GPS课件1.

GPS导航原理及应用王雷[e-mail]2011年1月GPS原理及应用参考书目：GPS原理及应用，李天文编著，科学出版社GPS导航原理与应用，王惠南编著，科学出版社GPS原理与应用，E.D.Kaplan著，邱万和等译，电子工业出版社GPS基本原理及其Matlab仿真，李天文编著，西安电子科大出版社GPS原理及应用网络资源：北斗网:官网:绪论GPS是英文GlobalPositioningSystem的缩写(NavigationSatelliteTimingandRanging),意为利用卫星导航进行测时和测距,以构成全球卫星定位系统。是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。自1973年美国军方批准成立联合计划局开始GPS的研究工作到1993年系统建成,该工程历时20年，耗资300亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用。给导航和定位技术带来了巨大的变化。绪论1、导航的基本概念和发展2、导航与定位3、导航系统分自主和非自主两类4、导航的发展史司南(指南针)导航的发展史15世纪郑和下西洋17世纪欧洲各国天文导航19世纪奠定了无线电导航的基础1942德国V-2火箭惯性导航无线电导航罗兰A罗兰C奥米伽测向仪原理：测向、测距、测量距离之差卫星导航定位系统1、受外界条件的限制较小；2、导航定位精度高(如子午仪系统为40～500m，GPS系统为5～100m)，定位速度快(如GPS系统．北斗系统可近乎实时定位)；3、可靠性高，经济效益好。卫星导航定位系统的发展慨况卫星导航定位系统的建立，最初完全是出于军事目的。例如，1964年投入使用的子午仪系统，就是为北极星导弹潜艇在远海中导航定位而研制的。随着冷战时代的结束，以及卫星导航定位系统的发展和完善，卫星导航定位中的国际合作活动日益增多，卫星导航定位中的商业化趋势势越来越明显，从而形成今后卫星导航定位技术的发展特点。美国子午仪卫星导航系统1964年在军事上正式投入使用，1967年开始提供民用，目前已停止使用。子午仪系统由三部分组成，空间、地面监控、用户空间：6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角90度、周期108min、载波频率400MHz(导航电文)和150MHz；总辐射功率1W；地面：卫星跟踪站、计算中心和注入站；用户：接收卫星信号、测量多普勒频移，计算用户位置子午仪系统的轨道配置子午仪卫星导航系统特点提供二维导航解；观测时间8至10min；精度±40m；定位间隔1.5小时；长期观测精度达到±3m至±5m。已停止运行苏联的奇卡达(Tsikada)卫星导航系统年代同子午仪系统；也由三部分组成，空间、地面监控、用户空间：6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角83度、周期105min、载波频率400MHz(导航电文)和150MHz；调制方式不同于子午仪系统至今仍在运行GPS卫星导航系统1973至1993也由三部分组成，空间、地面监控、用户空间：21+3颗卫星，20000km高、6个轨道面、轨道倾角55度、周期12h、4颗卫星/轨道(120度/卫星间)，载波频率f1=1575.42MHz(19.05cm波长)和f2=1227.60MHz(24.45cm波长)，采用三种为随机噪声码(PRN)调制方式(P、C/A、Y)；码分多址地球上任何地方可观测4-11颗卫星GPS系统轨道配置与卫星分布GLONASS卫星导航系统1982至1993；也由三部分组成，空间、地面监控、用户空间：24+1颗卫星，19130km高、3个轨道面、轨道倾角64.8度、周期11h15min(8天17圈回归)、6颗卫星/轨道(60度/卫星间)；载波频率f1=1.246-1.257MHz和f2=1.602-1.616MHz；调制方式：频分多址。北斗导航系统1994至2000；也由三部分组成，空间、地面监控、用户空间：2+1颗卫星，同步轨道；轨道：东经80、140、110.5度；上行：L频段(1610--1626.5MHz)下行：S频段(2483.5--2500MHz)现在正在进行北斗二代的组建，2012年覆盖区域，2020年覆盖全球。欧洲伽利略导航卫星系统2002至今；也由三部分组成，空间、地面监控、用户；空间：30颗卫星，24000km高、3个轨道面、轨道倾角55度、周期52810.10s；频率：f1=1575.420MHz,f2=1278.750MHz,f3=1191.795MHz调制方式：码分多址(3种伪随机码10种导航信号)原定2008年完成，已推迟。伽利略系统轨道配置伽利略系统卫星分布卫星导航定位系统分类测量的参数用户是否发射信号工作区域分是否连续定位轨道高度GPS系统的特点1、全球，全天候工作：能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。2、定位精度高：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3、定位时间短、操作便捷、可以实现实时定位。4、抗干扰能力强。5、功能多，应用广：随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。6、能为高动态平台提供服务。7、可独立使用；8、卫星轨道高、周期长。GPS系统的优势不受气候条件的限制无须通视要求可进行高精度大地测量能实现全天候运作省时省力•经济效益明显坐标系统通用应用领域广泛具有竞争力的价格GPS系统的不足1、同时至少观测到4颗卫星，遮挡问题。2、系统由美国构建，其他国家无控制权。3、对策。GPS发展历程GPS实施计划共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，之后根据计划更换失效的卫星。GPS系统的改进和现代化GPS系统的组成GPS由三个独立的部分组成：●空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。●地面控制系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。●用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。空间部分GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成的。其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行，平均轨道高度20200km。卫星的运行周期约为12恒星时，每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号，GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。卫星统一编号。目前可用的卫星通常有30多颗。空间部分赤道5524颗卫星分布在互为55度交角的6个轨道平面上，每个轨道面上布有4颗卫星卫星高约20200Km•12小时绕轨道一周–可见时间为4-5小时•设计寿命为7.5年•卫星种类区分–Block1(一代),Block2,2A(二代),Block2R，2F(三代)GPS卫星24颗卫星(21+3)6个轨道平面55º轨道倾角20200km轨道高度(地面高度)12小时(恒星时)轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星)目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗卫星编号（1）顺序编号：按照GPS试验卫星发射时间的先后次序对卫星进行编号。（2）PRN编号：根据GPS卫星所采用的伪随机噪声码（PRN码）对卫星进行编号。在导航定位中，均采用PRN编号，这一规则一直沿用至今。（3）IRON编号：IRON为InterRangeOperationNumber的缩写，意思是内部距离操作码。IRON编号是美国加拿大组成的北美空军指挥部给定的一种随机号，以此识别所选择的目标。（4）NASA编号：这是美国航天局在其文件中给GPS试验卫星的编号。（5）国际识别号：它的第一部分表示该卫星的发射年代，第二部分表示该年发射卫星的序列号，字母A表示发射的有效负荷。GPS卫星结构双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的条形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。GPS卫星的核心部件微处理器导航电文存储器高稳定度的原子频标伪噪声码发生器S波段接收机L波段双频发射机GPS卫星的作用1.接收和存储由地面监控站发来的导航信息。2.接收并执行监控站的控制指令。3.卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作。4.通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准。5.向用户发送定位信息。6.在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。控制部分主控站负责收集由监控站传来的卫星跟踪数据并计算卫星星历和时间参数5个监控站负责对卫星伪距数据的观测，这一卫星跟踪监测网用于确定卫星广播星历及卫星钟模式地面控制站负责向卫星注入信号5个地面控制站55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion)迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)地面监控系统工作流程主控站注入站监测站ＧＰＳ用户原始数据星历、时钟数据、监控数据GPS地面监控系统流程图GPS卫星GPS卫星接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数据处理机L1L2S波段GPS地面监控系统的流程图地面监控系统执行的任务1.数据采集。2.编辑导航电文。3.诊断功能。4.调整卫星。主控站：监测站：为主控站提供卫星的观测数据。注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储系统。用户设备部分用户设备部分-GPS信号接收机及相关设备（三角架、测尺（杆）、数据后处理软件）多数采用石英钟GPS接收机的任务和基本结构任务：捕获卫星信号、跟踪卫星运行，并对信号进行变换、放大和处理，测出信号传播时间，译出导航电文，达到实时定位、导航的目的。基本结构天线单元：接收天线、前置放大器接收单元：通道单元、计算和显示单元、存储单元、电源GPS接收机当前美国对GPS用户的主要限制性政策1.对不同的GPS用户，提供不同的服务方式。2.实施选择可用性（SelectiveAvailability—SA）政策。3.精测距码（P码）的加密措施（Anti-spoofing—AS）也叫反电子欺骗措施。非特许GPS用户对美国限制性政策的措施1.建立独立的GPS卫星测轨系统。2.建立独立的卫星定位系统。3.开发GPS与GLONASS兼容接收机。4.研究和开发差分GPS定位技术。GPS技术现代化1.关闭SA2.增加民用频率3.增大星座4.增加后向天线5增加信号功率GPS应用民用领域军用领域我国的应用和发展交通运输测绘、资源勘探等静态定位高精度授时科学研究卫星导航与信息化我国卫星定位系统的现状大量充分利用美国GPS系统；我国2000年发射完成了“北斗一号”导航试验卫星，并在积极筹措“二代星”系统，研制出自主产知识权的接收机芯