GPS全球定位系統(tǒng)認識和設備使用概論(共79頁).ppt

1、工程四工程四 GPS全球定位系統(tǒng)認識全球定位系統(tǒng)認識和設備使用和設備使用任務一、認識GPS系統(tǒng)的組成一、任務內容 1964 年，美國海軍建成了第一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)。 1967 年，前蘇聯(lián)也發(fā)射了自己的導航衛(wèi)星宇宙 192。 1973年，美國國防部批準其海陸空三軍聯(lián)合研制新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即授時和測距導航衛(wèi)星，或者稱全球定位系統(tǒng)Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System，NAVSTAR/GPS，簡稱 GPS 系統(tǒng)。 2000 年 10 月，我國成功發(fā)射了第一顆北斗導航衛(wèi)星，開始北斗衛(wèi)星導航試

2、驗系統(tǒng)建設工作。2021年12月27日，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已正式提供區(qū)域效勞，一全球定位系統(tǒng)簡介二 GPS 系統(tǒng)的組成圖圖4-1-1 GPS4-1-1 GPS系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成1GPS 衛(wèi)星星座和 GPS 衛(wèi)星 圖圖 4-1-2 Block I4-1-2 Block I衛(wèi)星衛(wèi)星 圖圖 4-1-3 Block II4-1-3 Block II衛(wèi)星衛(wèi)星1GPS 衛(wèi)星星座和 GPS 衛(wèi)星圖圖 4-1-4 Block IIA 4-1-4 Block IIA 衛(wèi)星衛(wèi)星 圖圖 4-1-5 Block IIR 4-1-5 Block IIR 衛(wèi)星衛(wèi)星圖圖 4-1-6 GPS 4-1-6 GPS 衛(wèi)星導航載荷結構

3、框圖衛(wèi)星導航載荷結構框圖 GPS衛(wèi)星可分為試驗衛(wèi)星和工作衛(wèi)星兩大類。 試驗衛(wèi)星 Block I也叫原型衛(wèi)星。其任務主要是滿足方案論證和整個系統(tǒng)試驗、改進的需要。最后一顆 Block I 衛(wèi)星于1985年10月9日發(fā)射升空，1995年11月18日退役。 工作衛(wèi)星 Block II：與試驗衛(wèi)星 Block I 相比 Block II 衛(wèi)星能夠存儲14天的導航電文并具有實施選擇可用性(SA)和反電子欺騙AS功能。最后一顆 Block II 衛(wèi)星于2007年3月15日退役。 Block IIA 中大寫字母 A 代表Advanced更先進的。該系列衛(wèi)星的質量和設計壽命與 Block II 系列衛(wèi)星根本相

4、同。但是卻增加了相互通信的能力，并且存儲導航電文 的能力也增至180天。 Block IIR 系列，R 代表 replenishment 補充。目前有12顆成功發(fā)射。 Block IIR-M 系列衛(wèi)星是 Block IIR 系列的升級版，M 代表modernized現(xiàn)代化的。 Block IIF 系列由波音公司研制開發(fā)，F(xiàn) 代表 follow-on繼任者。GPS 衛(wèi)星的主要功能為： 接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導航信息 接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令 通過星載高精度原子鐘產生基準信號和提供精確的時間標準 向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航定位信號。 接收地面主控站通過注入站發(fā)送給衛(wèi)星的調度命令，如調整衛(wèi)星的

5、姿態(tài)、啟用備用時鐘或啟用備用衛(wèi)星等。GPS衛(wèi)星的測距碼信號GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種測距碼信號，即C/A碼和P碼，兩者都是偽隨機噪聲碼C/A碼有如下2個特點： 1) C/A碼的碼長很短，易于捕獲。 2) C/A碼的碼元寬度較大。GPS衛(wèi)星的導航電文GPS衛(wèi)星的導航電文主要包括：衛(wèi)星星歷、時鐘改正、電離層時延改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)信息以及由C/A碼捕獲P碼的信息。導航電文同樣以二進制碼的形式播送給用戶，因此又叫數(shù)據碼，或稱D碼。GPS衛(wèi)星星歷GPS系統(tǒng)通過兩種方式向用戶提供衛(wèi)星星歷，一種方式是通過導航電文中的數(shù)據塊直接發(fā)射給用戶接收機，通常稱為預報星歷；另一種方式是由GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控站，通過磁帶、網絡、

6、電傳向用戶提供。稱為后處理星歷。2. 地面監(jiān)控系統(tǒng)圖圖4-1-7 4-1-7 地面監(jiān)控地面監(jiān)控3. GPS 用戶接收機圖圖 4-1-8 GPS 4-1-8 GPS 接收機原理圖接收機原理圖4.GPS定位方法分類1)靜態(tài)定位和動態(tài)定位 如果在定位過程中，用戶接收機天線處于靜止狀態(tài)，或者更明確地說。待定點在協(xié)議地球坐標系中的位置，被認為是固定不動的，那么確定這些待定點位置的定位測量就稱為靜態(tài)定位。 相反，如果在定位過程中，用戶接收機天線處在運動狀態(tài)，這時待定點位置將隨時間變化。確定這些運動著的待定點的位置，稱為動態(tài)定位。2)絕對定位和相對定位根據參考點的不同位置，GPS定位測量又可分為絕對定位和相

7、對定位。絕對定位是以地球質心為參考點，測定接收機天線(即待定點)在協(xié)議地球坐標系中的絕對位置。由于定位作業(yè)僅需使用一臺接收機，所以又稱為單點定位。如果選擇地面某個固定點為參考點，確定接收機天線相位中心相對參考點的位置，那么稱為相對定位。 5.GPS 靜態(tài)定位原理圖圖4-1-9 GPS4-1-9 GPS靜態(tài)定位原理靜態(tài)定位原理 6.GPS動態(tài)定位原理GPS動態(tài)測量是利用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時測量物體的連續(xù)運動狀態(tài)參數(shù)。如果所求的狀態(tài)參數(shù)僅僅是三維坐標參數(shù)，就稱為GPS動態(tài)定位。如果所求的狀態(tài)參數(shù)不僅包括三維坐標參數(shù)，還包含物體運動的三維速度，以及時問和方位等參數(shù)，這樣動態(tài)測量就稱為導航。7.GP

8、S定位的誤差來源及對策1)與GPS衛(wèi)星有關的誤差衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實際位置間的偏差，由于衛(wèi)星空間位置是由地面監(jiān)控系統(tǒng)根據衛(wèi)星測軌結果計算求得的，所以又稱為衛(wèi)星的軌道誤差。衛(wèi)星鐘差所謂時鐘誤差是指衛(wèi)星鐘誤差，以及接收機鐘誤差。2)衛(wèi)星信號傳播誤差衛(wèi)星信號傳播誤差包括：信號穿過地球上空電離層和對流層時所產生的誤差，以及信號到達地面時產生反射信號而引起的多路徑干擾誤差。電離層傳播誤差 電離層是指地球上空501000km之間的大氣層。對流層傳播誤差 從地面起向上到距地面40km的大氣層稱為對流層。多路徑效應影響 所謂多路徑效應，是指接收機天線除直接收到衛(wèi)星的信

9、號外，尚可能收到經天線周圍物體反射的衛(wèi)星信號，兩種信號疊加將會引起天線相位中心位置的變化。3)與接收設備有關的誤差在GPS定位測量中，與用戶接收設備有關的誤差主要包括：觀測誤差、接收機鐘差、天線相位中心偏移誤差。4)其它誤差來源在GPS定位中，除了上述各種誤差外，衛(wèi)星鐘和接收機鐘震蕩器的隨機誤差、大氣折射模型和衛(wèi)星軌道攝動模型誤差、地球潮汐以及信號傳播的相對論效應等都會對觀測量產生影響。 1.GLONASS 系統(tǒng)的組成 GLONASS系統(tǒng)同樣由衛(wèi)星、地面測控站和用戶設備三局部組成，目前的系統(tǒng)由21顆工作星和3顆備份星組成，分布于3個軌道平面上，每個軌道面有8顆衛(wèi)星，軌道高度1萬9000公里，運

10、行周期11小時15分。三 GLONASS 系統(tǒng) 2. GLONASS 系統(tǒng)與 GPS 系統(tǒng)的差異在技術方面，GLONASS與GPS有以下幾點不同之處： 衛(wèi)星發(fā)射頻率不同。 坐標系不同。 時間標準不同。 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System包括北斗一號和北斗二號兩代系統(tǒng)，是中國研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗一號是一個已投入使用的區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)，北斗二號那么是一個正在建設中的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和美國GPS、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)、歐盟Galileo定位系統(tǒng)被聯(lián)合國一起確認為全球四個衛(wèi)星導航系統(tǒng)核心供給商。四 北斗衛(wèi)

11、星導航系統(tǒng) 1.北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)工作原理 由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星I和衛(wèi)星II同時發(fā)送詢問信號，經衛(wèi)星轉發(fā)器向效勞區(qū)內的用戶播送。用戶響應其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應信號，經衛(wèi)星轉發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接收并解調用戶發(fā)來的信號，然后根據用戶的申請效勞內容進行相應的數(shù)據處理。 對定位申請，中心控制系統(tǒng)測出兩個時間延遲：即從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，經某一顆衛(wèi)星轉發(fā)到達用戶，用戶發(fā)出定位響應信號，經同一顆衛(wèi)星轉發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲；和從中心控制發(fā)出詢問信號，經上述同一衛(wèi)星到達用戶，用戶發(fā)出響應信號，經另一顆衛(wèi)星轉發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲。 由于中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位

12、置均是的，因此由上面兩個延遲量可以算出用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛(wèi)星為球心的一個球面，和以兩顆衛(wèi)星為焦點的橢球面之間的交線上。另外中心控制系統(tǒng)從存儲在計算機內的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶處于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統(tǒng)可最終計算出用戶所在點的三維坐標，這個坐標經加密由出站信號發(fā)送給用戶。 2.北斗一號與GPS系統(tǒng)比較 覆蓋范圍： 衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性： 定位原理： 定位精度： 用戶容量： 生存能力： 實時性: 3北斗二號和未來開展 2021年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。 正在建設的北斗二號衛(wèi)星

13、導航系統(tǒng)空間段將由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，提供開放效勞和授權效勞。 1.Galileo 衛(wèi)星星座 方案中的 Galileo 衛(wèi)星星座由 30 顆 工作衛(wèi)星組成，還有 3 顆衛(wèi)星為備用衛(wèi)星，軌道高度為 23222km，軌道傾角為 56，衛(wèi)星運行周期為 14h4min。系統(tǒng)提供全球連續(xù)覆蓋，地面最多可見衛(wèi)星數(shù)達 13 顆。每顆衛(wèi)星(包括衛(wèi)星平臺、導航載荷和搜救載荷等)的在軌重量約為 650kg，設計壽命 20 年。五 Galileo 系統(tǒng) 2. Galileo 系統(tǒng)效勞方式Galileo系統(tǒng)將提供 5 種根本的效勞方式：開放效勞OS：商業(yè)效勞CS：生命平安效勞SoL：公共管理效

14、勞PRS：搜救效勞SAR： 與現(xiàn)有市場上的GPS導航車載終端相比較，采用北斗/GPS導航的智能車載終端具有以下優(yōu)勢： 1)北斗導航系統(tǒng)同時具備定位與通訊功能，不需要其他通訊系統(tǒng)支持。而GPS只能定位。 2)北斗導航系統(tǒng)覆蓋范圍大，沒有通訊盲區(qū)。北斗導航系統(tǒng)覆蓋了中國及周邊國家和地區(qū)，不僅可為中國、也可為周邊國家效勞。 3)北斗導航系統(tǒng)特別適合于集團用戶大范圍監(jiān)控管理和數(shù)據采集用戶數(shù)據傳輸應用。 4)北斗導航系統(tǒng)融合北斗導航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星增強系統(tǒng)兩大資源，與GPS定位相結合后，應用更加豐富。 5)北斗導航系統(tǒng)自主系統(tǒng)，平安、可靠、穩(wěn)定，保密性強，適合國防、軍工等保密部門應用，同時也適合在交通運輸

15、、測繪等國家戰(zhàn)略產業(yè)中應用。六 北斗系統(tǒng)在智能車載終端的應用任務一、認識GPS系統(tǒng)的組成二、復習與思考 1、GPS有哪幾個組成局部？簡述每個局部的具體內容及其功能。 2、GPS定位的根本原理如何？ 3、試寫出測碼偽距觀測方程和測相偽距觀測方程并說明各符號的實際意義。 4、GPS誤差影響的因素有哪些？ 5、簡述北斗一號導航系統(tǒng)的工作原理。任務二、用GPS模塊進行定位一、任務內容一硬件連接圖圖4-2-1 RS2324-2-1 RS232與與GPSGPS模塊連接模塊連接圖圖4-2-2 4-2-2 天線位置天線位置圖圖4-2-3 4-2-3 連接好的連接好的GPSGPS模塊模塊1.翻開u-center

16、軟件二軟件設置圖圖4-2-4 4-2-4 翻開翻開u-centeru-center軟件位置軟件位置圖圖4-2-5 u-center4-2-5 u-center軟件界面軟件界面2.參數(shù)設置 圖圖4-2-6 4-2-6 串口號與波特率的設置串口號與波特率的設置3.接收定位信號 4.定位路徑的錄制與軌跡回放圖圖4-2-8 4-2-8 按下錄制鍵按下錄制鍵圖圖4-2-11 4-2-11 保存過程保存過程圖圖4-2-12 4-2-12 按下停止鍵按下停止鍵圖圖4-2-13 4-2-13 按下播放鍵按下播放鍵圖圖4-2-15 4-2-15 播放錄制好的軌跡播放錄制好的軌跡 定位成功，那么可在u-cente

17、r軟件界面上看見接收到的衛(wèi)星的顆數(shù)，位置的經緯度、高度及速度。 如果定位不成功，最大可能接收衛(wèi)星的信號不好。 可按照以下步驟逐一檢查排除故障： 硬件接線檢查：首先檢查天線的信號是否良好，可把天線伸出窗外，其次檢查模塊設備串口端口是否連接正確。 軟件設置檢查：模塊端口參數(shù)波特率是否設置正確，特別是使用哪個串口要設置好。 以上均檢查無異，那么可見實訓結果。三實訓結果任務二、用GPS模塊進行定位二、相關知識圖圖4-2-16 u-center4-2-16 u-center軟件界面軟件界面 圖圖4-2-21 4-2-21 具體意義解釋具體意義解釋 圖圖4-2-22 4-2-22 不同工作界面選擇按鈕不同

18、工作界面選擇按鈕任務二、用GPS模塊進行定位三、復習與思考 如果定位信號很不好，如何查詢故障原因？任務三、在地圖上添加GPS模塊定位數(shù)據一、任務內容 用RS232串口將GPS終端模塊與計算機連接。 將模塊上的天線與電源連接好。注意天線位置調整到信號接收比較強的位置一般要靠近窗口位置，不要有高大建筑物遮擋。 通電，翻開計算機。一硬件連接二軟件設置圖圖4-3-4 4-3-4 翻開地圖翻開地圖圖圖4-3-6 4-3-6 地圖導入地圖導入圖圖4-3-8 4-3-8 選擇選擇MCFMCF文件文件圖圖4-3-9 4-3-9 文件修改文件修改圖圖4-3-10 4-3-10 顯示添加數(shù)據的位置顯示添加數(shù)據的位

19、置 4.誤差分析圖圖4-3-11 4-3-11 誤差點顯示誤差點顯示圖圖4-3-12 4-3-12 誤差分析誤差分析 數(shù)據添加成功，那么可在相應地圖上看見添加的點。 如果添加不成功，那么重新檢查程序是否正確。 可按照以下步驟逐一檢查排除故障： 修改的程序是否與顯示地圖的文件擴展名前名稱一致。 程序修改是否在英文狀態(tài)下進行，特別是標點符號注意要在英文狀態(tài)下。 程序語法是否正確。 以上均檢查無異，那么可見實訓結果。三實訓結果任務三、GPS模塊定位數(shù)據使用二、相關知識 1GPS接收機的根本結構 GPS接收機主要由GPS接收機天線單元、GPS接收機主機單元和電源三部組成。天線單元的主要功能是將GPS衛(wèi)星信號非常微弱的電磁波轉化為電流，并對這種信號電流進行放大和變頻處理。而接收機單元的主要功能是對經過放大和變頻處理的信號電源進行跟蹤、處理和測量。一GPS接收機的結構原理信號通道變頻 器電源頻率綜合基準頻率前置放大 器頻率變換 器信號解擴解調D(t)偽碼 測量載波相位 測量顯示器C/A碼發(fā)生器P碼發(fā)生器控制信號GPS天線存儲器CPU數(shù)據輸出2