值GPS定位數(shù)據(jù)$GPRMC例：$GPRMC,024813

14、.640,A,3158.4608,N,11848.3737,E,10.05,324.27,150706,A*50字段0：$GPRMC，語句ID，表明該語句為Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推薦最小定位信息字段1：UTC時(shí)間，hhmmss.sss格式字段2：狀態(tài)，A=定位，V=未定位字段3：緯度ddmm.mmmm，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段4：緯度N（北緯）或S（南緯）字段5：經(jīng)度dddmm.mmmm，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段6：經(jīng)度E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）字段7：速度，節(jié)，Knots字段8：方位角，度字段9：UTC日期，DDMMYY格式字段10：磁偏角，（000 - 180）度（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段11：磁偏角方向，E=東W=西字段16