GPS 全球定位系統(tǒng)2版

GPS全球定位系統(tǒng)版權聲明：以下內容由中國民航大學電子信息工程學院教師編排制作，主要用于學習、研究，不得用于其他商業(yè)用途，如果對制作內容有任何建議，請聯(lián)系中國民航大學電子信息工程學院“GPS抗干擾研究”科研組。電話：24092451Email:lqi@目錄GPS系統(tǒng)概述空間段控制段用戶段GPS定位服務聯(lián)邦無線電導航計劃說明精密定位服務(PPS)標準定位服務(SPS)GPS衛(wèi)星定位信號GPS數(shù)據(jù)GPS定位與時間碼相位跟蹤偽距測量定位接收機載波相位跟蹤GPS誤差源幾何精度因子(GDOP)差分GPS(DGPS)技術差分碼相位跟蹤差分載波相位跟蹤共模時間傳遞GPS技術及工程費用GPS系統(tǒng)概述全球定位系統(tǒng)是一個衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，它是由美國國防部(國防部)提供經費并控制的.雖然全球有數(shù)以千計的GPS民用用戶，但該主要是為美國軍方設計和使用的。GPS有專門的衛(wèi)星信號號編碼，可以由GPS接收器處理，計算接收機的位置,速度和時間。四顆GPS衛(wèi)星信號用來計算時間和位置?？臻g段空間段的組成是全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星.這些衛(wèi)星從太空發(fā)出無線電信號.GPS衛(wèi)星由24顆衛(wèi)星組成，環(huán)繞地球飛行周期為12個小時.常常推出多于24顆新業(yè)務衛(wèi)星,以取代舊的衛(wèi)星.共有6個軌道平面,同樣間隔(60度),而相對于赤道平面傾斜約55度.使用者在地球上任何一點可以看得見五至八顆衛(wèi)星.GPSsatellite控制段GPS系統(tǒng)的地面支持網由五個監(jiān)測站、一個主控站和四個注入站組成。網絡主控站位于Schriever空軍基地(前身獵鷹抗酸)在科羅拉多.監(jiān)測站收集衛(wèi)星及當?shù)貧庀筚Y料送給主控站。主控站根據(jù)這些資料計算衛(wèi)星軌道等導航信息，然后由注入站每隔8h向衛(wèi)星發(fā)送一次，更新衛(wèi)星資料，以便衛(wèi)星向用戶設備轉發(fā)導航信息。GPS用戶段包括GPS接收機和用戶的社區(qū).GPS接收機利用4顆衛(wèi)星信號計算位置、速度、時間。GPS接收機用于導航、定位、時間測量等其他研究工作.導航是GPS立體定位系統(tǒng)的主要功能.導航接收機可以裝在飛機、船舶、地面車輛、個人攜帶手.GPS導航能利用GPS精確定位接收機位置的參考和相對定位提供數(shù)據(jù)更正。遠程接收機可用于大地測量控制、板塊構造研究等.另外,使用全球定位系統(tǒng)可進行天文觀測、通訊設施、測量大氣參數(shù).GPS定位服務聯(lián)邦無線電導航計劃說明精密定位服務(PPS)授權用戶提供密碼鑰匙及設備、特殊設備的精確定位系統(tǒng)接收機使用。美國和盟國軍隊及美國政府機構有使用權。預測垂直精度為22米，橫向精度為27.7米，時間精度為200納秒。標準定位服務(SPS)全球民用使用戶使用SPS是不受控制和限制的.大多數(shù)接收機可以直接使用SPS信號.SPS精度被國防部使用選擇可用技術故意降低了。SPS精度：垂直精度為100米，橫向精度為156米，時間精度為340GPS衛(wèi)星定位信號GPS衛(wèi)星傳送兩種微波信號。一種的頻率(1575.42兆赫)攜帶SPS信號和導航電文.另一種頻率(1227.60兆赫)是用來使用PPS接收機測量電離層延遲。三位二進制編碼利用兩種載波運載.GPS數(shù)據(jù)導航電文是二進制文件，它是按一定格式組成數(shù)據(jù)幀，按幀向外播送。每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)占用一幀.一幀由5個子幀組成一個幀。一幀50個字,每個字30個碼位,共1500個碼位,時間30s.每個子幀10個字,時間6s.頭2個字為遙測字(TEL)和轉換字(HOW),由星載設備產生,后8個字為導航電文,由地面站注入給衛(wèi)星.25個幀組成一個主幀.一個主幀是一個完整的歷書,歷書包括了所有在軌衛(wèi)星的簡略星歷數(shù)據(jù).GPS定位與時間測量碼相位跟蹤能夠產生與所測衛(wèi)星的測距碼結構完全相同的復制碼。工作中通過逐步移位，使接收碼與復制碼達到最大相關，以測定衛(wèi)星信號到達用戶接收機天線的傳播時間。偽距測量接收機位置是利用偽距測量的。位置決定于多重偽距測量，四顆衛(wèi)星提供的信號確定三維的位置和準確的時間。從而計算出對地球坐標系的坐標（X，Y，Z）。時間用于校準接收機時鐘偏差，接收機不必使用昂貴的時鐘。通過星歷，衛(wèi)星的坐標是已知的，可利用測量偽距計算接收機位置。計算方法如下：定位接收機位置坐標（X，Y，Z）包括地理經度、緯度和高度。經緯度通過坐標變換進行計算。速度通過位置隨時間的變化率進行計算。衛(wèi)星時間在接收機中轉換為GPS時間。衛(wèi)星上裝有穩(wěn)定度為10-13的精密原子鐘，各衛(wèi)星的原子鐘相互同步，并與地面站的原子鐘同步，建立起導航系統(tǒng)的精密時系，稱為GPS時。精密時系是精密測距的基礎。GPS時是一種連續(xù)的、高精度的、均勻的時間系統(tǒng)，它以原子秒為單位，時間間隔為一周。它開始和結束在每周六和周日之間的子夜零點時刻。GPS時起點1980年1月6日UTC（世界協(xié)調時）的零點，它常用自起點以后的周數(shù)、日數(shù)、GPS秒來表示時間。目前，GPS時間已經超前UTC數(shù)秒。載波相位跟蹤是利用載波信號的平方技術去掉調制碼，從而獲得載波相位測量所必需的載波信號。兩個接收機與一顆衛(wèi)星在同一時刻的信號差別。GPS誤差源GPS誤差主要包括組合噪聲、偏差和錯誤。噪聲誤差主要是偽隨機碼噪聲和接收機內部噪聲。偏差產生的結果主要由于選擇有效技術和其他因素，例如時鐘誤差、電離層的影響、大氣層延時、多路徑干擾等。錯誤可能導致上百公里的誤差，錯誤產生的原因可能是控制段人為因素錯誤，可能是用戶錯誤，也可能是接收機的軟件和硬件故障造成的差錯。幾何精度因子(GDOP)GDOP有下述特性：它是選定4顆衛(wèi)星與測者之間幾何關系造成的位置誤差的放大倍數(shù)。當GDOP大一倍時，位置誤差也將大一倍。GDOP只與衛(wèi)星和測者的相對位置有關，與所選坐標無關。GDOP是星座設計的一個判據(jù)，即衛(wèi)星安置的位置應能使地面測者獲得好的GDOP值。定位時，選星原則就是使GDOP盡可能小，以提高定位精度。為了取得精確的定位效果，選星時總是使GDOP盡可能減小，導航儀通常采用以下方法來選星。最佳GDOP法。即從仰角5度以上的星中取4顆的全部組合，分別計算GDOP值，取GDOP最小的一組星座進行定位。此法選擇的星座最佳，但計算量大。次優(yōu)GDOP。從能收到的衛(wèi)星中先選出三顆，它們的斜距具有最大的垂直分量、北向分量和東向分量，然后再選一顆衛(wèi)星使GDOP最小。最大矢端四面體法。以測者為中心作單位球，以四顆星在球面的投影點為頂點組成一四面體。當該四面體體積最大時，這四顆衛(wèi)星的GDOP最小。以下首先是正常偽距計算。GDOP計算差分GPS(DGPS)技術在已知精密座標位置的點上，設置GPS監(jiān)測設備（GPS基準臺），用精度很高的靜態(tài)定位用的雙頻GPS接收機，天線位置上排除多徑干擾的影響，連續(xù)實時地接收GPS信號，求出誤差，按規(guī)定時間間隔確定修正量值向用戶播發(fā)。用戶利用收到的信息，使機載接收機解算中加以修正，因此能夠輸出更為正確的位置數(shù)據(jù)。利用差分GPS（或稱DGPS）可以消除或減小例如星種誤差、星歷誤差、信號傳播延遲誤差等公共誤差，因而提高了定位精度。但用戶接收機自身的噪聲誤差，多徑干擾誤差只與自身設備有關，差分GPS技術也不能消除。差分GPS應用中的精度和用戶相對差分基準臺的距離有關，離基準臺越近，則由于其公共誤差相同而精度高，離臺較遠時，由于大氣傳播誤差上產生差異，使精度降低。因而，差分技術的應用受到用戶與基準臺之間距離的限制。差分碼相位跟蹤導航差分載波相位跟蹤測量共模時間傳遞當時間信息從一點傳遞到另一點時,鑒別技術能夠在2000公里的基線上鑒別10納秒的時間傳遞。GPS技術及工程費用全球定位系統(tǒng)接收機技術及工程成本費用視乎能力.小型民用接收機一般200美元就可以買到,有的具有差分校準能力的接收機可能