Chpt5全球定位技術課件

第5章全球定位技術2023/3/143S2主要內容5.1什么是GPS5.2GPS系統(tǒng)的組成和性能5.3GPS定位的相關概念5.4定位原理5.5其他相關定位概念5.6GPS定位技術的應用5.7小結2023/3/143S35.1什么是GPSGPS的名稱？NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem（NAVSTARGPS）導航星測時與測距全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)建立美國開始籌建時間：1973年完全建成時間：1995年 2023/3/143S55.1什么是GPS-子午衛(wèi)星系統(tǒng)什么是子午衛(wèi)星系統(tǒng)？NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）采用利用多普勒效應進行導航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)美國研制、建立，1964年1月建成，1967年7月解密供民用。2023/3/143S65.1什么是GPS-子午衛(wèi)星系統(tǒng)NNSS的系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座：由6顆衛(wèi)星構成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺用戶部分：多普勒接收機應用領域海上船舶的定位大地測量單點定位精度：10m；聯測定位：0.5m。2023/3/143S75.1什么是GPS-子午衛(wèi)星系統(tǒng)子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座大地測量多普勒接收機-1（MX1502）大地測量多普勒接收機-2（CMA751）多普勒聯測定位多普勒單點定位2023/3/143S95.2GPS系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)由三部分組成空間部分地面控制部分用戶設備部分2023/3/143S105.2GPS系統(tǒng)的組成-GPS的空間部分1.GPS的空間部分GPS衛(wèi)星星座6個軌道面，每個軌道4顆星21顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星平均軌道高度20200km軌道傾角55周期11h58min保證在每天24小時的任何時刻，在高度角15以上，能夠同時觀測到4顆以上衛(wèi)星當前星座：28顆2023/3/143S115.2GPS系統(tǒng)的組成-GPS的空間部分2023/3/143S135.2GPS系統(tǒng)的組成-GPS的空間部分GPS衛(wèi)星作用：接收、存儲導航電文生成用于導航定位的信號（測距碼、載波）發(fā)送用于導航定位的信號（采用雙相調制法調制在載波上的測距碼和導航電文）接受地面指令，進行相應操作其他特殊用途，如通信、監(jiān)測核暴等主要設備太陽能電池板原子鐘信號生成與發(fā)射裝置2023/3/143S145.2GPS系統(tǒng)的組成-GPS的空間部分BlockIIRBlockIIABlockIIF2023/3/143S155.2GPS系統(tǒng)的組成-GPS的地面監(jiān)控部分2.GPS的地面監(jiān)控部分

組成主控站：1個監(jiān)測站：5個注入站：3個通信與輔助系統(tǒng)2023/3/143S175.2GPS系統(tǒng)的組成-GPS的地面監(jiān)控部分GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)的分布監(jiān)控站主控站注入站夏威夷科羅拉多阿松森迭哥加西亞卡瓦加蘭2023/3/143S185.2GPS系統(tǒng)的組成-GPS的地面監(jiān)控部分監(jiān)測站（5個）作用：接收衛(wèi)星數據，采集氣象信息，并將所收集到的數據傳送給主控站。主控站（1個）作用：管理、協(xié)調地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作；收集各監(jiān)測站的數據，編制導航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星；監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護與異常情況的處理。2023/3/143S195.2GPS系統(tǒng)的組成-GPS的地面監(jiān)控部分注入站（3個）作用：將導航電文注入GPS衛(wèi)星。監(jiān)控站主控站注入站2023/3/143S215.2GPS系統(tǒng)的組成-GPS的用戶組成GPS信號接收機組成天線單元帶前置放大器接收天線接收單元信號通道存儲器微處理器輸入輸出設備電源2023/3/143S225.3GPS定位的相關概念衛(wèi)星星歷GPS衛(wèi)星信號GPS接收機及其類型2023/3/143S235.3GPS定位的相關概念-衛(wèi)星星歷

什么是衛(wèi)星星歷？衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運動軌道的信息一組對應于某一時刻的衛(wèi)星軌道參數及其變率根據衛(wèi)星星歷可以計算出任一時刻的衛(wèi)星位置及其速度GPS衛(wèi)星星歷分為：預報星歷后處理星歷2023/3/143S255.3GPS定位的相關概念-GPS衛(wèi)星信號

GPS衛(wèi)星信號的組成部分載波（Carrier）L1L2測距碼（RangingCode）C/A碼（目前只被調制在L1上）P(Y)碼（被分別調制在L1和L2上）衛(wèi)星（導航）電文（Message）GPS衛(wèi)星信號的生成關鍵設備–原子鐘2023/3/143S265.3GPS定位的相關概念-GPS衛(wèi)星信號2023/3/143S295.3GPS定位的相關概念-GPS衛(wèi)星信號2.測距碼作用：測距為偽隨機噪聲碼PRN

（

PseudoRandomNoise）：具有一定周期的0、1離散碼元信號相關性：不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數為0或1/n（n為碼元數）對齊的同一組碼間的相關系數為12023/3/143S305.3GPS定位的相關概念-GPS衛(wèi)星信號C/A碼（Coarse/AcquisitionCode）粗碼/捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數：1023；碼元寬度：293.05m；僅被調制在L1上。C/A碼的碼元寬度較大。假設兩個序列的碼元對齊誤差，為碼元寬度的1/100，則相應的測距誤差達2.9m，以因此也稱粗碼。P（Y）碼（PreciseCode）精碼；碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數：60；碼元寬度：29.30m；被調制在L1和L2上。2023/3/143S315.3GPS定位的相關概念-GPS衛(wèi)星信號3.GPS導航電文什么是GPS導航電文？包含了有關衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正等導航信息的數據碼(或D碼)。是用戶用來定位和導航的數據基礎。不歸零制（NRZ）的二進制碼、數據率為50bit/s。調制在載頻上。2023/3/143S325.3GPS定位的相關概念-GPS衛(wèi)星信號4.衛(wèi)星信號的調制2023/3/143S335.3GPS定位的相關概念-GPS衛(wèi)星信號調制的基本原理？相位調制頻率調制幅度調制2023/3/143S345.3GPS定位的相關概念-GPS衛(wèi)星信號模二和運算規(guī)則二進制信號：“1”表示二進制“0”，“-1”表示二進制“1”。2023/3/143S355.3GPS定位的相關概念-GPS衛(wèi)星信號二進制信號的相位調制2023/3/143S365.3GPS定位的相關概念-GPS接收機類型按接收機的用途分類：導航型接收機：用于運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。單點實時定位精度較低，一般為±25m，有SA影響時為±100m。車載型；航海型；航空型；星載型。測量型接收機：用于精密大地測量和精密工程測量。采用載波相位觀測量進行相對定位，精度高。觀測數據可測后處理或實時處理。與導航型相比，結構復雜，價格昂貴。授時型接收機：主要用于天文臺、地面監(jiān)控站和無線通信，進行時頻同步測定。

2023/3/143S375.3GPS定位的相關概念-GPS接收機類型按接收機的用途分類：單頻接收機（L1）：只接收調制的L1信號，不能有效消除電離層延遲影響，精度較差。雙頻接收機（L1+L2）：同時接受L1、L2兩種信號，利用雙頻技術，可消除或減弱電離層折射對觀測量的影響，定位精度較高。2023/3/143S385.3GPS定位的相關概念-GPS接收機類型根據接收機信號通道類型劃分：多通道接收機：具有多個衛(wèi)星信號通道，每個通道連續(xù)跟蹤一個衛(wèi)星信號。也稱連續(xù)跟蹤型接收機。序貫通道接收機：只有1-2個信號通道。在相應軟件控制下按時序依次對各衛(wèi)星信號進行跟蹤量測。對衛(wèi)星信號的跟蹤是不連續(xù)的。多路復用通道接收機：與序貫通道接收機相似，也只有1-2個信號通道。在相應軟件控制下按時序依次對各衛(wèi)星信號進行跟蹤量測?？杀３謱πl(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤。2023/3/143S395.3GPS定位的相關概念-GPS接收機類型按工作原理劃分：碼相關型接收機：能夠產生與所測衛(wèi)星測距碼結構完全相同的復制碼。利用碼相關技術得到偽距觀測值。平方型接收機：利用載波信號的平方技術去掉調制碼，獲得載波相位測量所必需的載波信號。合型接收機：綜合利用了碼相關技術和平方技術的優(yōu)點，同時獲得碼相位和精密載波相位觀測量。目前廣泛使用。2023/3/143S405.4定位原理如何定位？測距交會原理衛(wèi)星定位涉及的兩個關鍵數據衛(wèi)星的位置接收站與衛(wèi)星的距離？已知：衛(wèi)星坐標S（Xs,Ys,Zs）和站星距離Dn，求站點的坐標。

2023/3/143S415.4定位原理-測距方法雙程測距

用于電磁波測距儀單程測距

用于GPS2023/3/143S425.4定位原理-測距方法測距碼C/A碼（測距時有模糊度）P碼2023/3/143S435.4定位原理-偽距的概念及偽距測量偽距的概念？利用測距碼測定距離的基本思路：其中c為信號傳播速度（光速）；’為站星觀察距離。但由于傳播時間t中包含有衛(wèi)星時鐘與接收機時鐘不同步的誤差，測距碼在大氣中傳播的延遲誤差等等，因此求得的距離值并非真正的站星幾何距離，習慣上稱之為“偽距”，用’表示。與之相對應的定位方法稱為偽距法定位。信號傳播時間2023/3/143S445.4定位原理-偽距的概念及偽距測量偽距的測量？單程測距。GPS衛(wèi)星依據自己的時鐘發(fā)出某一結構的測距碼。測距碼經過時間傳播，達到接收機。接收機在自己的時鐘控制下產生一組結構完全相同的測距碼：復制碼。兩組信號進行相關計算。調整接收機復制信號的時延’，直到相關系數最大。這時，接收機所產生的復制碼與接收到的GPS衛(wèi)星測距碼完全對齊。那么此時延遲時間’即為衛(wèi)星信號傳播到接收機的時間。2023/3/143S455.4定位原理-偽距的概念及偽距測量傳播時間的確定信號傳播時間的測定2023/3/143S465.4定位原理-偽距的概念及偽距測量測距中的模糊問題？如果已知待測距離大于測距碼的波長（例如C碼測距），那么就會出現模糊問題。如果已知待測距離小于測距碼的波長（例如P碼測距），那么就不會出現模糊問題。問題的產生：相關度計算中，偽隨機碼周期重復。如何考慮電離層的延遲和大氣對流層的延遲？大氣中電離層折射改正數I

，對流層折射改正數為T.

設站星幾何距離為。那么：2023/3/143S475.4定位原理-偽距的概念及偽距測量接收機鐘和衛(wèi)星鐘的鐘差的問題？設衛(wèi)星鐘差改正數為Va，接收機的鐘差改正數Vb。那么鐘差為：Va

Vb?？紤]鐘差后：最終的偽距測量的模型：Va可由導航電文中給出的有關時間信息求得。用戶接收機中僅配備一般的石英鐘，在接收信號的瞬間，Vb不可能預先精確求得。以上公式中，有4個未知數，需要4個觀測方程！2023/3/143S485.4定位原理-載波相位測量1.偽距測量的問題偽距測量的問題基于測距碼的碼元對齊，精度不高。能否采用載波作為測量信號？載波波長短：L1=19cm,L2=24cm.載波相位的測量精度高：1mm-2mm。問題：載波信號是周期信號，相位測量只能測定一個波長內的相位，因而存在整周期數不確定性的問題。2023/3/143S495.4定位原理-載波相位測量2.載波相位的測量的思路itjjtjitjijttRjjl-=2023/3/143S505.4定位原理-載波相位測量3.載波重建問題？接收的GPS信號是已用相位調制的方法在載波上調制了測距碼和導航電文方案：在進行載波相位測量以前，先進行解調工作，設法將調制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲得載波，這一工作稱為重建載波。如何重建載波？碼相關法平方法2023/3/143S515.4定位原理-載波相位測量載波調制了電文之后變成了非連續(xù)的波2023/3/143S525.4定位原理-載波相位測量碼相關法衛(wèi)星信號的生成接收機重建載波平方法2023/3/143S535.4定位原理-載波相位測量4.載波測量原理利用測量的相位差即可計算出距離。在tk時刻，假設接收機收到的衛(wèi)星載波信號的相位為s(tk)，接收機產生的本地參考信號的相位值為r(tk)。相位差為(tk)＝r(tk)－s(tk)理想情況下：’＝(tk)問題：通常測得的相位值或相位差只能是一周內的值。2023/3/143S545.4定位原理-載波相位測量理想情況實際情況2023/3/143S555.4定位原理-載波相位測量載波相位觀測值2023/3/143S565.4定位原理-載波相位測量即ti時刻實際的相位差為:那么，不考慮其他影響下的觀測方程：考慮鐘差、電離層和大氣影響后，根據：有：2023/3/143S575.4定位原理-載波相位測量或已知相位差測量值和衛(wèi)星位置的情況下，接4組方程，就可以得到接收站的位置。還有一個需要解決的問題：整周未知數N的確定！2023/3/143S585.5其他相關定位概念

按用戶接收機天線在測量中的狀態(tài)分類：靜態(tài)定位動態(tài)定位按定位的模式分類

：絕對定位相對定位差分定位2023/3/143S595.5其他相關定位概念-靜態(tài)和動態(tài)定位靜態(tài)定位在定位過程中，GPS定位接收機始終處于靜止接收狀態(tài)的定位方法。應用：普通測量和工程測量。動態(tài)定位在定位過程中，GPS定位接收機始終處于運動接收狀態(tài)的定位方法。應用：車、船、飛機和航天器的導航。什么是導航？測得運動載體的實時位置、運動速度、時間和方位等狀態(tài)參數，從而引導該物體向預定方位運動，稱為導航。GPS導航實質上也是動態(tài)定位。2023/3/143S605.5其他相關定位概念-絕對定位絕對定位（單點定位）在未知點上用GPS定位儀（單機）測定站星距離，從而獨立解算測點WGS-84坐標的過程。特點：精度較低（米級精度）。應用：低精度導航、資源普查等領域。手持和車載GPS接收機。精密單點定位PPP（PrecisePointPositioning)：一種利用載波相位觀測值以及由IGS等組織提供的高精度的衛(wèi)星鐘差來進行高精度單點定位的方法。2023/3/143S615.5其他相關定位概念-相對定位相對定位在一定距離內，用兩臺以上GPS定位儀同時測定站星距離，通過求差的方法解算測點間基線向量的過程。方法舉例：用兩臺GPS接收機分別安置在基線的兩端，固定不動。同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點在WGS-84坐標系中的相對位置或基線向量由于在測量過程中，通過重復觀測取得了充分的多余觀測數據，從而改善了GPS定位的精度。2023/3/143S625.5其他相關定位概念-相對定位相對定位2023/3/143S635.5其他相關定位概念-差分定位差分定位（DifferentialGPS）

問題：絕對定位精度不能滿足要求。原因：誤差及其美國的GPS政策對GPS絕對定位精度的影響（選擇可用性SA）。

SA關閉前后GPS絕對定位精度的變化2023/3/143S645.5其他相關定位概念-差分定位1.什么是差分定位？利用設置在坐標已知的點（基準站）上的GPS接收機測定GPS測量定位誤差，用以提高在一定范圍內其它GPS接收機（流動站）測量定位精度的方法影響絕對定位精度的主要誤差?衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差大氣延遲（對流層延遲、對流層延遲）多路徑效應誤差的空間相關性以上各類誤差中除多路徑效應均具有較強的空間相關性，從而定位結果也有一定的空間相關性。2023/3/143S655.5其他相關定位概念-差分定位2.差分定位的原理利用基準站（設在坐標精確已知的點上）測定具有空間相關性的誤差或其對測量定位結果的影響，供流動站改正其觀測值或定位結果。差分改正數的類型距離改正數：利用基準站坐標和衛(wèi)星星歷可計算出站星間的計算距離，計算距離減去觀測距離即為距離改正數。位置（坐標改正數）改正數：基準站上的接收機對GPS衛(wèi)星進行觀測，確定出測站的觀測坐標，測站的已知坐標與觀測坐標之差即為位置的改正數。2023/3/143S665.5其他相關定位概念-差分定位位置差分坐標改正2023/3/143S675.5其他相關定位概念-差分定位距離差分距離改正2023/3/143S685.5其他相關定位概念-差分定位3.差分定位的分類根據時效性實時差分事后差分根據觀測值類型偽距差分載波相位差分根據差分改正數位置差分（坐標差分）距離差分根據工作原理和差分模型局域差分（LADGPS–LocalAreaDGPS）單基準站差分多基準站差分廣域差分（WADGPS–WideAreaDGPS）2023/3/143S695.5其他相關定位概念-差分定位4.單基準站局域差分結構基準站（一個）、數據通訊鏈和用戶.特點優(yōu)點：結構、模型簡單缺點：差分范圍小，精度隨距基準站距離的增加而下降，可靠性低基準站數據通訊鏈流動站（用戶）2023/3/143S705.5其他相關定位概念-差分定位5.多基準站局域差分結構基準站（多個）、數據通訊鏈和用戶原理：加權平均、最小方差法特點優(yōu)點：差分精度高、可靠性高，差分范圍增大缺點：差分范圍仍然有限，模型不完善2023/3/143S715.5其他相關定位概念-差分定位5.廣域差分結構基準站（多個）、數據通訊鏈和用戶數學模型（差分改正數的計算方法）與普通差分不相同普通差分是考慮的是誤差的綜合影響廣域差分對各項誤差加以分離，建立各自的改正模型用戶根據自身的位置，對觀測值進行改正特點優(yōu)點：差分精度高、差分精度與距離無關、差分范圍大缺點：系統(tǒng)結構復雜、建設費用高2023/3/143S725.6GPS定位技術的應用美國政府的GPS政策應用舉例北斗-1導航系統(tǒng)2023/3/143S735.6GPS定位技術的應用-GPS政策什么是SPS與PPS？SPS–標準定位服務使用C/A碼，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS時間=340nsPPS–精密定位服務可使用P碼，軍用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS時間=200ns2023/3/143S745.6GPS定位技術的應用-GPS政策美國政府的GPS政策SA技術（1990.3.25~2000.5.1）SelectiveAvailability–選擇可用性人為降低普通用戶的測量精度。方法:ε技術：降低星歷精度（加入隨機變化）δ技術：衛(wèi)星鐘加高頻抖動 （短周期，快變化）AS技術（1994.1.31~至今）Anti-Spoofing–反電子欺騙P碼加密，P+WY2023/3/143S755.6GPS定位技術的應用-應用舉例GPS在軍事中的應用GPS導航的艦載飛彈

配備GPS的士兵

美國海軍核潛艇

2023/3/143S765.6GPS定位技術的應用-應用舉例GPS在交通運輸業(yè)中的應用2023/3/143S775.6GPS定位技術的應用-應用舉例GPS在測