Chpt5全球定位技术

第5章全球定位技术昆明理工大学国防科技大学2020/5/133S2主要内容5.1什么是GPS5.2GPS系统的组成和性能5.3GPS定位的相关概念5.4定位原理5.5其他相关定位概念5.6GPS定位技术的应用5.7小结2020/5/133S35.1什么是GPSGPS的名称？NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem（NAVSTARGPS）导航星测时与测距全球定位系统全球定位系统建立美国开始筹建时间：1973年完全建成时间：1995年2020/5/133S45.1什么是GPS-常规定位常规的地面定位方法不足需要事先布设大量的地面控制点/地面站观测受气候、环境条件限制观测点之间需要保证通视2020/5/133S55.1什么是GPS-子午卫星系统什么是子午卫星系统？NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制、建立，1964年1月建成，1967年7月解密供民用。2020/5/133S65.1什么是GPS-子午卫星系统NNSS的系统组成卫星星座：由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分：多普勒接收机应用领域海上船舶的定位大地测量单点定位精度：10m；联测定位：0.5m。2020/5/133S75.1什么是GPS-子午卫星系统子午卫星子午卫星星座大地测量多普勒接收机-1（MX1502）大地测量多普勒接收机-2（CMA751）多普勒联测定位多普勒单点定位2020/5/133S85.1什么是GPS-子午卫星系统系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务导航定位精度低卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低，难以进行精密定轨2020/5/133S95.2GPS系统的组成GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分2020/5/133S105.2GPS系统的组成-GPS的空间部分1.GPS的空间部分GPS卫星星座6个轨道面，每个轨道4颗星21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星平均轨道高度20200km轨道倾角55周期11h58min保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：28颗2020/5/133S115.2GPS系统的组成-GPS的空间部分2020/5/133S125.2GPS系统的组成-GPS的空间部分2020/5/133S135.2GPS系统的组成-GPS的空间部分GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通信、监测核暴等主要设备太阳能电池板原子钟信号生成与发射装置2020/5/133S145.2GPS系统的组成-GPS的空间部分BlockIIRBlockIIABlockIIF2020/5/133S155.2GPS系统的组成-GPS的地面监控部分2.GPS的地面监控部分组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通信与辅助系统2020/5/133S165.2GPS系统的组成-GPS的地面监控部分GPS卫星注入站监测站主控站2020/5/133S175.2GPS系统的组成-GPS的地面监控部分GPS地面监控系统的分布监控站主控站注入站夏威夷科罗拉多阿松森迭哥加西亚卡瓦加兰2020/5/133S185.2GPS系统的组成-GPS的地面监控部分监测站（5个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作；收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。2020/5/133S195.2GPS系统的组成-GPS的地面监控部分注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。监控站主控站注入站2020/5/133S205.2GPS系统的组成-GPS的用户组成3.GPS的用户部分组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备2020/5/133S215.2GPS系统的组成-GPS的用户组成GPS信号接收机组成天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源信号通道微处理器输入输出存储器电源2020/5/133S225.3GPS定位的相关概念卫星星历GPS卫星信号GPS接收机及其类型2020/5/133S235.3GPS定位的相关概念-卫星星历什么是卫星星历？卫星星历是描述卫星运动轨道的信息一组对应于某一时刻的卫星轨道参数及其变率根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度GPS卫星星历分为：预报星历后处理星历2020/5/133S245.3GPS定位的相关概念-卫星星历预报星历：又称广播星历。用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历。后处理星历：又称精密星历。是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料计算的卫星星历。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息。2020/5/133S255.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（RangingCode）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成关键设备–原子钟2020/5/133S265.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号2020/5/133S275.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号1.载波作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03cmL224.42cm2020/5/133S285.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号载波频率的选择？所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）2020/5/133S295.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号2.测距码作用：测距为伪随机噪声码PRN（PseudoRandomNoise）：具有一定周期的0、1离散码元信号相关性：不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为12020/5/133S305.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号C/A码（Coarse/AcquisitionCode）粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上。C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差，为码元宽度的1/100，则相应的测距误差达2.9m，以因此也称粗码。P（Y）码（PreciseCode）精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上。2020/5/133S315.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号3.GPS导航电文什么是GPS导航电文？包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正等导航信息的数据码(或D码)。是用户用来定位和导航的数据基础。不归零制（NRZ）的二进制码、数据率为50bit/s。调制在载频上。2020/5/133S325.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号4.卫星信号的调制2020/5/133S335.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号调制的基本原理？相位调制频率调制幅度调制2020/5/133S345.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号模二和运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”。000;110;101;0112020/5/133S355.3GPS定位的相关概念-GPS卫星信号二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS2020/5/133S365.3GPS定位的相关概念-GPS接收机类型按接收机的用途分类：导航型接收机：用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。单点实时定位精度较低，一般为±25m，有SA影响时为±100m。车载型；航海型；航空型；星载型。测量型接收机：用于精密大地测量和精密工程测量。采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。授时型接收机：主要用于天文台、地面监控站和无线通信，进行时频同步测定。2020/5/133S375.3GPS定位的相关概念-GPS接收机类型按接收机的用途分类：单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，不能有效消除电离层延迟影响，精度较差。双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。2020/5/133S385.3GPS定位的相关概念-GPS接收机类型根据接收机信号通道类型划分：多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。序贯通道接收机：只有1-2个信号通道。在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道。在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。可保持对卫星信号的连续跟踪。2020/5/133S395.3GPS定位的相关概念-GPS接收机类型按工作原理划分：码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用码相关技术得到伪距观测值。平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。2020/5/133S405.4定位原理如何定位？测距交会原理卫星定位涉及的两个关键数据卫星的位置接收站与卫星的距离222)()()(ZZYYXXSSS已知：卫星坐标S（Xs,Ys,Zs）和站星距离Dn，求站点的坐标。2020/5/133S415.4定位原理-测距方法双程测距用于电磁波测距仪单程测距用于GPS2020/5/133S425.4定位原理-测距方法测距码C/A码（测距时有模糊度）P码2020/5/133S435.4定位原理-伪距的概念及伪距测量伪距的概念？利用测距码测定距离的基本思路：其中c为信号传播速度（光速）；’为站星观察距离。但由于传播时间t中包含有卫星时钟与接收机时钟不同步的误差，测距码在大气中传播的延迟误差等等，因此求得的距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称之为“伪距”，用’表示。与之相对应的定位方法称为伪距法定位。信号传播时间ctc2020/5/133S445.4定位原理-伪距的概念