GPS導(dǎo)航應(yīng)用 - GPS系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)

1、 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.1GPS導(dǎo)航應(yīng)用導(dǎo)航應(yīng)用 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.2GPS導(dǎo)航應(yīng)用導(dǎo)航應(yīng)用GPS系統(tǒng)的組成與信號結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的組成與信號結(jié)構(gòu)3GPS定位的基本原理定位的基本原理GPS定位的基本原理：距離交會定位的基本原理：距離交會 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.4第第1節(jié)節(jié) GPS坐標(biāo)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)和時間系統(tǒng)5GPS坐標(biāo)和時間系統(tǒng)坐標(biāo)和時間系統(tǒng) GPS坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng) 1984年世界大地坐標(biāo)系（WGS-84 W

2、orld Geodetic System） GPS時間系統(tǒng)時間系統(tǒng) GPS時（時（GPST） 秒長：原子時秒長 計時方法：GPS周（GPS Week） + 周內(nèi)秒數(shù)（TOW），每周以周日零時為起點 時間起點：1980年1月6日0時（在該時刻與UTC同步） 其他特點：無跳秒 目前：GPST UTC = 15（2011年3月16日） 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.6第第2節(jié)節(jié) GPS的組成的組成 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.7概況概況8GPS的組成的組成空間部空間部分分地面監(jiān)地面監(jiān)控部

3、分控部分用戶部用戶部分分GPS 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.9空間部分空間部分10GPS的空間部分的空間部分 構(gòu)成：由構(gòu)成：由GPS衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星所組成的GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座衛(wèi)星數(shù)量：衛(wèi)星數(shù)量：21(工作衛(wèi)星工作衛(wèi)星)+3(活動的備用衛(wèi)星活動的備用衛(wèi)星)軌道面數(shù)量：軌道面數(shù)量：6平均軌道高度：平均軌道高度：20200km軌道傾角：軌道傾角：55 軌道周期：軌道周期：11h 58minGPS設(shè)計星座設(shè)計星座目前（目前（2011.03.16），），GPS星座由星座由32顆顆GPS工作衛(wèi)星構(gòu)成。工作衛(wèi)星構(gòu)成。11GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座(2

4、011.03.15)注：摘編自注：摘編自/?Do=constellationStatus12GPS衛(wèi)星的功能衛(wèi)星的功能 接收、存儲導(dǎo)航電文接收、存儲導(dǎo)航電文 生成用于導(dǎo)航定位的信號（測生成用于導(dǎo)航定位的信號（測距碼、載波）距碼、載波） 發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號（采發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文）測距碼和導(dǎo)航電文） 接受地面指令，進行相應(yīng)操作接受地面指令，進行相應(yīng)操作 其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等核暴等 13GPS衛(wèi)星衛(wèi)星Block IIRBlock II

5、ABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.14地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分15GPS地面監(jiān)控部分的組成地面監(jiān)控部分的組成 主控站：主控站：1個個 監(jiān)測站：監(jiān)測站：5個個 注入站：注入站：3個個 通訊與輔助系統(tǒng)通訊與輔助系統(tǒng)GPS衛(wèi)星注入站監(jiān)測站主控站16GPS地面監(jiān)控部分的分布地面監(jiān)控部分的分布主控站監(jiān)測站注入站大西洋太平洋印度洋17地面監(jiān)控部分的功能地面監(jiān)控部分的功能 跟蹤跟蹤GPS衛(wèi)星衛(wèi)星 確定衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星鐘改正數(shù)確定衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星鐘改正數(shù) 預(yù)報衛(wèi)星軌道，建立衛(wèi)星鐘改預(yù)報衛(wèi)

6、星軌道，建立衛(wèi)星鐘改正模型正模型 編制成導(dǎo)航電文，并通過注入編制成導(dǎo)航電文，并通過注入站送往衛(wèi)星站送往衛(wèi)星 通過注入站向衛(wèi)星發(fā)布各種指通過注入站向衛(wèi)星發(fā)布各種指令令 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.18用戶部分用戶部分19用戶部分的組成用戶部分的組成 用戶用戶 接收設(shè)備接收設(shè)備20用戶部分的功能用戶部分的功能 用戶部分的功能用戶部分的功能 測定從接收機至GPS衛(wèi)星的距離 接收衛(wèi)星星歷 利用上述信息確定自己的三維位置、三維運動速度和鐘差等參數(shù) 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.21第第3節(jié)節(jié)

7、 GPS衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu) 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.22GPS衛(wèi)星信號的成分衛(wèi)星信號的成分23GPS衛(wèi)星信號的成分衛(wèi)星信號的成分 載波載波 可運載調(diào)制信號的高頻振蕩波 L1，L2 測距碼測距碼 用于測定從衛(wèi)星至接收機間距離的二進制碼 C/A碼（目前只被調(diào)制在L1上），P(Y)碼（被分別調(diào)制在L1和L2上） 導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文 由GPS衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組反映衛(wèi)星空間位置、工作狀態(tài)、衛(wèi)星鐘修正參數(shù)和電離層改正參數(shù)等重要數(shù)據(jù)的二進制碼，也被稱為數(shù)據(jù)碼（D碼）L2P2D L1C/A P1 D24GPS衛(wèi)星信號的成分衛(wèi)星信號的成分

8、2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.25載波載波26載波的作用和類型載波的作用和類型 作用作用 搭載其它調(diào)制信號 測距 測定多普勒頻移 類型類型 目前 L1 頻率： 154f0 = 1575.43MHz；波長：19.03cm L2 頻率： 120f0 = 1227.60MHz；波長：24.42cm 現(xiàn)代化后 增加L5 頻率：115f0 = 1176.45MHz；波長：25.48cmL119.03c mL224.42c m27載波的作用和類型載波的作用和類型 選擇兩（多）個頻率可以較好地消除信號選擇兩（多）個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲

9、的電離層折射延遲 電離層折射延遲與信號的頻率有關(guān) 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.28測距碼測距碼29測距碼的作用和性質(zhì)測距碼的作用和性質(zhì) 作用作用 測距 性質(zhì)性質(zhì) 為偽隨機噪聲碼（PRN Pseudo Random Noise），既具有隨機噪聲的特性，又可以精確定義 不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)） 對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為130C/A碼碼 名稱名稱 粗碼/捕獲碼（Coarse/Acquisition Code） 碼率碼率 1.023MHz 周期周期 1ms 1周期含碼元數(shù)周期含碼元數(shù) 1023

10、碼元寬度碼元寬度 293.05m 調(diào)制載波調(diào)制載波 L131P碼碼 名稱名稱 精碼（Precise Code） 碼率碼率 10.23MHz 周期周期 7天 1周期含碼元數(shù)周期含碼元數(shù) 6187104000000 碼元寬度碼元寬度 29.30m 調(diào)制載波調(diào)制載波 L1和L232現(xiàn)代化后測距碼的變化現(xiàn)代化后測距碼的變化 在在L2上調(diào)制上調(diào)制C/A碼碼 在在L1和和L2增加調(diào)制增加調(diào)制M碼（軍用碼）碼（軍用碼） 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.33導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文34導(dǎo)航電文的作用及基本結(jié)構(gòu)導(dǎo)航電文的作用及基本結(jié)構(gòu) 形式形式 碼率50Hz的比特流

11、 作用作用 向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息35導(dǎo)航電文的作用及基本結(jié)構(gòu)導(dǎo)航電文的作用及基本結(jié)構(gòu) 組織方式組織方式 字（30bit） 子幀（由10個字組成） （主）幀（由5個子幀組成） 導(dǎo)航電文（由25個（主）幀組成） 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.36第第4章章 GPS測量的基本原測量的基本原理和方法理和方法 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.37第第1節(jié)節(jié) 碼偽距測量碼偽距測量38距離交會與距離交會與GPS定位定位39測距方法測距方法離散脈沖信號測距離散脈沖

12、信號測距連續(xù)測距碼或載波信號測距連續(xù)測距碼或載波信號測距在在GPS中采中采用的是此類用的是此類方法方法40衛(wèi)星信號傳播時間距離測定的基本思路距離測定的基本思路c t 基本思路：通過某種方式測定衛(wèi)星信號基本思路：通過某種方式測定衛(wèi)星信號從衛(wèi)星至接收機的傳播時間。從衛(wèi)星至接收機的傳播時間。41信號（測距碼）傳播時間的測定信號（測距碼）傳播時間的測定 衛(wèi)星與接收機各自衛(wèi)星與接收機各自根據(jù)自身的時鐘產(chǎn)根據(jù)自身的時鐘產(chǎn)生信號生信號42信號（測距碼）傳播時間的測定信號（測距碼）傳播時間的測定 衛(wèi)星經(jīng)過一段時間衛(wèi)星經(jīng)過一段時間的傳播到達接收機的傳播到達接收機43信號（測距碼）傳播時間的測定信號（測距碼）傳播

13、時間的測定 接收機通過對本地接收機通過對本地信號在時間軸上平信號在時間軸上平移，直至與所接收移，直至與所接收到的衛(wèi)星信號對齊，到的衛(wèi)星信號對齊，所平移的時間即為所平移的時間即為所測定的信號傳播所測定的信號傳播時間時間44信號（測距碼）傳播時間的測定信號（測距碼）傳播時間的測定1()()TRu Ttu TdtT 相關(guān)系數(shù)：信號傳播時間的測定信號傳播時間的測定衛(wèi)星信號接收機復(fù)制信號接收機復(fù)制信號的時延45測距碼測距的必要條件測距碼測距的必要條件 測距碼測距的必要條件測距碼測距的必要條件 必須了解測距碼的結(jié)構(gòu)46測距碼測距的特點測距碼測距的特點 采用采用CDMA（碼分多址）（碼分多址）技術(shù)，可區(qū)分不

14、同衛(wèi)星信技術(shù)，可區(qū)分不同衛(wèi)星信號號 易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號 可提高測距精度可提高測距精度 便于對系統(tǒng)進行控制和管便于對系統(tǒng)進行控制和管理（如理（如AS）每顆每顆GPS衛(wèi)星都采用特定的衛(wèi)星都采用特定的偽隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼微弱信號的捕獲微弱信號的捕獲47()()()()()()SRSSSRRRSRRRSSRSRSRSRSctttTtTcttcTTcTTccRcTTRcc偽距觀測值：設(shè)：；則：站星真實距離：故：接收機鐘差接收機鐘差衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差信號離開衛(wèi)星信號離開衛(wèi)星的時刻（由衛(wèi)的時刻（由衛(wèi)星鐘測定）星鐘測定）信號到達接收信號到達接收機的時刻（由機的時刻（由接收機鐘測定）

15、接收機鐘測定）碼偽距的觀測方程碼偽距的觀測方程222()()()iiiRXXYYZZ 2009, 2010, 2011. 黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院黃勁松，武漢大學(xué)測繪學(xué)院.48第第2節(jié)節(jié) 單點定位單點定位與測時與測時49單點定位的定義單點定位的定義 單點定位單點定位 根據(jù)衛(wèi)星星歷以及一臺GPS接收機的觀測值獨立確定該接收機在地球坐標(biāo)系中的絕對坐標(biāo)的方法，也被稱為絕對定位單點定位單點定位50測時測時 單點測時（位置位置）單點測時（位置位置） 同時觀測4顆以上衛(wèi)星，求解位置和鐘差參數(shù) 單點測時（位置未知）單點測時（位置未知） 僅需觀測1顆衛(wèi)星，求解鐘差參數(shù) 共視法共視法 利用2臺接收機同時觀測相同

16、的衛(wèi)星進行時間傳遞衛(wèi)星衛(wèi)星接收機接收機1接收機接收機251DOP值值 DOP（Dilution of Precision） GDOP Geometry Dilution of Precision（幾何精度衰減因子） PDOP Position Dilution of Precision （位置精度衰減因子） TDOP Time Dilution of Precision （時間精度衰減因子） HDOP Horizontal Dilution of Precision （水平精度衰減因子） VDOP Vertical Dilution of Precision （垂直精度衰減因子）52DOP值值 DOP值與定位精度值與定位精度 DOP值的性質(zhì)值的性質(zhì) DOP值與單點定位時，所觀測衛(wèi)星