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基础知识整理-CannieZhao目录•GNSS/GPS/GIS•各定位系统频率•卫星定位原理•GPS坐标系统和时间系统定义GNSS和卫星导航增强系统：GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem）是新一代星基无线电卫星导航系统，可实现高精度定位。GNSS包含GPS，GLONASS，Galileo（美国），北斗（中国）在GNSS之前还有子午卫星导航系统（美国，1958年）、CICADA（前苏联，1965年）两个系统卫星导航增强系统：为提高卫星导航的完好性，精确性，可用性和服务连续性，通过一些地面、空中或卫星设施，使用差分技术，伪卫星技术，监测手段等，使卫星导航系统总体性能得以提高，由此形成了卫星导航的增强系统。各种增强系统提高性能的措施不尽相同，按GNSS增强系统的组成可划分为：GBAS（地基），星基增强SBAS，空基增强（ABAS）和混合增强系统GPS系统概况GlobalpositioningsystemGPS（1973）系统是一个高精度、全天候和全球性的导航、定位和定时的多功能系统。能为用户提供连续的、实时的位置、速度和时间信息。GPS系统由空间星座部分、地面监控部分和用户设备三大部分组成•空间星座部分：GPS卫星•地面监控部分：由若干地面站组成的控制部分•用户设备：以接收机为主体的广大用户部分空间星座部分•空间星座部分：•24颗GPS卫星组成，其中21颗工作卫星和3颗备用卫星。•24颗卫星分部在6个轨道面上，保证任何地点、任何时刻有4颗卫星被同时观测到，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，所以是全球性的全天候的实时连续定位系统为什么需要4颗才能定位？空间星座部分•轨道面：6个•轨道倾角：55•平均高度：20200KM•周期：11h58m•发射频率：L1（民用首先选用）:1575.42+/-10MHz；L2:1227.60+/-10MHz；L5•C/A码频率：1.023MHz空间星座部分•每颗GPS卫星配置有4台高精度原子钟（2台铷钟，两台铯钟），是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。卫星的组成部分：•太阳能电池板•原子钟•信号生成和发射装置。空间星座部分•特点：•高轨道，受摄动较小•能见地面面积大，38%•GPS信号的波束覆盖地面均匀卫星系统频段-GPS•L1（民用首先选用）:1575.42+/-10MHz•L2:1227.60+/-10MHz•L5•单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。作用•接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令（钟，轨道，卫星）•卫星飞越注入站上空时，接收地面注入站用S波段发送到卫星的导航信息，和其他有关信息，并通过GPS信号形成导航电文。•想广大用户连续不断发送导航定位信号，并用导航电文中的星历和历书分别报导自己的现势位置以及其他在轨卫星的位置。地面监控部分•一个主控站：美国科罗拉州•三个注入站•五个监测站主控站作用：•GPS系统的大脑，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星•监控卫星状态，向卫星发送控制指令；•卫星维护与异常情况的处理。•编制广播星历地点：美国科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。•地点：阿松森群岛（大西洋），迪戈加西亚（印度洋），卡瓦加兰（太平洋）监测站（5）•作用：•监控站伪距导航数据气象数据卫星状态数据主控站传送监控站卫星系统•作用•负责卫星是否正常工作，是否按预定轨道运行•跟踪计算卫星的轨道参数，并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户•保持各颗卫星的时间同步•必要时对卫星进行调度地面控制系统工作流程数据处理机接收机调制解调器铯钟气象数据观测星历与时钟编算注入导航电文计算误差数据处理机S波段注入信号调制解调器L1，L2载波数据处理机大功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备监测站主控站注入站GPS卫星GPS卫星P码，C/A码搭载在载波上传输GPS系统-用户部分•用户部分由接收机、数据处理软件及相应的用户设备（计算机及其终端设备，气象仪器）组成，接收机的作用是接收GPS信号导航型、测地型和授时型袖珍型，背负式，车载式，舰用式、空（飞机）载式、弹载式和星载式码接收机和无码接收机单频接收机和双频接收机接收机分类用途携带工作原理载波频率单频只有L1，信息最全；因为L2缺少P码GPS系统的特点•定位精度高：•观测时间短•测站间无需通视•可提供三维坐标•操作简单•全天候工作•功能多应用广美国政府的GPS限制性政策•1.两种定位服务方式SPS与PPS•SPS—标准定位服务•使用C/A码，民用•2DRMS水平=100m•2DRMS垂直=150~170m•2DRMS水平=340ns•PPS—精密定位服务•使用P码，军用•2DRMS水平=22m•2DRMS垂直=27.7m•2DRMS水平=200ns美国政府的GPS限制性政策•2.SA技术（1990.3.25~2000.5.1）•SelectiveAvailable-选择可用性•人为降低普通用户的测量精度。方法：•降低星历精度（加入随机变化）•卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）•3.AS技术（1994.1.31~Now）•Anti-Spoofing-反电子欺骗•P码加密，P+W-Y如何应对美国政府的限制？•1.建立独立的GPS卫星测轨系统•2.改进GPS精密定位方法及软件，削弱SA和AS技术的影响•3.建立独立的卫星导航定位系统（北斗，GLONASS，Galileo）•4.使用能同时接受多个定位系统信号的接收机（多系统定位芯片）为什么要引入坐标系统•GPS卫星总是围绕地球质心旋转，与地球自转无关：•观测站固定在地球表面，与自转有关•GPS卫星定位技术是通过安装在地球表面的GPS接收机同时接收4颗或以上的卫星信号来测定接收机的位置•因此，要建立卫星在其轨道上运动的坐标系，并且寻求其与接收机所在的坐标系之间的关系，通过坐标转换得到待定点的大地坐标GPS坐标系统和时间系统包含四部分：•天球坐标系与地球坐标系•WGS-84坐标系和我国的大地坐标系•坐标系转换•时间系统WGS-84坐标系•协议地球坐标系，地心地固坐标系•定义：原点地球的质心我国的大地坐标系•1954北京坐标系•1980西安坐标系•2000大地坐标系CGCS2000WGS-84GPS时间系统•协调世界时UTC—1972年开始，以原子时秒长为基准，时刻上最接近世界时的折中的时间系统•闰秒：由于地球自转速度减慢，原子时与世界时时间误差大于0.9S，便在协调时上加入一个闰秒（跳秒，由国际自转服务组织发布，一般在12:31或6：30进行）•GPST原子时系统与协调世界时的最大的区别是没有跳秒卫星运动及GPS卫星星历•轨道参数：描述卫星位置及状态的参数；轨道参数•卫星的受力：地心引力以及摄动力•卫星的运动：无摄运动•受摄运动•卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道参数值，是计算卫星瞬时位置的依据•GPS卫星星历分为•广播星历（预报星历）•实测星历（精密星历）预报星历•卫星将地面监测站注入的有关卫星轨道的信息，通过发射导航电文传递给用户，用户收到这些信号进行解码即可获得所需要的卫星星历。•优点：实时•缺点：精度较低，一般约20~40m•C/A码星历：精度低（数十米），民用•P码星历：精度高（5米），军事目的预报星历参数•Navigationcenter可以下载星历。•时间二参数•开普勒六参数•轨道摄动九参数•其余参数等•具体可以参考以下链接星历参数预报星历的编制和传送过程监测站监测卫星的运行状态主控站编制卫星星历注入站将卫星星历注入卫星卫星向用户发送卫星星历用户接收机接收卫星星历（监测站接收机）循环闭合过程周期1小时更新一次后处理星历•根据地面跟踪站所获得的精密观测资料计算而得到的星历，是一种不包含外推误差的实测星历。•优点：轨道参数非常准确，也称精密星历•缺点：不能做到实时。GPS卫星信号•GPS是一种无线电导航系统•GPS信号应满足的要求：•适应多用户系统的要求•满足实时定位的要求•满足高精度定位的需求•满足军事保密的要求GPS信号--3部分组成GPS载波信号GPS的测距码GPS导航电文L1载波L2载波C/A码P码卫星星历卫星工作状态时间系统卫星钟运行状态轨道摄动改正大气折射改正C/A码为粗码由于P码为精码机密码不能直接获取，所以可以通过C/A码捕获到P码由C码转换到捕获P码的信息伪随机噪声码测距•原理—利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测值GPS测距码•粗测码C/A码：由两个十级反馈移位寄存器产生•C/A码的特性：•长周期：Lp=1023bit•频率：f=1.023Mbit/s•码元长度：τ=1/f=0.98μs•C/A码的特点：易于搜索和捕获•码长约为300Km•一个码长293m，测量（比对）精度1%~10%GPS信号基本频率10.23MHZL11575.42MHzL21227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHz数据码或D码50BPSP码10.23MHz数据码或D码50BPS÷204600÷10×154×120不变单频接收机只接收L1载波导航电文的播发格式主帧：一个主帧包含5个子帧。播报一组导航电文需要30S，每个子帧6秒，子帧包含10个字，每个字30比特。所以1帧共1500bitTLMHOW数据块-1时钟修正参数TLMHOW数据块-2星历表TLMHOW数据块-2星历表继续TLMHOW数据块-3卫星历书等TLMHOW数据块-3卫星历书等注：所以冷启动的时间为30S，当模块启动后，如果刚好前一组电文播报完毕，则需要最长等30S才能重新获取星历GPS的载波信号L1载波：频率1575.42MHz，波长：19CML2载波：频率1227.6MHz，波长：24CMGPS信号的接收前置放大器变频器信号处理器微处理机振荡器用户信息传输数据存贮器，外部传输电源天线单元接收单元问题•GPS的测距码：C/A,P---利用测距码测量的方法叫伪距测量•GPS的载波信号:L1，L2----利用载波信号测量的方法叫载波相位测量：因载波的波长为19CM，24CM，所以测量精度为•GPS的数据码D码疑问•为什么伪距差分（RTD）可以达到亚米精度？•因为C/A码的精度为几十米，但是我们目前的产品精度在5米CEP，所以现在的产品用的都是P码测距？错