智能交通信息采集技術(shù)10-GPS課件講解

GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)介紹GPS是GlobalPositioningSystem（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導(dǎo)航信息。是衛(wèi)星通信技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用典范，極大地提高了地球社會的信息化水平，有力地推動了數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。第一節(jié)基本情況發(fā)展歷史19581973-19791979-19841989-19931994年后基礎(chǔ)技術(shù)研究初步設(shè)計階段全面研制階段實用組網(wǎng)階段全面應(yīng)用階段開始研制衛(wèi)星定位系統(tǒng)(子午儀系統(tǒng))共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機89年第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功；1993年底實用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座已經(jīng)建成全面建成具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)第一節(jié)基本情況基礎(chǔ)概念坐標(biāo)系統(tǒng)是由坐標(biāo)原點位置、坐標(biāo)軸指向和尺度所定義的。在GPS定位中，通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)：一類是在空間固定的坐標(biāo)系，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)。坐標(biāo)系原點一般取地球質(zhì)心，而坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性，為了使用上的方便，國際上都通過協(xié)議來確定某些全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸指向，這種共同確認的坐標(biāo)系稱為協(xié)議坐標(biāo)系。為了確定用戶接收機的位置，GPS衛(wèi)星的瞬時位置通常應(yīng)化算到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)。GPS坐標(biāo)系統(tǒng)第一節(jié)基本情況基礎(chǔ)概念在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時間系統(tǒng)是精確描述天體和衛(wèi)星運行位置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，也是利用衛(wèi)星進行定位的重要基準(zhǔn)。全球定位系統(tǒng)建立了專用的時間系統(tǒng)，由GPS主控站的原子鐘控制。GPS衛(wèi)星作為高空觀測目標(biāo)，位置不斷變化，在給出衛(wèi)星運行位置同時，必須給出相應(yīng)的瞬間時刻。例如當(dāng)要求GPS衛(wèi)星的位置誤差小于1cm，則相應(yīng)的時刻誤差應(yīng)小于2.6X10-6S。準(zhǔn)確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測定信號的傳播時間。若要距離誤差小于1cm，則信號傳播時間的測定誤差應(yīng)小于3X10-11S。時間系統(tǒng)第一節(jié)基本情況基礎(chǔ)概念衛(wèi)星在空間運行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。衛(wèi)星作為位置已知的高空觀測目標(biāo)，在進行絕對定位時，衛(wèi)星軌道誤差將直接影響用戶接收機位置的精度。在相對定位時，當(dāng)基線較長或精度要求較高時，軌道誤差影響不可忽略。為了制訂GPS測量的觀測計劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號，也需要知道衛(wèi)星的軌道參數(shù)。衛(wèi)星軌道第一節(jié)基本情況基礎(chǔ)概念衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運動軌道的信息，是一組對應(yīng)某一時刻的軌道根數(shù)及其變率。衛(wèi)星星歷能精確計算、預(yù)測、描繪、跟蹤衛(wèi)星、飛行體的時間、位置、速度等運行狀態(tài)；能表達天體、衛(wèi)星、航天器、導(dǎo)彈、太空垃圾等飛行體的精確參數(shù)；能將飛行體置于三維的空間；用時間立體描繪天體的過去、現(xiàn)在和將來。根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計算出任一時刻的衛(wèi)星位置及其速度，GPS衛(wèi)星星歷分為預(yù)報星歷和后處理星歷。預(yù)報星歷：外推的星歷；實時提供；精度不高。后處理星歷：計算后所得星歷；事后提供；精度較高，達分米。衛(wèi)星星歷第一節(jié)基本情況基礎(chǔ)概念GPS衛(wèi)星所發(fā)射信號包括載波信號、P碼（或Y碼）、C/A碼和數(shù)據(jù)碼（或D碼）等多種信號分量，而其中P碼和C/A碼統(tǒng)稱為測距碼。隨機噪聲碼：一種非周期性序列，無法復(fù)制，但其自相關(guān)性好；相關(guān)性的好壞，對提高利用GPS衛(wèi)星碼信號測距精度，極其重要。偽隨機噪聲碼：具有隨機碼的良好自相關(guān)性，又具有某種確定的編碼規(guī)則，是周期性的，容易復(fù)制。衛(wèi)星信號第一節(jié)基本情況基礎(chǔ)概念用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽隨機碼，由兩個10級反饋移位寄存器組合而產(chǎn)生。C/A碼的碼元寬度大，假設(shè)兩序列的碼元對齊誤差為為碼元寬度的1/10~1/100，則相應(yīng)的測距誤差為29.3~2.93m。由于精度低，又稱粗碼?？晒┟裼枚ㄎ?。C/A碼第一節(jié)基本情況基礎(chǔ)概念P碼是衛(wèi)星的精測碼，碼率為10.23MHZ，產(chǎn)生的原理與C/A碼相似，但更復(fù)雜，發(fā)生電路采用的是兩組各由12級反饋移位寄存器構(gòu)成。P碼的周期長，267天重復(fù)一次。P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)航電文信息，捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的距離誤差為0.29m，僅為C/A碼的1/10，故P碼稱為精碼。P碼是專為軍用。P碼第一節(jié)基本情況基礎(chǔ)概念GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。導(dǎo)航電文包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息。導(dǎo)航電文又稱為數(shù)據(jù)碼（或D碼）。導(dǎo)航電文也是二進制碼，依規(guī)定格式組成，按幀向外播送。每幀電文含有1500比特，播送速度50bit/s，每幀播送時間30s。導(dǎo)航電文第一節(jié)基本情況第二節(jié)定位原理空間部分控制部分用戶部分空間部分GPS的空間部分是由24顆工作衛(wèi)星組成，位于距地表20~200km的上空，均勻分布在6個軌道面上(每個軌道面4顆)，軌道傾角為55°。此外，還有3顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息。第二節(jié)定位原理控制部分地面控制部分由主控站、監(jiān)測站和注入站組成，主控站位于美國科羅拉多州春田市。地面控制站負責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計算衛(wèi)星星歷、相對距離、大氣校正等數(shù)據(jù)。第二節(jié)定位原理用戶部分用戶設(shè)備部分即GPS信號接收機，主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當(dāng)接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分，硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。第二節(jié)定位原理觀測值計算導(dǎo)航電文衛(wèi)星軌道和鐘差參數(shù)主控站監(jiān)測站注入站GPS用戶第二節(jié)定位原理GPS用戶設(shè)備主要包括GPS接收機及其天線、微處理機及其終端設(shè)備和電源等。接收機和天線是核心部分，習(xí)慣上統(tǒng)稱為GPS接收機。主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，并進行處理，獲取導(dǎo)航電文和必要的觀測量。GPS接收機數(shù)據(jù)存儲器外部傳輸電源微處理器導(dǎo)航計算機用戶信息傳輸信號處理器振蕩器天線前置放大器第二節(jié)定位原理接收機捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并能夠跟蹤這些衛(wèi)星的運行。接收機對所接收到的GPS信號，具有變換、放大和處理的功能，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。GPS信號接收機不僅需要功能較強的機內(nèi)軟件，而且需要一個多功能的GPS數(shù)據(jù)測后處理軟件包。接收機加處理軟件包，才是完整的GPS信號用戶設(shè)備。GPS接收機第二節(jié)定位原理測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到。由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進一個Δt即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。第二節(jié)定位原理D1W1D1D2W1W2D1D2D3W3W1W2第二節(jié)定位原理絕對定位原理以GPS衛(wèi)星和用戶接收機天線之間的距離觀測量為基準(zhǔn)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時坐標(biāo)，來確定用戶接收機所在的位置；實質(zhì)是空間距離后方交會，又稱偽距離測量。動態(tài)絕對定位：當(dāng)用戶接收設(shè)備安置在運動的載體上，確定載體瞬時絕對位置的定位方法。靜態(tài)絕對定位：當(dāng)接收機天線處于靜止?fàn)顟B(tài)時，來確定觀測站絕對坐標(biāo)的方法。由于偽距有測碼偽距和測相偽距之分，所以絕對定位又可分為測碼偽距絕對定位和測相偽距絕對定位。第二節(jié)定位原理相對定位原理靜態(tài)相對定位：用兩臺接收機分別安置在基線的兩端點，其位置靜止不動，同步觀測相同的4顆以上GPS衛(wèi)星，確定基線兩端點在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對位置。采用載波相位觀測量為基本觀測量。優(yōu)點：精度高。缺點：觀測時間長。第二節(jié)定位原理相對定位原理動態(tài)相對定位：用兩臺GPS接收機，將一臺接收機安設(shè)在基準(zhǔn)站上固定不動，另一臺接收機安置在運動的載體上，兩臺接收機同步觀測相同的衛(wèi)星，通過在觀測值之間求差，以消除具有相關(guān)性的誤差，提高定位精度。而運動點位置是通過確定該點相對基準(zhǔn)站的相對位置實現(xiàn)的定位方法。動態(tài)相對定位又分以測距碼偽距為觀測值的動態(tài)相對定位和以載波相位為觀測值的動態(tài)相對定位。測碼偽距相對動態(tài)定位：是由安置在基準(zhǔn)點的接收機測量出該點到GPS衛(wèi)星的偽距，利用衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離求差，將差值作為距離改正數(shù)傳送給用戶接收機，用戶就得到了一個偽距改正值，可有效地消除或削弱一些公共誤差的影響的方法。載波相位動態(tài)相對定位：是通過將載波相位修正值發(fā)送給用戶站來改正其載波相位實現(xiàn)定位的，或是通過將基準(zhǔn)站采集的載波相位觀測值發(fā)送給用戶站進行求差解算坐標(biāo)實現(xiàn)定位。其定位精度在小區(qū)域范圍內(nèi)(<30km)可達1-2cm，是一種快速且高精度的定位法。第二節(jié)定位原理差分GPS測量原理由用戶接收基準(zhǔn)站發(fā)送的改正數(shù)，并對其測量結(jié)果進行改正以獲得精密定位結(jié)果。差分GPS根據(jù)其系統(tǒng)構(gòu)成的基準(zhǔn)站個數(shù)可分為單基準(zhǔn)差分、多基準(zhǔn)的局部區(qū)域差分和廣域差分。根據(jù)信息的發(fā)送方式又可分為偽距差分、相位差分及位置差分等。無論何種差分，其工作原理基本相同；區(qū)別在于發(fā)送改正數(shù)的內(nèi)容不同，其定位精度不同，差分原理也有所不同。第二節(jié)定位原理單基準(zhǔn)站差分GPS是根據(jù)一個基準(zhǔn)站所提供的差分改正信息對用戶站進行改正的差分GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、無線電數(shù)據(jù)通迅鏈、用戶站三部分組成?；鶞?zhǔn)站：在已知點(基準(zhǔn)站)上配備GPS衛(wèi)星信號接收機，并具備計算差分改正和編碼功能的軟件。無線電數(shù)據(jù)通風(fēng)鏈：編碼后的差分改正信息是通過無線電通訊設(shè)備傳送給用戶的，將這種無線電通訊設(shè)備稱為數(shù)據(jù)通訊鏈，它由基準(zhǔn)站上的信號調(diào)制器、無線電發(fā)射機和發(fā)射天線以及用戶站的差分信號接收機和信號解調(diào)器組成。用戶站：用戶站GPS接收機，用戶站還應(yīng)有用于接收差分改正數(shù)的無數(shù)電接收機、信號解調(diào)器、計算軟件及相應(yīng)的接口設(shè)備等。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)和算法都較為簡單。單基準(zhǔn)差分原理第二節(jié)定位原理在一個較大的區(qū)域布設(shè)多個基準(zhǔn)站，以構(gòu)成基準(zhǔn)站網(wǎng)，位于該區(qū)域中的用戶根據(jù)多個基準(zhǔn)站所提供的改正信息經(jīng)平差計算后求得用戶站定位改正數(shù)，稱局部區(qū)域差分GPS系統(tǒng)。各基準(zhǔn)站以標(biāo)準(zhǔn)化的格式發(fā)射改正信息，而用戶接收機接收各基準(zhǔn)站的改正量，并取其加權(quán)（用戶站與基準(zhǔn)站的相對位置來確定）平均，作為用戶站的改正數(shù)。要求多倍的通信帶寬，效率較低。根據(jù)各基準(zhǔn)站的分布，預(yù)先在網(wǎng)中構(gòu)成以用戶站與基準(zhǔn)站的相對位置為函數(shù)的改正數(shù)的加權(quán)平均值模型，并將其統(tǒng)一發(fā)送給用戶。這種方式不需要增加通信帶寬，是一種較為有效的方法。優(yōu)點：可靠性和精度均有所提高。局部區(qū)域差分原理第二節(jié)定位原理在一個相當(dāng)大的區(qū)域中用相對較少的基準(zhǔn)站組成差分GPS網(wǎng)，各基準(zhǔn)站將求得的距離改正數(shù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一處理，將各種GPS觀測誤差源加以區(qū)分，然后再傳送給用戶的差分方法。廣域差分GPS系統(tǒng)主要對星歷誤差、大氣延時誤差、衛(wèi)星鐘差誤差的誤差源加以分離，并單獨對每一種誤差源分別進行“模型化”。系統(tǒng)主要由主站、監(jiān)測站、數(shù)據(jù)通信鏈和用戶設(shè)備組成。具有較均勻的精度分布，在其覆蓋范圍內(nèi)任意地區(qū)定位精度大致相當(dāng)，而且定位精度較區(qū)域差分GPS系統(tǒng)高。使用的硬件設(shè)備及通信工具昂貴，軟件技術(shù)復(fù)雜，運行和維持費用較高。廣域差分差分原理第二節(jié)定位原理通過在基準(zhǔn)站上利用已知坐標(biāo)求出測站至衛(wèi)星的距離，并將其與含有誤差的測量距離比較，然后利用一個濾波器將此差值濾波并求出其偏差，并將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距求出自身的坐標(biāo)。由于差分定位是利用兩站公共誤差的抵消來提高定位精度，而其誤差的公共性與兩站距離