现代导航技术大作业(GPS)

《导航技术基础》课程论文1GPS导航综述报告学号：1010200219，姓名：赵玲摘要：本文针对GPS导航技术，由GPS的发展历程进一步介绍了GPS系统的组成部分，基本工作原理和定位方法。最后，在此基础上指出GPS的特点，并根据其特点列举了GPS的应用领域。关键词：GPS导航、定位、测距一.引言导航的定义是“使运载体或人员从一个地方到另一个地方的科学”。在日常生活中，我们每一个人都会进行某种形式的导航。驱车去上班或步行去商店需要我们使用基本的导航技能。对于我们大多数人来说这些技能需要我们的眼睛、常识和地标。然而在一些情况下，需要更精确的知道我们的位置、预期的航向或达到期望目的地所需的时间，此时便需要不同于地标的导航装置。这些导航装置也许是一个简单的时钟，以确定经过已知距离的速度；或者是汽车的里程表，以随时保持行驶的距离。其他一些导航装置要发射电子信号，因而更复杂一些。这些导航装置称为无线电导航装置。全球卫星定位系统（GlobalPositioningSystem简称GPS）是随着现代航天及无线电通讯科学技术的发展建立起来的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时的多功能系统。它利用位于距地球2万多公里高的由24颗人造卫星组成的卫星网（即所谓“天网”），向地球不断发射定位及时间信号。地球上的任何一个GPS接收机，只要接收到四颗以上的卫星发出的信号，经过计算处理后，就可报出GPS接收机（目标）的位置（经度、纬度、高度）、时间和运动状态（速度、航向）。数据会适时地通过无线通讯网链传送至主控制基地中心，而后面具有强大地理信息处理、查询功能的电子地图上进行运动轨迹的显示，并能对准确位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询，以确保车辆的安全，方便调度管理，提高远营效率。该系统适用于公安、银行、部队、机场对车辆的监控和调度管理。二.发展历程1958年底美国海军武器实验室就着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem－NNSS）。该系《导航技术基础》课程论文2统中，卫星的轨道都通过地极，故也称“子午（Transit）卫星系统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划。这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NAVSTAR/GPS），简称“全球定位系统”（GPS）。GPS计划经历了方案论证（1974～1978年），系统论证（1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶段，总投资300亿美元。整个系统分为卫星星座、地面监测控制系统和用户设备三大部分。论证阶段发射了11颗BlockⅠ型GPS实验卫星（设计使用寿命为5年）；在试验生产阶段发射了28颗BlockⅡ型和BlockⅡA型GPS工作卫星（第二代卫星的设计使用寿命为7.5年）；第三代改善型GPS卫星BlockⅡR和BlockⅢ型GPS工作卫星从90年代末开始发射计划发射20颗，以逐步取代第二代GPS工作卫星，改善全球定位系统。鉴于国际卫星导航系统GNSS的迅速发展，以及现行GPS系统的完整性、连续性、可行性和抗干扰性能有待改进的事实，美国政府决心对GPS系统核心部分进行现代化，主要包括：增加GPS两个新的民用频率，提高GPS卫星集成度，增强GPS无线电信号强度，改进导航电文、改善导航定位精度、提高可靠性和强化GPS抗干扰能力。三.GPS系统组成由三大部分组成，即空间部分（GPS卫星星座）、地面监控部分、用户设备部分。如图3.1所示：图3.1GPS系统组成1、空间部分GPS系统的空间部分是指GPS工作卫星星座，其由24颗卫星组成，其中《导航技术基础》课程论文321颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个地心轨道平面内，每个轨道面4颗卫星。各轨道接近于圆形，而且沿赤道以60°间隔均匀分布，相对于赤道面的倾斜角额定55°，轨道半径（即从地球质心到卫星的额定距离）大约为26600km。卫星运行周期为11小时58分（恒星时），同一轨道上的各卫星的升交角距为90°。GPS卫星的上述时空配置，基本保证了地球上任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足地面用户实时全天候精密导航和定位。GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星带有四台高精度原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。GPS卫星上设有微处理机，可以进行必要的数据处理工作，它主要的3个基本功能：根据地面监控指令接收和储存由地面监控站发来的导航信息，调整卫星姿态、启动备用卫星；向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息；通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。2、地面监控部分由5个地面站组成。1个主控站，其位于美国本土科罗拉多斯平土（ColoradoSpings）的联合空间执行中心CSOC，3个注入站，其分别设在印度洋的迭哥加西、南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡瓦加兰。5个监控站，其中4个与主控站、注入站重叠，另外一个设在夏威夷。主控站的主要任务为：根据各监控站提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历、卫星钟差、和大气层修正参数并把这些数据传送到注入站；提供GPS系统的时间标准；调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；启用备用卫星以取代失效的工作卫星。注入站的主要任务为：在主控站的控制下，把主控站传来的各种数据和指令等正确并适时地注入到相应卫星的存储系统。监测站的主要任务为：给主控站编算导航电文提供观测数据，每个监控站均用GPS信号接收机，对每颗可见卫星每6秒钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，并采集气象要素等数据。3、用户设备部分即GPS信号接收机，由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。其主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导《导航技术基础》课程论文4航和定位信息及观测量，根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息[3]。四.基本工作原理及定位方法4.1到达时间（TOA）测距原理GPS利用到达时间（TOA）测距原理来确定用户的位置。这种原理需要测量信号从已知的发射源发出至到达用户接收机所经历的时间。将这个信号传播时间乘以信号的速度，便得到从发射源到接收机的距离。接收机通过测量从多个位置已知的发射源所广播的信号的传播时间，利用多球相交于一点的原理便能通过几何计算确定自己的位置[1]。如图4.1所示：图4.1三球到达时间测距原理在卫星导航系统中，卫星的位置是通过星历来计算的，只要星历够精确，卫星的位置就能够精确可知，因此卫星可以作为位置已知的信号源。接收机需要同时接收多个卫星广播的信号，然后经过计算得出自己所在地的经纬度和高度。4.2GPS卫星信号4.2.1GPS卫星的测距码信号GPS卫星发射的测距码信号包括C/A码和P码，它们都是二进制伪随机噪声序列，具有特殊的统计性质。《导航技术基础》课程论文5C/A码由两个10级反馈移位寄存器相组合产生。C/A码码长1023bits，码源宽度0.97752μs，周期1ms，数码率BPS1.023Mbits/s[2]。P码是和C/A码对应的精测码，其由2个伪随机码PN1（t）和PN2（t）的乘积所得。码长141035.2bit，码源宽度0.97752μs，周期267d，数码率BPS10.23Mbit/s[2]。码相关伪距测量原理是通过调整自相关函数的值，测定测距码信号由卫星到达测站的传播时间实现的。4.2.2GPS卫星导航电文GPS卫星导航电文主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码的信息，导航电文的基本单位是“帧”，各子帧电文的主要内容包括遥控字、交接字、数据块I、数据块II、和数据块III。导航电文同样以二进制码的形式播送给用户[2]。4.2.3载波信号GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号，卫星离地面远，其电能又非常紧张，因此很难将上述数码率很低的信号传输到地面，解决办法就是发射另一种高频信号将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上，构成一高频的已调波发射给地面。4.3GPS信号接收机基本工作原理GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的空间信息资源。陆地、海洋和空间的广大用户只要持有一种能够接受、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，就可以测定用户的七维状态参数（三维坐标、三维速度和时间）以及三维姿态参数[1]。GPS接收机主要由天线单元、接收单元和电源三部分组成。其工作原理如图4.3.1所示：《导航技术基础》课程论文6图4.3.1GPS接收机工作原理接收机天线对GPS卫星信号进行接收，并将卫星信号转化为相应的电流，电流信号再经前置放大器放大，放大后的信号由变频器和中频放大器将L频段的射频信号变成低频信号；由接收单元的信号通道对广播电文数据信号进行解扩、解调，得到导航电文，并由存贮器保存。CPU将得到的各种数据进行粗处理，使用户得到需要的各种导航定位信息。4.4GPS定位方法根据GPS导航定位的方式不同，可分为GPS绝对定位和相对定位，根据接收机天线是否处于运动状态，又可以分为静态定位和动态定位，GPS卫星导航实质上就是广义的GPS动态定位。GPS绝对定位也叫单点定位，即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS－84坐标系中相对于坐标原点（地球质心）的绝对位置。GPS相对定位也叫差分GPS定位，即至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置，它是目前GPS定位中精度最高的一种方法。广泛用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究和精密导航。现在又出现了一种叫载波相位动态实时差分－RTK（Real-timekinematic）技术，实质也就是相对定位，只不过它能快速完成整周模糊度的搜索求解。其基本过程是基准站（已知点）通过数据链将其采集的观测数据和测站信息一起传送给流动站，流动站利用同步采集到的GPS观测数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果。《导航技术基础》课程论文7五.GPS导航的特点及应用GPS导航具有全球全天候定位、定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、仪器操作简便、可提供全球统一的三维地心坐标等特点，决定了GPS导航在下述领域中起着越来越重要的作用。（1）GPS系统能够实施全球性全天候全天时的连续不断的三维导航定位测量；（2）GPS信号能够用于运载体的七维状态参数和三维姿态参数测量；（3）GPS技术的陆地应用：应用范围从休闲的徒步旅行到车队管理；（4）GPS技术的航空应用：名航飞机的在途自主导航；飞机精密着陆；飞机空中加油控制；机群编队飞行的安全保护；航空救援的探索和定点测量等；（5）GPS技术的航天应用：低轨通讯卫星群的实时轨道测量；卫星入轨和卫星回收的实时点位测量；载人航天器在轨防护探测等；（6）GPS技术的海洋应用：远洋船舶的最佳航线测定；远洋船队在途航行的实时调度和监测；海洋救援的探寻和定点测量等。卫星导航技术的发展趋势主要表现在三方面：一是卫星导航的多系统并存，使系统可用性得以提高，应用领域将更广阔；二是多元组合导航技术正在得到推广应用，主要有GPS与移动通信基站定位、陀螺、航位推算技术等的组合应用；三是卫星导航与无线通信等其它高技术相结合，如GPS接收机嵌入到蜂窝电话、便携式PC、PDA和手表等通信、安全和消费类电子产品中，从根本上促进了IT技术的整体发展。六.总结本文针对GPS导航技术经行了综述报告，对GPS系统进行了分析，介绍了GPS的各个组成部分及其作用，对GPS的基本工作原理进行了仔细分析。通过对GPS的深入了解指出了该项技术具有的特点，从而奠定了GPS广泛应用的基础，体现了GPS技术的日渐成熟和在各个领域的重要地位。参考文献1.寇艳红（译）.GP