GPS工作原理PPT課件

1、2021/3/91衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)NAVSTAR(Navigation Satellite Timing and Ranging )/GPS美國GlONASS俄羅斯NAVSAT歐洲空間局INMARSAT國際移動衛(wèi)星組織北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)中國2021/3/92GPS定位原理定位原理 : GPS系統(tǒng)是由24顆高度為兩萬公里的衛(wèi)星組成，它們以6個不同的運行軌道運行，可提供全球范圍從地面到9000公里高空之間任一載體的高精度的三維位置、三維速度和精確的時間信息。安裝在車輛上的車載單元只要能收到來自三顆衛(wèi)星的定位信號，就可定出該輛車的經、緯度位置和時間信息。2021/3/93GPS計劃始于1973年 ，已

2、于1994年進入完全運行狀態(tài)。GPS的整個系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶部分所組成。2021/3/94空間部分 GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成.這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為可用于導航的衛(wèi)星，3顆為活動的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6個相互夾角為60的軌道上繞地球運行。衛(wèi)星的運行周期約為12恒星時,即一天繞地球兩周。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號來進行工作的 。2021/3/95控制部分控制部分 GPS的控制部分由分布在全球的由若干個跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構成，根據其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)

3、控站和注入站。主控站有一個，位于美國克羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，它的作用是根據各監(jiān)控站對GPS的觀測數據，計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數等，并將這些數據通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時，它還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，調度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作；另外，主控站也具有監(jiān)控站的功能。 2021/3/96監(jiān)控站有五個，除了主控站外，其它四個分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)；注入站有

4、三個，它們分別位于阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），注入站的作用是將主控站計算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數等注入到衛(wèi)星中去。 監(jiān)控站與注入站2021/3/97用戶部分 GPS的用戶部分由GPS接收機、數據處理軟件及相應的用戶設備如計算機氣象儀器等所組成。它的作用是接收GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號，利用這些信號進行導航定位等工作。 以上這三個部分共同組成了一個完整的GPS系統(tǒng)。 2021/3/98GPS信號GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，它們的頻率分別

5、是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調制著多種信號，這些信號主要有： C/A碼 C/A碼又被稱為粗捕獲碼，它被調制在L1載波上，是1MHz的偽隨機噪聲碼（PRN碼），其碼長為1023位（周期為1ms）。由于每顆衛(wèi)星的C/A碼都不一樣，因此，我們經常用它們的PRN號來區(qū)分它們。C/A碼是普通用戶用以測定測站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號。 2021/3/99P碼 P碼又被稱為精碼，它被調制在L1和L2載波上，是10MHz的偽隨機噪聲碼，其周期為七天。在實施AS（Anti-Spoofing）時，P碼與W碼進行模二相加生

6、成保密的Y碼，此時，一般用戶無法利用P碼來進行導航定位。 2021/3/910導航信息 導航信息被調制在L1載波上，其信號頻率為50Hz，包含有GPS衛(wèi)星的軌道參數衛(wèi)星鐘改正數和其它一些系統(tǒng)參數。用戶一般需要利用此導航信息來計算某一時刻GPS衛(wèi)星在地球軌道上的位置，導航信息也被稱為廣播星歷。 2021/3/911SPS和PPS GPS系統(tǒng)針對不同用戶提供兩種不同類型的服務。一種是標準定位服務(SPSStandard Positioning Service)，另一種是精密定位服務(PPSPrecision Positioning Service)。這兩種不同類型的服務分別由兩種不同的子系統(tǒng)提供，

7、標準定位服務由標準定位子系統(tǒng)(SPSStandard Positioning System)提供，精密定位服務則由精密定位子系統(tǒng)(PPSPrecision Positioning System)提供。SPS主要面向全世界的民用用戶。PPS主要面向美國及其盟國的軍事部門以及民用的特許用戶。2021/3/912GPS定位的常用觀測值 在GPS定位中，經常采用下列觀測值中的一種或幾種進行數據處理，以確定出待定點的坐標或待定點之間的基線向量:： L1載波相位觀測值 L2載波相位觀測值（半波或全波） 調制在L1上的C/A碼偽距 調制在L1上的P碼偽距 調制在L2上的P碼偽距 L1上的多普勒頻移 L2上的

8、多普勒頻移 2021/3/913GPS定位的誤差源 我們在利用GPS進行定位時，會受到各種各樣因素的影響。影響GPS定位精度的因素可分為以下四大類： 與與GPS衛(wèi)星有關的因素衛(wèi)星有關的因素 與傳播途徑有關的因素與傳播途徑有關的因素 與接收機有關的因素與接收機有關的因素 其它因素其它因素2021/3/914SA (Selective availability)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、在GPS基準信號中加入高頻抖動（ 技術）等方法，人為降低普通用戶利用GPS進行導航定位時的精度。 （C/A碼定位精度從20m降100m）衛(wèi)星星歷誤差 在進行GPS定位時，計算在某時刻GPS

9、衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數是通過各種類型的星歷7提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計算出的衛(wèi)星位置都會與其真實位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。 2021/3/915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與GPS標準時間之間的誤差。 衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差 衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號發(fā)射天線的標稱相位中心與其真實相位中心之間的差異。 2021/3/916電離層延遲 由于地球周圍的電離層對電磁波的折射效應，使得GPS信號的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。電磁波所受電離層折射的影響與電磁波的頻率以及電磁波傳播途徑上電子總含量有關。 對流層延遲

10、 由于地球周圍的對流層對電磁波的折射效應，使得GPS信號的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為對流層延遲。電磁波所受對流層折射的影響與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關。2021/3/917多路徑效應 由于接收機周圍環(huán)境的影響，使得接收機所接收到的衛(wèi)星信號中還包含有各種反射和折射信號的影響，這就是所謂的多路徑效應。 2021/3/918接收機鐘差 接收機鐘差是GPS接收機所使用的鐘的鐘面時與GPS標準時之間的差異。 接收機天線相位中心偏差 接收機天線相位中心偏差是GPS接收機天線的標稱相位中心與其真實的相位中心之間的差異。 接收機軟件和硬件造成的誤差 在進行GPS定位時，定位結果還會受到諸如處理

11、與控制軟件和硬件等的影響。 2021/3/919GPS控制部分人為或計算機造成的影響 由于GPS控制部分的問題或用戶在進行數據處理時引入的誤差等。 數據處理軟件的影響 數據處理軟件的算法不完善對定位結果的影響。 2021/3/920GPS定位方法 根據定位所采用的觀測值 根據定位的模式 根據獲取定位結果的時間 根據定位時接收機的運動狀態(tài) 2021/3/921偽距定位 偽距定位所采用的觀測值為GPS偽距觀測值，所采用的偽距觀測值既可以是C/A碼偽距，也可以是P碼偽距。偽距定位的優(yōu)點是數據處理簡單，對定位條件的要求低，不存在整周模糊度的問題，可以非常容易地實現(xiàn)實時定位；其缺點是觀測值精度低，C/A

12、 碼偽距觀測值的精度一般為3米，而P碼偽距觀測值的精度一般也在30個厘米左右，從而導致定位成果精度低，另外，若采用精度較高的P碼偽距觀測值，還存在AS的問題。 載波相位定位 載波相位定位所采用的觀測值為GPS的載波相位觀測值，即L1、L2或它們的某種線性組合。載波相位定位的優(yōu)點是觀測值的精度高，一般優(yōu)于2個毫米；其缺點是數據處理過程復雜，存在整周模糊度的問題。 2021/3/922絕對定位 絕對定位又稱為單點定位，這是一種采用一臺接收機進行定位的模式，它所確定的是接收機天線的絕對坐標。這種定位模式的特點是作業(yè)方式簡單，可以單機作業(yè)。絕對定位一般用于導航和精度要求不高的應用中。 相對定位 相對定

13、位又稱為差分定位，這種定位模式采用兩臺以上的接收機，同時對一組相同的衛(wèi)星進行觀測，以確定接收機天線間的相互位置關系。 2021/3/923實時定位 實時定位是根據接收機觀測到的數據，實時地解算出接收機天線所在的位置。 非實時定位 非實時定位又稱后處理定位，它是通過對接收機接收到的數據進行后處理以進行定位得方法。 2021/3/924動態(tài)定位 所謂動態(tài)定位，就是在進行GPS定位時，認為接收機的天線在整個觀測過程中的位置是變化的。也就是說，在數據處理時，將接收機天線的位置作為一個隨時間的改變而改變的量。動態(tài)定位又分為Kinematic和Dynamic兩類。 靜態(tài)定位 所謂靜態(tài)定位，就是在進行GPS

14、定位時，認為接收機的天線在整個觀測過程中的位置是保持不變的。也就是說，在數據處理時，將接收機天線的位置作為一個不隨時間的改變而改變的量。在測量中，靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位，其具體觀測模式多臺接收機在不同的測站上進行靜止同步觀測，時間由幾分鐘、幾小時甚至數十小時不等。 2021/3/925 GPS測量中常用的坐標系統(tǒng) 1. WGS-84 WGS-84坐標系是目前GPS所采用的坐標系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數就是基于此坐標系統(tǒng)的。 WGS-84坐標系統(tǒng)的全稱是World Geodical System-84（世界大地坐標系-84），它是一個地心地固坐標系統(tǒng)。 WGS-84坐標系統(tǒng)由美國國防

15、部制圖局建立，于1987年取代了當時GPS所采用的坐標系統(tǒng)WGS-72坐標系統(tǒng)而成為GPS的所使用的坐標系統(tǒng)。 WGS-84坐標系的坐標原點位于地球的質心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構成右手系。 2021/3/9262. 1954年北京坐標系 1954年北京坐標系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標系。該坐標系源自于原蘇聯(lián)采用過的1942年普爾科夫坐標系。 建國前，我國沒有統(tǒng)一的大地坐標系統(tǒng)，建國初期，在蘇聯(lián)專家的建議下，我國根據當時的具體情況，建立起了全國統(tǒng)一的1954年北京坐標系。該坐標系采用的參考橢球是

16、克拉索夫斯基橢球，該橢球并未依據當時我國的天文觀測資料進行重新定位，而是由前蘇聯(lián)西伯利亞地區(qū)的一等鎖，經我國的東北地區(qū)傳算過來的，該坐標系的高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準面重新平差的結果為起算值，按我國天文水準路線推算出來的，而高程又是以1956年青島驗潮站的黃海平均海水面為基準。 2021/3/927由于當時條件的限制，1954年北京坐標系存在著很多缺點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：克拉索夫斯基橢球參數同現(xiàn)代精確的橢球參數的差異較大，并且不包含表示地球物理特性的參數，因而給理論和實際工作帶來了許多不便。 橢球定向不十分明確，橢球的短半軸既不指向國際通用的CIO極，也不指向目前我國使用的JY

17、D極。參考橢球面與我國大地水準面呈西高東低的系統(tǒng)性傾斜，東部高程異常達60余米，最大達67米。 該坐標系統(tǒng)的大地點坐標是經過局部分區(qū)平差得到的，因此，全國的天文大地控制點實際上不能形成一個整體，區(qū)與區(qū)之間有較大的隙距，如在有的接合部中，同一點在不同區(qū)的坐標值相差1-2米，不同分區(qū)的尺度差異也很大，而且坐標傳遞是從東北到西北和西南，后一區(qū)是以前一區(qū)的最弱部作為坐標起算點，因而一等鎖具有明顯的坐標積累誤差。 2021/3/9283. 1980年西安大地坐標系 1978年，我國決定重新對全國天文大地網施行整體平差，并且建立新的國家大地坐標系統(tǒng)，整體平差在新大地坐標系統(tǒng)中進行，這個坐標系統(tǒng)就是1980

18、年西安大地坐標系統(tǒng)。1980年西安大地坐標系統(tǒng)所采用的地球橢球參數的四個幾何和物理參數采用了IAG 1975年的推薦值.橢球的短軸平行于地球的自轉軸（由地球質心指向1968.0 JYD地極原點方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，橢球面同大地水準面在我國境內符合最好，高程系統(tǒng)以1956年黃海平均海水面為高程起算基準。 2021/3/929技術設計的內容 1.項目來源 介紹項目的來源、性質。 2.測區(qū)概況 介紹測區(qū)的地理位置、氣候、人文、經濟發(fā)展狀況、交通條件、通訊條件等。 3.工程概況 介紹工程的目的、作用、要求、GPS網等級（精度）、完成時間等。 4.技術依據 介紹作業(yè)所依據的測量

19、規(guī)范、工程規(guī)范、行業(yè)標準等。 2021/3/9305.施測方案 介紹測量所采用的儀器、采取的布網方法等。 6.作業(yè)要求 介紹外業(yè)觀測時的具體操作規(guī)程、技術要求等，包括儀器參數的設置（如采樣率、截止高度角等）、對中精度、整平精度、天線高的量測方法及精度要求等。 7.觀測質量控制 介紹外業(yè)觀測的質量要求，包括質量控制方法及各項限差要求等。 8.數據處理方案 詳細的數據處理方案，包括基線解算和網平差處理所采用的軟件和處理方法等內容。 2021/3/931GPS基線向量網的等級 根據我國1992年所頒布的全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范，GPS基線向量網被分成了A、B、C、D、E五個級別。測量分類 固定誤差(mm

20、) 比例誤差(ppm) 相鄰點距離(km) A 5 0.1 1002000 B 8 1 15250 C 10 5 540 D 10 10 215 E 10 20 110 2021/3/932A級網一般為區(qū)域或國家框架網、區(qū)域動力學網；B級網為國家大地控制網或地方框架網；C級網為地方控制網和工程控制網；D級網為工程控制網；E級網為測圖網。 美國聯(lián)邦大地測量分管委員會（Federal Geodetic Control Subcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相對定位的精度標準中有一個AA級的等級，此等級的網一般為全球性的坐標框架。2021/3/933GPS系統(tǒng)的主要問題有： 1

21、. GPS的系統(tǒng)組成和信號結構都不能滿足當前的需要。例如：目前的衛(wèi)星圖形在高緯度地區(qū)，嚴重影響導航和定位，在中、低緯度地區(qū)，每天總有兩次盲區(qū)、每次盲區(qū)歷時2030分鐘，盲區(qū)時，PDOP值遠大于20，給導航和定位帶來很大的誤差。 2. 不僅將來，即使現(xiàn)在，GPS既不能滿足美國軍方的要求，也不能滿足全世界民用的需要。 3. 現(xiàn)行的GPS“雙用途政策”，既遭到包括美國在內全世界民間用戶的強烈反對，也得不到美國軍方的支持。軍方聲稱：影響美國國家安全利益。因此，亟待制定新的GPS政策。 4. 實時導航定位的精度低于GLONASS和GNSS系統(tǒng)。 2021/3/934GPS執(zhí)委會、GPS顧問會和導航學會(

22、ION)于1997年8月26日、1997年11月6日、1998年1月20日和1998年2月20日先后召開4次國際會議，討論GPS現(xiàn)代化的問題。 1. 新一代工作衛(wèi)星(Block F)的研制工作，可望于1999年底完成。Block F衛(wèi)星共有24顆，其壽命為現(xiàn)有衛(wèi)星的3倍。它們逐步代替目前軌道上的Block R衛(wèi)星。 2. GPS系統(tǒng)空間部分的衛(wèi)星數，可能由目前的24顆衛(wèi)星增加到30顆，即6個軌道平面中的每個平面均勻分布5顆衛(wèi)星。這種星座結構有兩大優(yōu)點，即： (1) 衛(wèi)星可見性將大大提高； (2) 全球任何地方、任何時間都不再有“盲區(qū)”，即可見衛(wèi)星至少多于4顆，其PDOP值路線菜單下設定。如果目

23、前有活動路線，那么導向的點是路線中第一個路點，每到達一個路點后，自動指到下一個路點。 在導向頁面上部都會標有當前導向路點名稱(ROUTE里的點也是有名稱的)。它是根據當前位置，計算出導向目標對你的方向角，以與前進方向相同的角度值顯示。同時顯示離目標的距離等信息。讀出導向方向，按此方向前進即可走到目的地。有些GPS把前進方向和導向功能結合起來，只要用GPS的頭指向前進方向，就會有一個指針箭頭指向前進方向和目標方向的偏角，跟著這個箭頭就能找到目標。 2021/3/9496.日出日落時間(Sun set/raise time) 大多數GPS能夠顯示當地的日出、日落時間，這在計劃出發(fā)/宿營時間時是有用的。這個時間是GPS根據當地經度和日期計算得到的，是指平原地區(qū)的日出、日落時間，在山區(qū)因為有山脊遮擋，日照時間根據情況要早晚各少半個小時以上。GPS的時間是從衛(wèi)星信號得到的格林尼制時間，在設置(setup)菜單里可以設置