第2章-GPS系統(tǒng)組成及其結(jié)構(gòu)ppt課件

1、衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用技術(shù),北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院204教研室,秦 紅 磊,電話：01082316491 Email:,第1章: 緒論 第2章: GPS系統(tǒng)概述 第3章: GPS 坐標(biāo)和時間系統(tǒng) 第4章: GPS 衛(wèi)星軌道 第5章: GPS 信號結(jié)構(gòu)和導(dǎo)航電文 第6章: GPS 接收機 第7章: GPS 導(dǎo)航觀測量和誤差分析 第8章: GPS 定位原理 第9章: 整周模糊度技術(shù),GPS系統(tǒng)組成及其結(jié)構(gòu),1.1 GNSS 歷史 1.2 GPS: 全球定位系統(tǒng),第2章 GNSS簡介,GNSS 歷史,1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星。從那時開始，利用衛(wèi)星進行導(dǎo)航和定位的研究引起了各國軍事

2、部門的高度重視,人造衛(wèi)星（Artificial Satellite,子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)歷史（Transit,1959年：子午儀（TRANSIT）, 通常稱為多普勒導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，又稱為海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS:Navy Navigait Satellite System). 這是人類歷史上誕生的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)， 在Dr. Richard Kirschner博士的領(lǐng)導(dǎo)下，由霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制,子午儀（Transit）系統(tǒng)星座,衛(wèi)星數(shù) : 6 軌道數(shù) : 6 離心率 : 0 軌道傾斜角度: 90 衛(wèi)星周期 : 107min 衛(wèi)星高度 : 1075km(600nm) 兩個衛(wèi)星軌道平面之

3、間的夾角: 30,子午儀系統(tǒng)定位原理,子午衛(wèi)星的定位原理是通過測定同一顆衛(wèi)星不同間隔時段其信號的多普勒效應(yīng)，從而確定衛(wèi)星在各時段相對觀察者的視向速度和視向位移，再利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文所給定的t1、t2、t3、t4時刻的衛(wèi)星空間坐標(biāo)，結(jié)合對應(yīng)的視向位移則可解算出測站空間坐標(biāo)P（X，Y，Z,雙曲面 雙曲線點,子午儀系統(tǒng)的缺點,1）一次定位所需時間過長，無法滿足高速用戶的需要。 （2）衛(wèi)星出現(xiàn)時間間隔過長，無法滿足連續(xù)導(dǎo)航的需要。 （3）子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度偏低。這是該系統(tǒng)的致 命缺陷，究其原因主要有三個方面： 衛(wèi)星軌道低 衛(wèi)星信號頻率較低受電離層影響大 子午衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘頻不夠穩(wěn)定,GNSS 歷史

4、,1960年晚些時候，前蘇聯(lián)軍方確認(rèn)需要一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用于規(guī)劃中的新一代彈道導(dǎo)彈的精確導(dǎo)引。當(dāng)時的這套導(dǎo)航系統(tǒng)被稱為MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control). 這套思想于1961年取消,621B 系統(tǒng),空軍的“621B”計劃能在高動態(tài)環(huán)境下工作，為了提供全球覆蓋，621B計劃擬采用34個星座，每個星座由45顆衛(wèi)星組成，中間一顆采用同步定點軌道，其余幾顆用周期為24h的傾斜軌道，每個星座需要一個獨立的地面控制站為它服務(wù)。 該系統(tǒng)的主要問題有兩個： 一是極區(qū)覆蓋問題;二是國外設(shè)站問題，使得系統(tǒng)難以獨立自主安全可靠的運行,GNSS-Timat

5、ion 歷史,Timation”方案采用1218顆衛(wèi)星組成全球定位網(wǎng)，衛(wèi)星高度約10000km，軌道顯圓形，周期為8h，并于1967年5月和1969年11月分別發(fā)射了兩顆試驗衛(wèi)星。 “Timation”計劃基本是一個二維系統(tǒng)，它不能滿足空軍飛機或?qū)椩诟邉討B(tài)環(huán)境下的工作,GNSS 歷史,1969-1972: 海軍提出的計劃稱為“Timation”（時間導(dǎo)航），空軍的計劃名為“621B” 1971-1972: 增加了L2 頻段，允許621B系統(tǒng)對電離層的錯誤修正.,GNSS 歷史,August 1973: 1973 年，12月17日, NAVSTAR GPS被批準(zhǔn), 標(biāo)志著概念的確認(rèn)。 (GPS

6、計劃的第一階段). 這套系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，分布在周期為12小時的傾斜軌道上,GNSS-GPS 歷史,全球定位系統(tǒng)由美國國防部提議并開發(fā)的。 最初的目的是用于軍事應(yīng)用 NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging), GPS的官方名稱,除美國以外的其它定位系統(tǒng),GLONASS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) 蘇聯(lián)國防部 正在更新 GALILEO 歐盟 2008 北斗系統(tǒng) 中國 2008,GPS 簡介,GPS 歷史 GPS 基本功能 GPS 構(gòu)造 GPS 是如何工作的 GPS 誤差源 GPS 應(yīng)用,GPS 歷史,GPS 的簡單歷史 子午儀系統(tǒng)（Transi

7、t System） NavStar (現(xiàn)在稱為 GPS) 開始于 1973 前四顆衛(wèi)星發(fā)射于 1978 GPS的第一次實際應(yīng)用是在1990年的海灣戰(zhàn)爭。 1995年7月17號全面投入運行。 系統(tǒng)耗資 $12 billion GPS 為民用和軍用提供全球服務(wù) 2000年5月，宣布解除SA(Selective Availability,位置和坐標(biāo). 兩點之間的距離和方向. 準(zhǔn)確時間測量,GPS 基本功能,GPS 結(jié)構(gòu),GPS 由三個部分組成 空間部分 (衛(wèi)星) 地面部分 (地面控制網(wǎng)絡(luò)) 用戶部分 (GPS 接收機和用戶,GPS 結(jié)構(gòu),GPS 空間部分,24 顆衛(wèi)星 6個平面軌道 相對于赤道的傾角

8、為 55 軌道之間的間隔為60 距離地區(qū)表面20,200 km 軌道周期11 hr 58 min 5到8顆衛(wèi)星可見,GPS 衛(wèi)星改進,GPS 衛(wèi)星,四個原子鐘 3塊鎳鉻電池 兩塊太陽能電池板 電池充電 電力供應(yīng) 1136 watts S 波段天線控制衛(wèi)星 12 個L 波段天線元用戶通訊 Block IIF 衛(wèi)星(第四代,重量 2370 pounds 高度 16.25 feet 寬度 兩翼展開后為38.025 英尺 設(shè)計壽命10 年 Block IIR 在 Lockheed Martin, Valley Forge, PA 的衛(wèi)星流水線,GPS 衛(wèi)星,每個GPS衛(wèi)星都配備有一個銫原子鐘 精確到

9、3 納妙 (0.000000003 s) 每 360,000 年 +/- 1 妙 地面控制站校正衛(wèi)星 衛(wèi)星校正GPS接收機 衛(wèi)星和接收機之間的不同步超過1/100秒時，誤差可達到 1860 里,GPS 衛(wèi)星,衛(wèi)星信號,容易被遮擋或者被水反射 能夠穿越標(biāo)準(zhǔn)大氣、水蒸氣、云層，長距離傳輸 主要用途就是傳輸時間,導(dǎo)航電文 調(diào)制在L1 和 L2上 50 Hz 整個電文的長度為 1500 bits; 30 sec 含有的信息有: 衛(wèi)星星歷預(yù)報. 衛(wèi)星鐘差校正參數(shù)預(yù)報. GPS 系統(tǒng)狀態(tài)信息. GPS系統(tǒng)電離層模型,衛(wèi)星信號,衛(wèi)星信號,微波波段頻頻; 滿足全天候通訊 L1 波段: 1585.42 MHz

10、L2 波段: 1227.60 MHz L3 波段: 1381.04 MHz L1 和 L2 波段用于定位 偽隨機碼 由毫秒長度的C/A碼重復(fù)編碼，每個C/A碼的長度偽1023個bit,衛(wèi)星信號,衛(wèi)星上的原子鐘產(chǎn)生一個純正弦波 基準(zhǔn)頻率為, fo 10.23 MHz L1 和 L2 載波 f1 = fo x 154 = 1575.42 MHz (19 cm) f2 = fo x 120 = 1227.60 MHz (24 cm) 特定的信息調(diào)制載這些信號上,衛(wèi)星信號,C/A (Course/Acquisition) 碼 調(diào)制載 L1 載波上 1.023 MHz 偽隨機噪聲碼 (PRN) 長度偽

11、1023 bits 重復(fù)周期 1 millisecond 每個碼片對應(yīng)的長度為 300 m 整個序列對應(yīng)的長度為 300 km 每個衛(wèi)星對應(yīng)唯一一個 C/A碼,衛(wèi)星信號,P (Precise or Private) 碼 更加復(fù)雜 調(diào)制在 L1 和 L2上 10.23 MHz PRN code 每個碼片對應(yīng)的長度為 30 m 長度為266.4天 抗欺騙模式（Anti-Spoofing mode）是用加密的W碼與P碼合成Y碼 秘密譯碼,衛(wèi)星信號,無源系統(tǒng) 多個波段的信號允許電離層校正 同時測量多顆衛(wèi)星 民用和軍用分開 抗干擾系統(tǒng) 時實校正系統(tǒng),Kwajalein Atoll,US Space Co

12、mmand,地面控制部分,Hawaii,Ascension Is,Diego Garcia,Cape Canaveral,GPS 控制站,每個衛(wèi)星每隔12小時經(jīng)過地面站一次 地面站接收衛(wèi)星信號 四個地面站向主控戰(zhàn)發(fā)送信息 主控站對哪些需要糾正的信息進行判決 所有的站向衛(wèi)星發(fā)生糾正的信息,軍事. 搜索和營救. 減少天災(zāi). 測量. 海上, 航空和大地導(dǎo)航. 遙控和遙測 衛(wèi)星定位、跟蹤 航行. 地理信息系統(tǒng) (GIS). 娛樂,用戶部分,GPS 接收機,接收機配有石英鐘 ，比原子鐘的精度低很多 至少需要四顆衛(wèi)星 根據(jù)導(dǎo)航電文信息，能夠轉(zhuǎn)換到GPS時 當(dāng)接收到GPS信號時，接收機要復(fù)制C/A碼和P碼，

13、利用補償技術(shù)提取信息。 接收機構(gòu)造類型決定了解碼的可能性，因此也就決定了定位測量的精度,如何工作的,四個未知量: 經(jīng)度 (X) 緯度 (Y) 高度 (Z) 時間 (T) 因此，需要四個衛(wèi)星! 如果知道3個衛(wèi)星，接收機要對用戶的位置進行故測，算出緯度和高度,GPS 如何工作的,24個衛(wèi)星圍繞地球旋轉(zhuǎn),手持接收機,單顆衛(wèi)星用于定位,兩顆衛(wèi)星用于定位,三顆衛(wèi)星用于定位,定位是以時間為依據(jù)的,T + 3,衛(wèi)星與用戶之間的距離 = “3乘以光速,T,信號在“T”時刻離開衛(wèi)星,信號被接收機接收的時刻為 “T + 3,偽隨機噪聲碼,接收機PRN,衛(wèi)星 PRN,時間差,GPS 誤差,遮擋物,遮擋物,多經(jīng), 信

14、號遮擋 (大樓, 山, 樹葉等,信號干擾源,GPS 誤差源,衛(wèi)星軌道擾動 (被稱作星歷) 太陽、月亮的引力; 太陽風(fēng) 大氣信號延遲 電離層、對流層 原子鐘的浮動 接收機質(zhì)量 有缺陷的鐘或者內(nèi)部噪聲 多經(jīng) 多經(jīng)信號反射,選擇有效 (S/A,國防部對衛(wèi)星時間加入了人為的抖動，使得定位精度降低. S/A 最初設(shè)計是為了防止美國的敵對勢力對美國的威脅 2000 年 5月，國防部宣布取消S/A. S/A 隨時被國防部打開,GPS誤差源,標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù) (SPS ): 民間應(yīng)用 誤差源誤差值 衛(wèi)星鐘: 1.5 到3.6 米 軌道誤差: 1 米 電離層: 5.0 到 7.0 米 對流層: 0.5 到 0.7

15、米 接收機噪聲: 0.3 到 1.5 米 多徑: 0.6 到 1.2 米 選擇有效 誤差是累積增加的,GPS 衛(wèi)星幾何分布,衛(wèi)星的幾何分布能夠影響接收機的對信號的接收質(zhì)量和定位的精度. 幾何精度因子 (DOP) 反映了被接收到的衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的相對位置. 5個基本DOP. 位置精度因子是接收機應(yīng)用最廣泛的，決定了接收機的定位質(zhì)量,理想衛(wèi)星精度幾何,N,S,W,E,差分 GPS (DGPS,使用兩個接收機 基站的位置和高度是已知的 移動接收機 信號從衛(wèi)星到用戶的速度由大氣的狀況決定 在基站已知的誤差能夠用于移動接收機 離基站300英里范圍內(nèi)的工作效果最好 兩個接收機的大氣狀況一樣,真實坐標(biāo) =

16、x+0, y+0 校正 = x-5, y+3,DGPS校正 = x+(30-5) and y+(60+3) 真實坐標(biāo) = x+25, y+63,時實差分 GPS,NDGPS 國家差分地面站,National Differential Global Positioning System,Yellow areas show overlap between NDGPS stations. Green areas are little to no coverage. Topography may also limit some areas of coverage depicted here,廣域增強系

17、統(tǒng),同步 WAAS衛(wèi)星,GPS 衛(wèi)星,WAAS 控制站,LAAS,WAAS 控制站,WAAS 的好處是什么,GPS接收機的定位精度，在沒有S/A的情況下，能夠達到15米,在理想情況下，裝備有GPS的WAAS在定位精度95的情況下，能夠獲得3米的定位精度,GPS 測量方法的改進,S/A 于 2000年由國防部關(guān)閉 將定位精度從100m 提高到 1030 m 隨時會開放 使用精密定位服務(wù) 譯碼接收機 時實對測量的值進行平均 高質(zhì)量接收機 差分GPS,GPS 站點,USNO NAVSTAR Homepage Info on the GPS constellation How Stuff Works GPS Good everyday language explanation Trimble GPS tutorial Flash animations GPS Waypoint registry Database of coordinates,Navstar GPS Joint Program / GLONASS http: