定位原理基础知识ppt课件.pptx

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1、基础知识整理-Cannie Zhao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 (Global Navigation Satellite System）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

2、，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Global positioning systemGPS （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

3、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 +/-10 MHz ；L2: 1227.60 +/-10 MHz； L5 C/A码频率： 1.023 MHz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

4、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 +/-10 MHz L2: 1227.60 +/-10 MHz 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（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

5、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

6、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UTC1972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

7、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2040m 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 Navigation center 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

8、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

9、/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：=1/f=0.98s 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10.23MHZL11575.42

10、MHzL21227.60MHzC/A 码1.023MHzP码10.23MHz数据码或D码50BPSP码10.23MHz数据码或D码50BPS20460010154120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

11、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 1227.6 MHz， 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