GPS全球定位系统原理与应用解析.ppt
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1、Slide 2第一部分第一部分 GPSGPS技术及其发展技术及其发展uGPSGlobal Positioning Systemu定义:定义:GPSGPS是美国研制的新一代卫星是美国研制的新一代卫星导航定位系统,可向全球用户提供连导航定位系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置,三维续、实时、高精度的三维位置,三维速度和时间信息。速度和时间信息。Slide 3卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾 1957 1957年世界上第一颗人造地球卫星发年世界上第一颗人造地球卫星发射成功,射成功,5 50 0年来,人造地球卫星技术在通年来,人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感
2、、大地信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域,得到了极广泛应用。众多领域,得到了极广泛应用。Slide 4卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾 人造地球卫星的出现,首先引起了各国军事部人造地球卫星的出现,首先引起了各国军事部门的高度重视。门的高度重视。19581958年底,美国海军武器实验室,年底,美国海军武器实验室,开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统,即开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统,即“海军导航卫星系统海军导航卫星系统”(Navy Navigation Navy Navigation Sa
3、tellite SystemNNSSSatellite SystemNNSS)。)。由于该系统卫星都由于该系统卫星都通过地极,也称通过地极,也称“子午子午( (Transit)Transit)卫星系统卫星系统”。 1964 1964年该系统建成,并在美国军方启用。年该系统建成,并在美国军方启用。19671967年美国政府批准该系统解密,提供民用。该系统不年美国政府批准该系统解密,提供民用。该系统不受气象条件的限制,自动化程度高,具有良好的定受气象条件的限制,自动化程度高,具有良好的定位精度。位精度。Slide 5卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾 尽管尽管NNSSNNSS在导航技术的
4、发展中具有划时代在导航技术的发展中具有划时代的意义,但由于该系统卫星数目少(的意义,但由于该系统卫星数目少(5-65-6颗),颗),运行轨道低(运行轨道低(10001000km km ), ,观测时间长(观测时间长(1.51.5小时小时),无法提供连续实时三维导航,同时获得一),无法提供连续实时三维导航,同时获得一次导航解的时间长,难以满足军事要求,尤其次导航解的时间长,难以满足军事要求,尤其是高动态目标(飞机、导弹等)导航要求。而是高动态目标(飞机、导弹等)导航要求。而从大地测量看,定位速度慢,一个测站一般平从大地测量看,定位速度慢,一个测站一般平均观测均观测1-21-2天;精度低,单点定位
5、精度天;精度低,单点定位精度3-53-5m m,相相对定位精度对定位精度1 1m m,使得在大地测量和地球动力学使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用,也受到很大限制。研究方面的应用,也受到很大限制。Slide 6卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾 为满足军事和民用对连续实时和三维导航为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求,的迫切要求,19731973年美国国防部开始组织陆海年美国国防部开始组织陆海空三军,共同研究建立新一代卫星导航系统的空三军,共同研究建立新一代卫星导航系统的计划,这就是目前所称的计划,这就是目前所称的“导航卫星授时测距导航卫星授时测距/ /全球定位系统全
6、球定位系统”(Navigation Satellite Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning Timing and ranging / Global Positioning SystemSystem)简称全球定位系统(简称全球定位系统(GPSGPS)。)。 为使为使GPSGPS具有高精度连续实时三维导航和定具有高精度连续实时三维导航和定位能力,以及良好的抗干扰性能,在设计上采位能力,以及良好的抗干扰性能,在设计上采取了若干改善措施。取了若干改善措施。Slide 7GPSGPS系统的特点系统的特点u全球性连续覆盖
7、,全天候工作全球性连续覆盖,全天候工作u定位精度高定位精度高u观测时间短观测时间短u测站间无需通视测站间无需通视u可提供三维坐标可提供三维坐标u操作简便操作简便u功能多,用途广功能多,用途广Slide 8GPSGPS定位系统的组成定位系统的组成 GPS GPS定位技术是利用高空中的定位技术是利用高空中的GPSGPS卫星,向卫星,向地面发射地面发射L L波段的载频无线电测距信号,由地波段的载频无线电测距信号,由地面上用户接收机实时地连续接收,并计算出接面上用户接收机实时地连续接收,并计算出接收机天线所在的位置。因此,收机天线所在的位置。因此,GPSGPS定位系统是定位系统是由以下三个部分组成:由
8、以下三个部分组成:(1 1)GPSGPS卫星星座(空间部分)卫星星座(空间部分)(2 2)地面监控系统(地面控制部分)地面监控系统(地面控制部分)(3 3)GPSGPS信号接收机(用户设备部分)信号接收机(用户设备部分)Slide 9这三部分有各自这三部分有各自独立的功能和作独立的功能和作用,对于整个全用,对于整个全球定位系统来说球定位系统来说,它们都是不可,它们都是不可缺少的。缺少的。Slide 10uGPSGPS系统的空间系统的空间部分由部分由GPSGPS卫星组卫星组成,称为卫星星成,称为卫星星座。座。u卫星星座的分布卫星星座的分布设置要保证地球设置要保证地球上任何地点,任上任何地点,任何
9、时刻至少可以何时刻至少可以同时观测到四颗同时观测到四颗卫星。卫星。GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成vGPSGPS卫星星座卫星星座 6 6个轨道面,平均轨道高度个轨道面,平均轨道高度20200km20200km,轨道倾角,轨道倾角55 55 ,周,周期期11h 58min11h 58min设计星座:设计星座:21+321+3 21 21颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3+3颗颗活动的备用卫星活动的备用卫星 保证在保证在2424小时,在小时,在高度角高度角1515 以上,能够同时观测到以上,能够同时观测到4 4至至8 8颗卫星颗卫星当前星座:当前星座:2828颗颗GPSGPS卫星星座组成卫星
10、星座组成Slide 12u铯原子钟铯原子钟u计算机计算机u2 2块块7 7m m2 2的太阳能翼板的太阳能翼板u无线电收发两用机无线电收发两用机u导航荷载(接收数据,导航荷载(接收数据,发射测距和导航数据)发射测距和导航数据)u姿态控制和太阳能板指姿态控制和太阳能板指向系统向系统GPSGPS卫星卫星Slide 13GPSGPS卫星结构卫星结构双叶对日定向太阳能双叶对日定向太阳能电池帆板,全长电池帆板,全长5.33m,接受日光面接受日光面积积7.2m2。1.5m多波束定向天线,这是一种由多波束定向天线,这是一种由12个单元构成个单元构成的成形波束螺旋天线阵,能发射的成形波束螺旋天线阵,能发射L1
11、和和L2波段波段的信号,其波束方向图能覆盖约半个地球。的信号,其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上在星体两端面上装有全向遥测遥装有全向遥测遥控天线,用于与控天线,用于与地面监控网通信。地面监控网通信。GPS卫星结构Slide 14GPSGPS卫星迄今已设计了三代。卫星迄今已设计了三代。第一代第一代Block1Block1型用于系统实验型用于系统实验,称实验卫星,共研制和发射,称实验卫星,共研制和发射了了1111颗,设计寿命颗,设计寿命5 5年,现已年,现已停止工作。第二代停止工作。第二代Block2Block2和和2 2A A型卫星称为工作卫星,共研制型卫星称为工作卫星,共研制了了28
12、28颗,设计寿命颗,设计寿命7.57.5年,从年,从19891989年初到年初到19941994年上半年发射年上半年发射完毕。第三代完毕。第三代Block3Block3和和2 2R R型卫型卫星尚在设计中,预计星尚在设计中,预计2020颗,以颗,以取代第二代卫星,改善全球定取代第二代卫星,改善全球定位系统。位系统。GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成v 第一代卫星现已停止工作。第一代卫星现已停止工作。v 第二代卫星用于组成第二代卫星用于组成GPSGPS工作卫星星座,工作卫星星座,通常称为通常称为GPSGPS工作卫星。工作卫星。Block ABlock A的功能比的功能比Block Block
13、大大增强,表现在军事功能和数据大大增强,表现在军事功能和数据存储容量。存储容量。Block Block 只能存储供只能存储供4545天用的导天用的导航电文,而航电文,而Block ABlock A则能够存储供则能够存储供180180天用天用的导航电文,以确保在特殊情况下使用的导航电文,以确保在特殊情况下使用GPSGPS卫卫星。星。 第三代卫星尚在设计中,以取代第二代卫第三代卫星尚在设计中,以取代第二代卫星,改善全球定位系统。其特点是:可对自己星,改善全球定位系统。其特点是:可对自己进行自主导航;每颗卫星将使用星载处理器,进行自主导航;每颗卫星将使用星载处理器,计算导航参数的修正值,改善导航精度
14、,增强计算导航参数的修正值,改善导航精度,增强自主能力和生存能力。椐报道,该卫星在没有自主能力和生存能力。椐报道,该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作与地面联系的情况下可以工作6 6个月,而其精个月,而其精度可与有地面控制时的精度相当。度可与有地面控制时的精度相当。Block 卫星卫星Block 卫星卫星Block R卫星卫星Slide 22GPSGPS星座参数星座参数卫星卫星:24 颗颗轨道轨道:面:面6个个长长 半半 轴:轴:26609km偏偏 心心 率:率:0.01轨道面相对赤道面的倾角:轨道面相对赤道面的倾角:55各轨道面升交点赤经相差:各轨道面升交点赤经相差:60相邻轨道卫星升交距
15、角相差:相邻轨道卫星升交距角相差:30卫星高度:卫星高度:20200km卫星运行周期:卫星运行周期:11小时小时58分钟分钟Slide 231 1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息,接收和存储由地面监控站发来的导航信息,接收并执行监控站的控制指令。接收并执行监控站的控制指令。2 2 利用卫星上的微处理机,对部分必要的数据利用卫星上的微处理机,对部分必要的数据进行处理。进行处理。3 3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4 4 向用户发送定位信息。向用户发送定位信息。5 5 在地面监控站的指令下,通过推进器调整卫在地面监控站的指令下,通过推进器调整卫星姿
16、态和启用备用卫星。星姿态和启用备用卫星。GPSGPS卫星的基本功能卫星的基本功能Slide 24GPSGPS地面监控部分地面监控部分GPSGPS的地面监控部分由分布在全球的的地面监控部分由分布在全球的5 5个地面站个地面站组成,其中包括卫星监测站(组成,其中包括卫星监测站(5 5个)、主控站个)、主控站(1 1个)和注入站(个)和注入站(3 3个)个)1 1、 监测站:是主控站直接控制下的数据自动监测站:是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频采集中心。站内设有双频GPSGPS接收机、高精度接收机、高精度原子钟、计算机原子钟、计算机1 1台和若干台环境数据传感器台和若干台环境数据传感
17、器。观测资料由计算机进行初步处理,存储并传。观测资料由计算机进行初步处理,存储并传输到主控站,以确定卫星轨道。输到主控站,以确定卫星轨道。Slide 25主控站主控站监控站监控站监控站监控站注入站注入站/监控站监控站注入站注入站/监控站监控站注入站注入站/监控站监控站控制站的分布控制站的分布夏威夷夏威夷卡瓦加兰(太平洋)卡瓦加兰(太平洋)狄哥狄哥伽西亚(印伽西亚(印度洋)度洋)阿松森岛(阿松森岛(大西洋)(大西洋)科罗拉多科罗拉多Slide 26GPSGPS地面监控部分地面监控部分2 2、 主控站:地点:美国科罗拉多州法尔孔空军基地主控站:地点:美国科罗拉多州法尔孔空军基地除协调和管理地面监控
18、系统外,主要任务:除协调和管理地面监控系统外,主要任务:1 1)根据本站和其它监测站的观测资料,推算编制各)根据本站和其它监测站的观测资料,推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数,并将数据传卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数,并将数据传送到注入站。送到注入站。2 2)提供全球定位系统的时间基准。各监测站和)提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPSGPS卫卫星的原子钟,均应与主控站的原子钟同步,测出其间星的原子钟,均应与主控站的原子钟同步,测出其间的钟差,将钟差信息编入导航电文,送入注入站。的钟差,将钟差信息编入导航电文,送入注入站。3 3)调整偏离轨道的卫星,使之沿预定轨道运行。)调
19、整偏离轨道的卫星,使之沿预定轨道运行。4 4)启用备用卫星代替失效工作卫星。)启用备用卫星代替失效工作卫星。Slide 27GPSGPS地面监控部分地面监控部分3 3、注入站:、注入站: 主要设备为主要设备为1 1台直径台直径3.63.6m m的天线、的天线、1 1台台c c波段发射机和波段发射机和1 1台计算机。主要任务是在主台计算机。主要任务是在主控站的控制下,将主控站推算和编制的卫控站的控制下,将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等,注入到相应卫星的存储系统,并监测等,注入到相应卫星的存储系统,并监测注入信息的正确性。注入信息的正
20、确性。 整个整个GPSGPS系统的地面监控部分,除主控系统的地面监控部分,除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系,在原子钟和计算机的驱动和控制络联系,在原子钟和计算机的驱动和控制下,实现高度的自动化标准化。下,实现高度的自动化标准化。Slide 28接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段波段GPS卫星卫星GPS卫星卫星地面监控系统流程图地面监控系统流程图Slide 29GPS地面控制部分的作用地面控制部分的作用负
21、责监控全球定位系统的工作:负责监控全球定位系统的工作:u监测卫星是否正常工作,是否沿预定的轨监测卫星是否正常工作,是否沿预定的轨道运行道运行u跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星,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由卫星通过导航电文发送给用户u保持各颗卫星的时间同步保持各颗卫星的时间同步u必要时对卫星进行调度必要时对卫星进行调度Slide 30GPS用户设备部分用户设备部分u用户部分组成用户部分组成GPSGPS信号接收机及相关设备信号接收机及相关设备uGPSGPS接收机接收机接收、跟踪、变换和测量接收、跟踪、变换和测量GPSGPS信号的无线电设备信号的无线电设备uG
22、PSGPS接收机的作用接收机的作用 接收接收GPSGPS卫星发射的无线电信号,以获得必要的定卫星发射的无线电信号,以获得必要的定位信息和观测量,并经过数据处理而完成定位工作位信息和观测量,并经过数据处理而完成定位工作Slide 31GPS接收机接收机uDSNPDSNPuLEICALEICAuGARMINGARMIN uTRIMBLE TRIMBLE uASHTECHASHTECHuJAVADJAVADSlide 32GPS接收机接收机导航型接收机导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的此类型接收机主要用于运动载体的导航,它可以实时给出载体的位置和速导航,它可以实时给出载体的位置和速度。单点
23、实时定位精度较低,一般为度。单点实时定位精度较低,一般为10m,10m,有有SASA影响时为影响时为100m100m。根据应用。根据应用领域的不同,此类接收机可以进一步分领域的不同,此类接收机可以进一步分为:为:按接收机的用途分类可分为:按接收机的用途分类可分为: 车载型车载型用于车辆导航定位;用于车辆导航定位; 航海型航海型用于船舶导航定位;用于船舶导航定位; 航空型航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快,因此,在航空用的接收机要求能适应高速速度快,因此,在航空用的接收机要求能适应高速运动。运动。 星载型星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的用于卫星的导航定位
24、。由于卫星的运动速度高达运动速度高达7 7公里公里/ /秒以上,因此对接收机的要求秒以上,因此对接收机的要求更高。更高。 Slide 35u(1)SA美国政府从其国家利益出发,通过美国政府从其国家利益出发,通过降低广播星历精度(降低广播星历精度( 技术)、在技术)、在GPS基准信号基准信号中加入高频抖动(中加入高频抖动( 技术)等方法,人为降低普技术)等方法,人为降低普通用户利用通用户利用GPS进行导航定位时的精度。进行导航定位时的精度。 u(2)卫星星历误差在进行)卫星星历误差在进行GPS定位时,计定位时,计算在某时刻算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是卫星位置所需的卫星轨道参数是通
25、过各种类型的星历通过各种类型的星历7提供的,但不论采用哪提供的,但不论采用哪种类型的星历,所计算出的卫星位置都会与其真种类型的星历,所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。 Slide 36u(3)卫星钟差卫星钟差是)卫星钟差卫星钟差是GPS卫星上所安卫星上所安装的原子钟的钟面时与装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差标准时间之间的误差。 u(4)卫星信号发射天线相位中心偏差卫星)卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位
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