GPS原理及测试.

GPS原理及测试主讲人:谭宗洋内容•1.GNSS定义与介绍•2.GPS的整个系统的构成•3.GPS原理定位与概述•4.GPS的测试GNSS定义•GNSS是GlobalNavigationSatelliteSystem的缩写。中文译名应为全球导航卫星系统•GNSS的种类：GPS，GLONASS，Galileo，中国北斗等GPS/GLONASS/GALILEO参数对比GPS系统的构成•GPS系统=空间部分+控制部分+用户部分•空间部分：GPS空间部分主要由24颗GPS卫星构成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星运行在6个轨道平面上，运行周期为12个小时。保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都能够观测到4颗以上的卫星。•主要作用：发送用于导航定位的卫星信号。•构成：24颗卫星=21颗工作卫星+3颗备用卫星GPS系统的构成（控制部份）•GPS控制部分由1个主控站，5个检测站和3个注入站组成。•作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。•（1）主控站：从各个监控站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。•（2）监控站：接收卫星信号，检测卫星运行状态，收集天气数据，并将这些信息传送给主控站。•（3）注入站：将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。GPS系统的构成（用户部份）•GPS用户设备部分包含GPS接收器及相关设备。GPS接收器主要由GPS芯片构成。•如车载、船载GPS导航仪，内置GPS功能的移动设备，GPS测绘设备等都属于GPS用户设备。•作用：接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备，GPS系统的消费者。原理定位与概述•GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60MHz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：•C/A码：C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码（PRN码），其码长为1023位（周期为1ms）。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。•P码：P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。•导航信息：导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。•SPS和PPS是GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPSStandardPositioningService)，另一种是精密定位服务(PPSPrecisionPositioningService)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPSStandardPositioningSystem)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPSPrecisionPositioningSystem)提供。•SPS主要面向全世界的民用用户。•PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。•在GPS定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量：•L1载波相位观测值•L2载波相位观测值（半波或全波）•调制在L1上的C/A码伪距•调制在L1上的P码伪距•调制在L2上的P码伪距•L1上的多普勒频移•L2上的多普勒频移导航信息内容•GPS系统时间和卫星时钟校准值•高精度的卫星轨道数据(星历)•粗略的卫星轨道数据(历书)•系统卫星健康状态导航信息概述•导航信息共分25帧，每帧1500bits，共37500bits•每帧分5个子帧，每子帧300bits•每子帧分10个Word，每个Word为30bits•完整接收需耗时37500/50=12.5分钟GPS卫星信号导航电文数据结构框图•GPS的误差：我们在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类：•（1）SA：美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）、在GPS基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。•（2）卫星星历误差：在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。•（3）卫星钟差：卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。•（4）卫星信号发射天线相位中心偏差：卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。GPS测试•主要测试项：（备注：静态测试）•(1)冷启动TTFF•(2)热启动TTFF•(3)温启动TTFF•(4)捕获灵敏度（冷启动、热启动、温启动）•(5)跟踪灵敏度•(6)重捕获时间•冷启动的定义：接收机加电至其捕获第一个有效导航数据点之间的时间、但需满足如下条件:•（1）时间未知•（2）当前历书（Almanac）和星历（ephemteris）未知•（3）位置未知•由于该过程具有随机性，需要在不同卫星几何分布条件下测试若干TTFF值并取其平均值•温启动TTFF的定义;接收机加电至其捕获第一个有效导航数据点之间的时间，但需满足如下条件：•（1）时间己知•（2）历书己知•（3）无星历（或数据存在时间超过4小时）•（4）位值距上次定位点100公里以内•热启动TTFF定义：接收机加电至其第一次捕获有效导航数据点之间的时间，但需满足如下条件：•（1）时间己知•（2）历书己知•（3）星历己知•（4）位值距上次定位点100公里以内•捕获灵敏度：是发生在“第一次定位”时能够接收到的最低功率水平。该灵敏度的子集包括了在冷启动、温启动和热启动条件下的独立测量值•跟踪灵敏度：就是接收机能够连续保持锁定所需要的最低功率水平。跟踪阈值与由接收机锁相环（PLL）跟踪环路中的误差源而导致的测试误差有关密切的关系。相位误差、动态应力误差和热噪声是主要的误差来源。将这些因素减至最小可以使接收机能够以更低的功率连续跟踪信号。•在任何情况下，跟踪阈值应低于捕获灵敏度。•重捕获时间：指接收机在丢失所有接收信号状态下，重新接收到信号到获得第一个有效导航数据点所需的时间。