GPS原理及其应用

GPS原理及其应用主讲刘云GPS定义GPS的英文全称是：NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem测量用户的PVT：Position(三维位置)Velocity(三维速度)Time(时间)日常生活中的GPS3日常生活中的GPS车载手机4日常生活中的GPSDeray的北京到巴黎單車旅行（）GPS定位技术与应用5目前，拥有定位系统的国家或地区:美国——GPS(始建于1973年)俄罗斯——GLONASS（始建于1978年目前在轨道上只有6颗星可用）欧盟——Galileo(伽利略计划)（始建于2002年）日本——准天顶卫星系（2008年投入使用）中国——北斗导航定位卫星（2002年已应用，07年5月25日，我国第三颗“北斗一号”卫星发射成功，6月1日，我国自主研发的“北斗运营服务平台”正式开通，这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。GPS系统的特点:1、全球，全天候工作2、功能多，应用广3、测站之间无需通视4、定位精度高，隐蔽性好5、观测时间短6、提供三维坐标7、操作简便8、免费、容易有人说过，只有我们想不到的，没有GPS做不到的。有人预言，GPS将改变我们的生活方式。空间星座部分（空间部分）地面支撑系统（地面监控部分）GPS接收机（用户部分）空间部分由24颗GPS卫星组成地面监控系统由监测站、主控站、注入站组成用户部分由GPS接收机组成监测站注入站主控站GPS卫星系统的组成GPS系统的组成由21颗工作卫星和3颗备用卫星。空间部分空间部分24颗卫星（21+3）6个轨道平面（相互交角60°）55º轨道倾角(相对于赤道面)20200km轨道高度（地面高度）11h58min（恒星时）轨道周期5h7min出现在地平线以上（每颗星）GPS系统中卫星的作用①用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。②在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站不断发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过GPS信号电路，适时地和发送给广大用户。③接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。GPS地面监控部分1个主控站3个注入站5个监测站斯平士阿松森岛狄哥·伽西亚卡瓦迦兰夏威夷岛太平洋印度洋大西洋用户设备空间部分（24星）单工不断发出测距波5个监控站3个注入站1个主控站双工单工地面监控系统地点：位于科罗拉多的斯平士(ColoradoSprings)的联合空间执行中心(CSOC)(1)主控站设备：主控站拥有大型电子计算机，用作数据采集、计算、传输、诊断、编辑等。作用：（一）采集数据（二）编辑电文（三）诊断功能（四）调整卫星(2)注入站地点：三个站分别设大西洋的阿松森(Ascension)岛、印度洋的狄哥·伽西亚(DiegoGarcia)和太平洋的卡瓦迦兰(Kwajalein)的三个美国军事基地上。设备：一台直径3.6m的天线，一台S波段发射机和一台计算机。作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户，这就是所用的广播星历。此外，注入站能主动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。(3)监测站作用：对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，并向主控站提供观测数据。设备：监控站有双频GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和三大洋的美军基地上，保证了全球GPS定轨的精度要求。由这五个监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。地点：五个监测站：除一个主控站、三个注入站兼作外，还有一个在夏威夷岛=用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度GPS用户部分用户部分包括用户组织系统和根据要求安装相应的设备，但其中心设备是GPS接收机。它是一种特制的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。GPS用户设备GPS接收机硬件机内软件GPS数据的后期处理软件天线单元接收单元前置放大器接收天线TOPCON产品LeicaGPS接收机南方仪器厂图片：导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机图片：大地型GPS接收机单频机双频机1.GPS卫星信号的组成GPS定位的基本原理卫星信号载波信号(L1，L2)测距码(P码,C/A码)数据码(导航电文或D码)（1）载波信号L1载波，波长λ=19.03cm，频率f1=1575.42MHZL2载波，波长λ=24.42cm，频率f2=1227.6OMHZ。（2）测距码C/A码（粗码/捕获码）：调制在L1载波上。结构公开，不同的卫星有不同的C/A码。P码（精码）：调制在L1和L2载波上。（3）数据码（D码）（导航电文）提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。GPS的常用坐标系--WGS--84世界大地坐标系：原点是地球的质心Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球北极（CTP）方向X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP相对应的赤道的交点Y轴垂直于ZOX平面且与Z、X轴构成右手坐标系协议地球北极CTPZWGS-84YWGS-84XWGS-84国际时间局(BIH)定义的零子午圈O地球质心协议地赤道球GPS定位原理(X,Y，Z)ρ1ρ2ρ3(x1,y1，z1)(x2,y2，z2)(x3,y3，z3)利用三个以上卫星的已知空间位置，交会出地面未知点（用户接收机）的位置。测距的方法码相位(伪距法)测距测量载波相位差测距ρ12=(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2ρ22=(X–X2)2+(Y–Y2)2+(Z–Z2)2ρ32=(X–X3)2+(Y–Y3)2+(Z–Z3)2通过导航电文解译出三颗卫星的坐标，通过测量求出三颗卫星到测站的距离ρ，用距离交会即可求出测站点的坐标（X,Y，Z）。距离测定原理XllVlXllVl距离测定原理XllVl距离测定原理XllVl距离=传播时间x光速距离测定原理GPS采用的单程测距原理（单工通信）。这就要求卫星时钟与接收机时钟要严格同步。但实际上，两者难于严格同步，因此存在不同步误差，另外，测距码在大气中传播还受到大气电离层折射及大气对流层的影响，产生延迟误差。因此，测距码所求得距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称其为“伪距”。由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响，可以通过导航电文中所给的有关参数加以修正，而接收机的钟差却难以预先准确地确定，所以把接收机的钟差当作一个未知数，与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出4个未知参数，即3个点位坐标分量和1个钟差参数，所以至少同时观测4颗卫星。伪距测量与载波相位测量（1）伪距测量伪距——由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值，因此一般称量测出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距；用P码进行测量的伪距为P码伪距。(C/A码与P码都是伪随机码)伪随机码作用：（1）多星共享信道（2）测传输时差扩频通信基础知识扩频通信基础知识--伪随机码伪随机码具有良好的自相关特性及互相关特性M序列（一种伪随机码）的自相关函数扩频通信技术基础知识窄带信号扩频码扩频码信号合并宽带信号噪声噪声+宽带信号信号与噪声分离tP(t)P(t)P(t)P(t)P(t)tttt9.6K9.6K1.2288M1.2288M扩频系统原理示意(1)1.25MHz30KHzPoweris“Spread”OveraLargerBandwidth扩频系统原理示意(2)许多码信道被单独扩展,然后加在一起,形成一个“复合信号”扩频系统原理示意(3)UNWANTEDPOWERFROMOTHERSOURCES使用“正确”的数学序列可以将任一个码信道从接收到的复合信号中抽去出来.扩频/解扩频白噪声突发干扰扩频前信号扩频后信号解扩后信号解扩前信号白噪声突发干扰S(f)fS(f)fS(f)fS(f)f系统所允许的最大干扰电平解调门限扩频/解扩原理－频域解释功率谱可以给所有用户共享的功率增益其他用户干扰信号EchipEb/No=Ec/Io×增益扩频技术+1-1+1-1-1-1-1+1+1+1扩频解扩频符号码片数据扩频码扩频码数据1001011011001扩频后的信号扩频技术-1-1-1+1+1+1解扩干扰信号数据-1+1-1+1其他的经过扩频后的信号积分后的结果+8-8110110011101100111111111扩频后的信号扩频码信号噪声测距码伪距测定D=V(dT)测距伪随机码每一卫星播发一个伪随机测距码信号，该信号大约每1毫秒播发一次接收仪同时复制出一个同样结构的信号并与接收到的卫星信号进行比较。由信号的延迟时间(dT)推算出卫星至接收仪的距离接收仪时钟应与卫星钟校时dT接收到的卫星测距码接收仪复制出的测距码一个简单的CDMA发射机--仲恺通信原理试验箱方案扩频1信号发生器1GOLD序列发生器PSK调制器1TX-CW(10.7M)功放SIGNGOLDS-KPPSKTXSIGN:1Kbit/S的信息码GOLD:100Kbit/S的GOLD码(一种伪随机码)S-KP:被伪随机码扩频后的信息码码(一种伪随机码)PSK:二进制调相信号。乘法器1乘法器3乘法器2扣码电路GOLD序列发生器3超前1/2位滞后1/2位GD-TXGD-CQGD-ZHGOLD3置位VCO-CVCO门限判决TX3判断是否停止扣码BPF1BPF2BPF3包络检波1包络检波2包络检波3TX1TX2CQ1CQ2减法器ZH1ZH2PSK解调差分译码高放载波提取CQ3ZH3RX汉明解码相应的CDMA接收机Gold同步Gold同步捕获:使本地产生的Gold码与接收到的Gold码相位误差小于1个码片跟踪:在捕获的基础上，完全对准接收信号Gold码与本地Gold码。Gold同步是接收机的关键部分。接收机组成：Gold同步（扩频码的捕获和跟踪）、载波提取、PSK解调和差分译码、汉明解码。Gold同步对于GPS的意义：可确定电播传播时延。Gold同步的分步实现：Gold同步第一步：捕获包络检波解扩时钟PN码发生器扣码BPF门限判决解调滑动相关捕获原理Gold同步第二步：跟踪PN码的跟踪包络检波BPF包络检波BPF∑环路滤波压控时钟PN码发生器)(t)(t＋－伪距法定位的优缺点1)定位速度快。2)无多值性问题。3)可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。4)一次定位精度不高，（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差约为20～30m）。D=cTN载波相位测距载波相位观测载波L1的波长为19cm，L2的波长为24cm接收仪将接收到的卫星载波信号的相位与其自身产生的参考载波信号的相位进行比较接收仪开机后，相位整周数未知(带有整周模糊度)跟踪卫星时间较长时距离的变化可以测定(整周数保持不变)T接收到的卫星相位接收仪复制出的相位载波相位测距的优缺点波长：L1信号的波长为19.03cm。L2信号的波长为24.42cm。载波相位测量属于非码信号测量系统优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度，目前可达到1～2mm。缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使解算过程比较复杂。GPS模块市场上的GPS模块很多，大致可分为三种：单点模式产品，如MOTOROLAM12、GARM