GPS测量原理及应用(2000-2001-2)

GPS测量原理及应用第一部分GPS原理概要•发展简史•系统组成•工作原理•信号结构•误差来源•定位类型第一章GPS发展简史“哪儿？”与“怎么去？”现代卫星导航定位系统•TRANSIT与CICADA–多普勒导航定位系统•GPS与GLONASS–NAVSTAR-GPS:NAVigationSystemwithTimeAndRanging-GlobalPositioningSystem.（美国）–GLONASS:GLObalNAvigationSatelliteSystem.（俄罗斯）第二章GPS的系统及其信号第一节GPS的系统构成•空间部分•控制部分•用户部分•（地面部分）一、GPS的空间部分•GPS的空间部分是由由GPS卫星所组成的卫星星座所构成。•GPS卫星的类型：–BlockⅠ（实验卫星）–BlockⅡ（正式工作卫星）–BlockⅡA（正式工作卫星）–BlockⅡR（正式工作卫星）–BlockⅡF（正式工作卫星）一、GPS的空间部分（续）•GPS卫星的组成：–原子钟–无线电发射器–计算机一、GPS的空间部分（续）BlockⅠ卫星一、GPS的空间部分（续）BlockⅡ卫星一、GPS的空间部分（续）BlockⅡR卫星一、GPS的空间部分（续）•GPS星座–设计星座：21+3•21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星•6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）•保证在15高度角以上，能够同时观测到4至8颗卫星–当前星座：28颗一、GPS的空间部分（续）GPS卫星星座（=35，=90）一、GPS的空间部分（续）•作用–发送导航定位信息–其他特殊用途（如通讯、检测核暴等）二、GPS的控制部分•组成：主控站、注入站和监测站。•主控站–作用：•收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态•通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令•卫星维护与异常情况的处理二、GPS的控制部分（续）–数量：1–分布：美国克罗拉多州法尔孔空军基地•注入站–作用：将导航电文注入GPS卫星–数量：3–分布：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）二、GPS的控制部分（续）•监测站–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–数量：5–分布：夏威夷、主控站及三个注入站二、GPS的控制部分（续）GPS的控制部分二、GPS的控制部分（续）GPS的控制部分三、GPS的用户部分•GPS信号接收机–采用石英钟•GPS信号接收机的类型–依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型–依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码–依接收伪距码的种类：P码与C/A码–依接收不同频率载波的数量：单频与双频第二节GPS的位置基准与时间基准一、位置基准•概述–坐标系统原点、坐标轴指向、长度基准–惯性系与非惯性系–地心系与参心系一、位置基准（续）•类型–习/惯用天体参照系（ConventionalCelestialReferenceSystem）例：ICRF，IERS(InternationalEarthRotationService)制定，由500颗河外星系的天体所构成–习/惯用地面参照系（ConventionalTerrestrialReferenceSystem）例：ITRF，IERS(InternationalEarthRotationService)制定，由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成一、位置基准（续）•GPS应用中所采用的位置基准–WGS84（WorldGeodeticSystem1984）•广播星历•由美国国防部研制确定，其原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP），X轴指向BIH1984.0的零子午面与CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手系。椭球采用IUGG在第17届大会给出的推荐值：长半轴为6378137，扁率为1/298.257223563。大地水准面模型采用EGM。–ITRFyy•IGS精密星历•Z轴指向CIO，利用SLR、VLBI和GPS等技术维持。•提供站坐标及速度场信息一、位置基准（续）•GPS应用中所采用的位置基准（续）–WGS84与ITRF的关系•WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度•引力常数不同一、位置基准（续）•GPS应用中所采用的位置基准（续）–WGS84与ITRF的关系（续）•转换关系ITRFWGSRXcX84二、时间基准（系统）•时间的起点和时间的长度•时间系统–太阳时与恒星时–力学时–原子时•GPS时–为原子时–1980年1月6日0时与UTC一致–GPS时用GPS周+一周内的秒数来表示三、GPS信号的结构1.GPS信号的组成用于导航定位的GPS信号由三部分组成：•载波（L1和L2）•导航电文•测距码（C/A码和P(Y)码）2.载波•两种频率的正弦波•L1：•L2：cm19MHz,43.15751fcm24MHz,60.12271f3.导航电文•方波•码速：50bps•内容：–广播星历（导航信息）–卫星钟改正–历书（概略星历）–电离层信息–卫星健康状况4.测距码•方波•伪随机噪声码•两种测距码：–C/A码-粗码•码速：1.023MHz•码元长度：300m–P(Y)码-精码•码速：10.23MHz•码元长度：30m4.测距码（续）•测距码的调制5.GPS信号的构成示意图美国降低普通用户导航定位精度的措施•SA-SelectiveAvailability（选择可用性）–-技术：轨道信息加绕（长周期，慢变化）–-技术：卫星钟抖动（高频，短周期，快变化）•AS-Anti-Spoofing（反欺骗）–P码加密，成为Y码第四节GPS的工作原理一、本质•距离后方交会二、工作流程三、距离测定方法•利用测距码测距（伪距测量）•利用载波测距（载波相位测量）第五节伪距测量与载波相位测量•伪距的测定测定伪距的示意图一、伪距测量•测距码•伪距的测定1.测距码•伪随机噪声码（PRN）–模二和–二进制信号•码元、时间周期（TP）与长度周期（LP）•运算规则：–相关系数–随机噪声的自相关性TdttxtxT021)()(1)(的整数倍外的任何数和序列的周期的长度为除，是序列的周期为整数，，当LPjjLPTPiTPi011)(0不同码元的个数相同码元的个数不同码元的个数相同码元的个数)(110,000,101,0111)1(1,111,11)1(,1)1()1(1.测距码（续）•伪随机噪声码（续）–伪随机噪声码•可复制性•生成方式•GPS的测距码–C/A码：码速1.023MHz,TP=1ms,LP=1023,码元长度293.052m–P码：»码速10.23MHz,TP=266天9小时45分55.5秒,LP=235469592765000,码元长度29.3052m。»实际被截为7天一个周期，共38段，每一段赋予不同的卫星，卫星的PRN号也由此得到。2.利用测距码测距•测距原理2.利用测距码测距（续）•利用测距码测距的优点–精度高–无多值性–抗干扰–区分不同卫星3.伪距观测值•伪距观测值)()()()(srsrsrsrsrsssrrrsrsrttcttcttcPttTttTTTcP二、载波相位测量•载波的结构•载波相位的测定•整周模糊度与周跳•载波相位观测值1.载波的结构•正弦波2.载波相位的测定•基本物理原理•测定方法)()()(tttRS)()()(tttR3.整周模糊度与周跳•整周模糊度•整周跳变（周跳）4.载波相位观测值•载波相位观测值)()(~00FrIntNN第六节导航电文•导航电文的内容•导航电文的结构一、导航电文（D码）的内容•卫星星历•时钟改正•电离层时延改正•卫星状态•转换码二、导航电文的结构•基本构成•遥测码与转换码（交接字）•第一数据块•第二数据块•第三数据块1.基本构成第1子帧（第1数据块）第2子帧（第2数据块）第3子帧（第2数据块）第4子帧（第3数据块）第5子帧（第3数据块）第1主帧第2主帧...第1子帧...第5子帧第25主帧导航电文1.基本构成（续）2.遥测码与转换码（交接字）•遥测码（字）–同步码：第1~8bit–遥测电文：第9~22bit–无意义连接比特：第23~24bit–检校：第25~30bit•转换码–Z计数：第1~17bit–特殊标识1：第18bit–特殊标识2：第19bit，同步标识，AS标识–子帧标识：第20~22bit，第几子帧–无意义连接比特：第23~24bit–检校：第25~30bit3.第一数据块•第1子帧•URA系数N–URA：用户测距精度–URA=2N(m)•卫星健康状态•钟龄（IODC）：IODC=toc-tl•群时延Tgd：(△tsv)L1=△tsv-Tgd•星钟改正参数：toc,a0a1a2–△ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)24.第二数据块•第2、3子帧•星历参数–开普勒轨道根数（6个）–轨道摄动参数（9个）•星历参考时刻toe•星历龄期IODE5.第三数据块•第4、5子帧•历书（概略卫星轨道）•卫星健康状态第七节美国政府的GPS政策•原则•措施一、原则•保障国家利益不受损害二、措施•SA–SelectiveAvailability–对卫星轨道参数加扰的技术（低频）–对卫星基准频率加扰的技术（高频）–已于2000年5月1日停止。•AS–Anti-Spoofing–P+WY第8节卫星信号的调制第9节GPS接收机•定义•结构•类型•接收通道•天线一、定义•能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备。二、结构天线前置放大器信号处理器微处理器振荡器控制、显示及存储设备电源二、结构（续）•天线（含前置放大器）•信号处理器•微处理器•显示、控制及存储设备•振荡器•电源三、接收机的类型根据工作原理：码相关型平方型码相位型混合型根据信号通道类型：多通道序贯通道多路复用通道根据接收信号的频率：单频双频根据测定测距码的类型：C/A码P（Y）码根据能否从信号中提取导航电文：有码无码根据用途：导航型测量型守（授）时型四、GPS接收机的信号通道•什么是GPS接收机的信号通道•信号通道的类型•序贯通道、多路复用通道和多通道•码相关型通道、平方型通道和码相位型通道1.什么是GPS的信号通道•是GPS卫星信号经由天线进入接收机的路径•是软硬件的结合体•作用是跟踪、处理和量测卫星信号，获取工作所需的数据和信息2.信号通道的类型•根据跟踪方式–序贯通道–多路复用通道–多通道•根据工作原理–码相关型通道–平方型通道–码相位型通道3.序贯通道、多路复用通道和多通道•序贯通道–1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号–1个跟踪周期大于20ms–成本低，无通道间的延迟误差，无法提取导航电文，无法保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂•多路复用通道–1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号–一个跟踪周期小于20ms–成本低，无通道间的延迟误差，可提取导航电文，可保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂•多通道–1个通道跟踪1颗卫星/频率的信号–性能好–成本高、有通道间的延迟误差4.码相关型通道、平方型通道和码相位型通道•码相关型通道–优点：可以进行伪距和载波相位测量，信号质量好，可获取导航电文–缺点：要了解码的结构•平方型通道–优点：不需要了解码的结构–缺点：信号质量差，无法测定伪距，无法提取导航电文•码相位型通道–优点：不需要了解码的结构–确定：精度低5.全波与半波五、GPS接收机的天线•作用•天线的相位中心1.作用•接收来自卫星的信号•放大•经（频率变换）•用于（跟踪、处理、量测）2.天线的相位中心•天线的几何中心与相位中心–几何中心–相位中心–相位中心偏差•天线相位中心的变化–与信号的高度角有关–与信号的方位角有