GPS系統(tǒng)原理講義教材

1、導(dǎo)航

2、GPS導(dǎo)航簡介

3、GPS原理

4、GPS系統(tǒng)組成

5、GPS衛(wèi)星信號

什么是導(dǎo)航?

導(dǎo)航就是安全有效的從一個(gè)地點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)地點(diǎn).但是這里是哪里?我們?yōu)槭裁葱枰獙?dǎo)航?你就在這里.我在哪?導(dǎo)航歷史

早在公元前3500年前，人類就有歷史記載用大船裝在貨物進(jìn)行商業(yè)貿(mào)易的歷史。這標(biāo)志了人類導(dǎo)航藝術(shù)的誕生。早期的導(dǎo)航家都是在靠近海岸線用肉眼觀察陸地標(biāo)記或者大地特性來辨別方向的。他們通常白天行駛，晚上找個(gè)平靜的港口拋錨。他們沒有航海圖，但他們列出了所需的方向，類似于今天的巡航向?qū)?.導(dǎo)航歷史

當(dāng)他們在看不到大陸的時(shí)候，他們通過在白天觀察太陽的位置，晚上觀察北極星的位置來辨別南北方向。

早期的航海家們總是在靠近海岸線的附近白天活動，當(dāng)天氣不好或者晚上的時(shí)候不出海活動。在中世紀(jì)，歐洲的航海家們在整個(gè)冬季都不出?；顒印＿@樣就自然的限制的他們的活動范圍。大范圍的航?；顒颖厝粫盹L(fēng)險(xiǎn)。

導(dǎo)航歷史古代導(dǎo)航工具直角器（Cross-staff）標(biāo)尺（Back-staff）四分儀（Quadrant）航海員星盤（Mariner‘sAstrolabe）星盤（Astrolabe

）夜間記時(shí)儀器（Nocturnal）古代導(dǎo)航工具指南針-中國古代導(dǎo)航工具漢朝（BC.206－AD.220）

南宋（AD.1127-1279）

北宋（AD.960-1127）

北宋（AD.960-1127）

導(dǎo)航的兩個(gè)關(guān)鍵因素

確定地球上的位置現(xiàn)在時(shí)間是幾點(diǎn)?導(dǎo)航方法1、天文導(dǎo)航2、無線電導(dǎo)航3、慣性導(dǎo)航4、衛(wèi)星導(dǎo)航天文導(dǎo)航

利用對自然天體的測量來確定自身位置和航向的導(dǎo)航技術(shù)。由于天體位置是已知的，測量天體相對于導(dǎo)航用戶參考基準(zhǔn)面的高度角和方位角就可計(jì)算出用戶的位置和航向。天文導(dǎo)航系統(tǒng)不需要其他地面設(shè)備的支持，所以是自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。不受人工或自然形成的電磁場的干擾，不向外輻射電磁波，隱蔽性好，定位、定向的精度比較高，定位誤差與定位時(shí)刻無關(guān)，因而得到廣泛應(yīng)用。無線電導(dǎo)航海岸上設(shè)立兩個(gè)以上的無線電發(fā)射電臺船上的接收機(jī)測量船與電臺的距離或距離差，交會出船的位置慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航（inertialnavigation）是依據(jù)牛頓慣性原理，利用慣性元件（加速度計(jì)）來測量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過積分和運(yùn)算得到速度和位置，從而達(dá)到對運(yùn)載體導(dǎo)航定位的目的。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運(yùn)載體內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航利用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，求出載體相對衛(wèi)星的位置，再根據(jù)已知的衛(wèi)星相對地面的位置，計(jì)算并確定載體在地球上的位置的技術(shù)。GPS導(dǎo)航簡介全球定位系統(tǒng)（英語：Global

Positioning

System，通常簡稱GPS），又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準(zhǔn)確的定位、測速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)由美國防部研制和維護(hù)，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運(yùn)動和時(shí)間的需要。GPS優(yōu)點(diǎn)1、全天候，不易受任何天氣的影響2、全球覆蓋（高達(dá)98%）3、三維定點(diǎn)定速定時(shí)高精度4、測站間無需通視5、快速、省時(shí)、高效率6、應(yīng)用廣泛、多功能、可移動定位。GPS原理空間中要確定一個(gè)點(diǎn)的具體位置，必須建立一個(gè)坐標(biāo)系，我們平時(shí)接觸的最多的是笛卡爾直角坐標(biāo)系，它其實(shí)是由三族相互垂直的平行平面相交構(gòu)成的交點(diǎn)來確定出每一個(gè)具體的位置點(diǎn)坐標(biāo)。空間中如何確定一個(gè)點(diǎn)的位置？笛卡爾直角坐標(biāo)系曲面坐標(biāo)系任意的不平行的三個(gè)平面或者曲面可以確定一個(gè)空間點(diǎn)的位置，人們可以根據(jù)新的需要，隨時(shí)制定出新的方便使用的坐標(biāo)系。并且，不同的坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)化。因?yàn)榈厍蚴莻€(gè)圓形，所以人們在日常生活中很難將直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)用于實(shí)際需要，所以經(jīng)緯度坐標(biāo)系即地理坐標(biāo)系被發(fā)明了，它由一族同心球面，一族同軸圓錐面，和一族繞同一軸旋轉(zhuǎn)的扇面構(gòu)成。地理坐標(biāo)系經(jīng)度表示扇面轉(zhuǎn)過的角度，緯度表示錐面與赤道平面的夾角，海拔表示相對于地球半徑的高度，用經(jīng)緯度坐標(biāo)系來表示某個(gè)坐標(biāo)，在直角坐標(biāo)系下的方程為：雙曲面坐標(biāo)系一般曲面坐標(biāo)系有什么缺點(diǎn)：使用非平面坐標(biāo)系的注意點(diǎn)是，組成立體坐標(biāo)系的三族曲面在其使用范圍內(nèi)，每族曲面中的任何一個(gè)曲面都必須與另一族曲面中任何一個(gè)曲面相交。否則，由他們?nèi)迩媛?lián)立的方程組將出現(xiàn)無解的情況，這意味著該坐標(biāo)系里存在某些空間點(diǎn)不能被確定出位置參數(shù)。所以，不是隨便三族曲面，都適合用來指定坐標(biāo)系。雙曲面坐標(biāo)系：雙曲面坐標(biāo)系是由三族同焦點(diǎn)的雙曲面組成的坐標(biāo)系，因?yàn)橥裹c(diǎn)，所以任何一族中的某個(gè)雙曲面，都必定會和另一雙曲面族中的雙曲面相交。GPS采用的坐標(biāo)系WGS84是為GPS全球定位系統(tǒng)使用而建立的坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84坐標(biāo)系的幾何意義是：坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，z軸指向（國際時(shí)間局）BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，x軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，y軸通過右手規(guī)則確定。GPS定位數(shù)學(xué)模型假設(shè)在WGS84坐標(biāo)系下地球上有四個(gè)點(diǎn)1（x1,y1,z1）,2（x2,y2,z2）,3（x3,y3,z3）,4（x4,y4,z4）,空間中有一點(diǎn)A，到1,2,3,4的距離分別為d1,d2,d3,d4,求A的坐標(biāo)（Xa,Ya,Za）？

可以列出如下的方程組：GPS定位數(shù)學(xué)模型方程組的幾何意義：可以將點(diǎn)A看成是由四個(gè)球面相交而得的點(diǎn)會出現(xiàn)什么情況：由上述曲面坐標(biāo)系的分析可知，球面坐標(biāo)系下，可能會出現(xiàn)三個(gè)同心球面相互無交線的無解情況，即使有解，也會有多解，不容易判斷。GPS定位數(shù)學(xué)模型那么不妨改進(jìn)一下，使用雙曲面坐標(biāo)系定位。可以將點(diǎn)1作為公共焦點(diǎn)，點(diǎn)2,3,4分別作為虛焦點(diǎn)，這樣，就形成了（1,2），（1,3），（1,4）這三個(gè)點(diǎn)對，點(diǎn)A可以看成到（1,2）距離之差為|d1-d2|的雙曲面、到（1,3）距離之差為|d1-d3|的雙曲面、到（1,4）距離之差為|d1-d4|的雙曲面的交點(diǎn)。GPS定位數(shù)學(xué)模型由雙曲面的性質(zhì)可知，這三個(gè)雙曲面有且只有兩個(gè)交點(diǎn)，并且兩個(gè)交點(diǎn)位置相差較遠(yuǎn)，容易取舍。GPS定位數(shù)學(xué)模型所以，GPS系統(tǒng)取空中的四顆衛(wèi)星A，B，C，D，以A作為公共焦點(diǎn)，B，C，D分別作為三個(gè)虛焦點(diǎn)，建立如下圖的空間雙曲面坐標(biāo)系。這樣對于地面上某點(diǎn)P，只要知道P到A，B，C，D的距離，就可以推算出點(diǎn)P的坐標(biāo)GPS系統(tǒng)組成GPS定位系統(tǒng)GPS衛(wèi)星（空間星座部分）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）GPS接收機(jī)（用戶部分）24顆衛(wèi)星1個(gè)主控站3個(gè)注入站5個(gè)監(jiān)測站各型GPS接收機(jī)GPS系統(tǒng)組成1、空間星座部分24顆衛(wèi)星(21+3)6個(gè)軌道平面

55o軌道傾角

2萬km軌道高度(地面高度)12小時(shí)(恒星時(shí))軌道周期

5個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上(每顆星)銫原子鐘計(jì)算機(jī)2塊7m2的太陽能翼板無線電收發(fā)兩用機(jī)導(dǎo)航荷載（接收數(shù)據(jù)，發(fā)射測距和導(dǎo)航數(shù)據(jù)）姿態(tài)控制和太陽能板指向系統(tǒng)GPS衛(wèi)星結(jié)構(gòu)雙葉對日定向太陽能電池帆板，全長5.33m，接受日光面積7.2m2。采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m多波束定向天線，這是一種由12個(gè)單元構(gòu)成的成形波束螺旋天線陣，能發(fā)射L1和L2波段的信號，其波束方向圖能覆蓋約半個(gè)地球。在星體兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)通信。GPS衛(wèi)星結(jié)構(gòu)GPS衛(wèi)星星座的功能主要包括：（1）接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令；（2）衛(wèi)星上設(shè)有微處理機(jī)，進(jìn)行部分必要的數(shù)據(jù)處理工作；（3）通過星載的高精度銣鐘、銫鐘產(chǎn)生基準(zhǔn)信號和提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；（4）向用戶發(fā)送導(dǎo)航定位信號。包括：

兩種載波（L1和L2）

調(diào)制在L1上的偽噪聲碼C/A碼（CoarseAcquisitionCode粗捕獲碼）

調(diào)制在L1和L2上的偽噪聲P碼(PreciseCode精碼)（5）在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。2、地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分主要包括：一個(gè)主控站：科羅拉多?斯必靈司

三個(gè)注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個(gè)監(jiān)測站=1個(gè)主控站+3個(gè)注入站+夏威夷（Hawaii)55夏威夷阿松森迭哥?伽西亞卡瓦加蘭科羅拉多?斯必靈司地面主控站的作用主控站的作用

收集數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理監(jiān)測與協(xié)調(diào)

控制衛(wèi)星

地面監(jiān)控站的作用2、地面監(jiān)控部分監(jiān)控站偽距導(dǎo)航數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)主控站測傳送注入站的作用

注入站的主要作用是將主控站需傳輸給衛(wèi)星的資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲器中，供衛(wèi)星向用戶發(fā)送。

3、用戶接收部分天線前置放大器GPS信號接收機(jī)射電部分微處理器電源部分?jǐn)?shù)據(jù)存器顯示控制器供電信號信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制GPS衛(wèi)星信號GPS信號，是由全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星上振蕩器所產(chǎn)生的信號，而所有GPS信號都由一個(gè)基本頻率f0=10.23Mhz組成。

GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號主要分為載波（Carrierwave）、測距碼（RangingCode）和導(dǎo)航電文（NavigationMessages）三部分。GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文

導(dǎo)航電文簡介

導(dǎo)航電文包括計(jì)算衛(wèi)星位置的有關(guān)數(shù)據(jù)（衛(wèi)星星歷）、系統(tǒng)時(shí)間、衛(wèi)星鐘參數(shù)、C/A碼到P碼的轉(zhuǎn)換字及衛(wèi)星工作狀態(tài)。衛(wèi)星向用戶提供，用戶將其應(yīng)用于導(dǎo)航解算。這些數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制碼的形式發(fā)送給用戶的，故衛(wèi)星電文又稱為數(shù)據(jù)碼，或稱之為D碼。一份完整的導(dǎo)航電文由任一主幀中的第1,2,3子幀和25個(gè)連續(xù)的第4,5子幀構(gòu)成123451234567891030s6s0.02s0.6s25頁10個(gè)字30比特導(dǎo)航電文的基本構(gòu)成

GPS衛(wèi)星電文的基本內(nèi)容子幀1子幀2子幀3標(biāo)識碼（如GPS星期序號等）、星鐘數(shù)據(jù)齡期（AODC）、衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)等子幀4子幀5GPS衛(wèi)星星歷（軌道參數(shù)等）第25~32顆GPS衛(wèi)星的歷書、UTC和電離層改正參數(shù)、第25~32顆GPS衛(wèi)星的健康狀況第1~24顆GPS衛(wèi)星的歷書和健康狀況其中每個(gè)主幀中第1，2，3子幀是重復(fù)的，即每30s重復(fù)一次。其中第1子幀的第3-10個(gè)字碼為第一數(shù)據(jù)塊。它包括載波的調(diào)制波類型、星期序號、衛(wèi)星的健康狀況、數(shù)據(jù)齡期、衛(wèi)星時(shí)鐘改正參數(shù)等。第2和第3子幀是第二數(shù)據(jù)塊，它載有衛(wèi)星的星歷，提供375位修正的開普勒模型信息，用這些數(shù)據(jù)能估計(jì)出發(fā)