第2章-GPS系统组成及其结构ppt课件.ppt

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1、卫星导航原理及应用技术北京航空航天大学电子信息工程学院北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室教研室秦 红 磊电话：01082316491 Email:第第1 1章章:绪论绪论第第2 2章章:GPS:GPS系统概述系统概述第第3 3章章:GPS:GPS 坐标和时间系统坐标和时间系统第第4 4章章:GPS:GPS 卫星轨道卫星轨道第第5 5章章:GPS:GPS 信号结构和导航电文信号结构和导航电文第第6 6章章:GPS:GPS 接收机接收机第第7 7章章:GPS:GPS 导航观测量和误差分析导航观测量和误差分析第第8 8章章:GPS:GPS 定位原理定位原理第第9 9章章:整周模糊度技术整周

2、模糊度技术GPS系统组成及其结构系统组成及其结构1.1 GNSS 1.1 GNSS 历史历史1.2 GPS:1.2 GPS:全球定位系统全球定位系统第第2章章 GNSS简介简介GNSS GNSS 历史历史 19571957年，前苏联发射了第一颗人造卫星。从那年，前苏联发射了第一颗人造卫星。从那时开始，利用卫星进行导航和定位的研究引起了时开始，利用卫星进行导航和定位的研究引起了各国军事部门的高度重视。各国军事部门的高度重视。人造卫星（人造卫星（Artificial Satellite)Artificial Satellite)子午卫星导航系统历史（子午卫星导航系统历史（TransitTransi

3、t）19591959年：子午仪（年：子午仪（TRANSITTRANSIT）,通常称为多普勒导通常称为多普勒导航卫星系统，又称为海军导航卫星系统（航卫星系统，又称为海军导航卫星系统（NNSS:Navy Navigait Satellite System).).这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统，这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统，在在Dr.Richard Dr.Richard KirschnerKirschner博士的领导下，由博士的领导下，由霍普金斯霍普金斯大学大学应用物理实验室研制。应用物理实验室研制。子午仪（子午仪（TransitTransit）系统星座）系统星座卫星数卫星数 :6

4、轨道数轨道数 :6离心率离心率 :0轨道倾斜角度轨道倾斜角度:90卫星周期卫星周期:107min卫星高度卫星高度:1075km(600nm)两个卫星轨道平面之间的夹角两个卫星轨道平面之间的夹角:30 子午仪系统定位原理子午仪系统定位原理t t1t t2t t3t t4P（X，Y，Z）子午卫星的定位原理是通过测定同一颗卫星不同间隔时段其信子午卫星的定位原理是通过测定同一颗卫星不同间隔时段其信号的多普勒效应，从而确定卫星在各时段相对观察者的视向速度和号的多普勒效应，从而确定卫星在各时段相对观察者的视向速度和视向位移，再利用卫星导航电文所给定的视向位移，再利用卫星导航电文所给定的t1t1、t2t2、

5、t3t3、t4t4时刻的时刻的卫星空间坐标，结合对应的视向位移则可解算出测站空间坐标卫星空间坐标，结合对应的视向位移则可解算出测站空间坐标P P（X X，Y Y，Z Z）。）。双曲面双曲面 双曲线点双曲线点子午仪系统的缺点子午仪系统的缺点（1）一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要。）一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要。（2）卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。）卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。（3）子午卫星导航系统的定位精度偏低。这是该系统的致）子午卫星导航系统的定位精度偏低。这是该系统的致 命缺陷，究其原因主要有三个方面：命缺陷，究其原因主要有三个方

6、面：卫星轨道低卫星轨道低 卫星信号频率较低受电离层影响大卫星信号频率较低受电离层影响大 子午卫星的卫星钟频不够稳定子午卫星的卫星钟频不够稳定 GNSS GNSS 历史历史 19601960年晚些时候，前苏联军方确认需要一个卫星导航系年晚些时候，前苏联军方确认需要一个卫星导航系统用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引。当时的这套导统用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引。当时的这套导航系统被称为航系统被称为MOSAIC(Mobile System for Accurate ICBM MOSAIC(Mobile System for Accurate ICBM Control).Control).这套

7、思想于这套思想于19611961年取消。年取消。621B 621B 系统系统 空军的空军的“621B621B”计划能在高动态环境下工作，为了计划能在高动态环境下工作，为了提供全球覆盖，提供全球覆盖，621B621B计划拟采用计划拟采用3 34 4个星座，每个星座个星座，每个星座由由4 45 5颗卫星组成，中间一颗采用同步定点轨道，其余颗卫星组成，中间一颗采用同步定点轨道，其余几颗用周期为几颗用周期为24h24h的倾斜轨道，每个星座需要一个独立的的倾斜轨道，每个星座需要一个独立的地面控制站为它服务。地面控制站为它服务。该系统的主要问题有两个：该系统的主要问题有两个：一是极区覆盖问题一是极区覆盖问

8、题;二是国外设站问题，使得系统二是国外设站问题，使得系统难以独立自主安全可靠的运行。难以独立自主安全可靠的运行。GNSS-GNSS-TimationTimation 历史历史 “TimationTimation”方案采用方案采用12121818颗卫星组成全球定位颗卫星组成全球定位网，卫星高度约网，卫星高度约10000km10000km，轨道显圆形，周期为，轨道显圆形，周期为8h8h，并，并于于19671967年年5 5月和月和19691969年年1111月分别发射了两颗试验卫星。月分别发射了两颗试验卫星。“TimationTimation”计划基本是一个二维系统，它不能满计划基本是一个二维系统

9、，它不能满足空军飞机或导弹在高动态环境下的工作。足空军飞机或导弹在高动态环境下的工作。GNSS GNSS 历史历史1969-1972:1969-1972:海军提出的计划称为海军提出的计划称为“TimationTimation”（时间导（时间导航），空军的计划名为航），空军的计划名为“621B621B”1971-19721971-1972:增加了增加了L2 L2 频段，允许频段，允许621B621B系统对电离层的错系统对电离层的错误修正误修正.GNSS GNSS 历史历史August 1973:1973 August 1973:1973 年，年，1212月月1717日日,NAVSTAR GPS,

10、NAVSTAR GPS被被批准批准,标志着概念的确认。标志着概念的确认。(GPS(GPS计划的第一阶段计划的第一阶段).).这套系统由这套系统由2424颗卫星构成，分布在周期为颗卫星构成，分布在周期为1212小时的小时的倾斜轨道上。倾斜轨道上。GNSS-GPS 历史历史全球定位系统由美国国防部提议并开发的。全球定位系统由美国国防部提议并开发的。最初的目的是用于军事应用最初的目的是用于军事应用NAVSTAR(NAVSTAR(NavNavigation igation S Satellite atellite T Timing iming a and nd R Ranging),GPSanging

11、),GPS的官方名称的官方名称除美国以外的其它定位系统除美国以外的其它定位系统GLONASSGLONASS全球导航卫星系统全球导航卫星系统苏联国防部苏联国防部正在更新正在更新GALILEOGALILEO欧盟欧盟20082008北斗系统北斗系统中国中国20082008GPS 简介简介GPS GPS 历史历史GPS GPS 基本功能基本功能GPS GPS 构造构造GPS GPS 是如何工作的是如何工作的 GPS GPS 误差源误差源GPS GPS 应用应用GPS 历史历史GPS GPS 的简单历史的简单历史子午仪系统（子午仪系统（Transit SystemTransit System）NavSt

12、arNavStar(现在称为现在称为 GPS)GPS)开始于开始于 19731973前四颗卫星发射于前四颗卫星发射于 19781978GPSGPS的第一次实际应用是在的第一次实际应用是在19901990年的海湾战争。年的海湾战争。19951995年年7 7月月1717号全面投入运行。号全面投入运行。系统耗资系统耗资$12 billion$12 billionGPS GPS 为民用和军用提供全球服务为民用和军用提供全球服务20002000年年5 5月，宣布解除月，宣布解除SA(SelectiveSA(Selective Availability)Availability)位置和坐标位置和坐标.两

13、点之间的距离和方向两点之间的距离和方向.准确时间测量准确时间测量.GPS GPS 基本功能基本功能GPS GPS 结构结构GPS 由三个部分组成由三个部分组成 空间部分空间部分(卫星卫星)地面部分地面部分(地面控制网络地面控制网络)用户部分用户部分(GPS 接收机和用户接收机和用户)GPS 结构GPS GPS 空间部分空间部分24 24 颗卫星颗卫星6 6个平面轨道个平面轨道相对于赤道的倾角为相对于赤道的倾角为 5555 轨道之间的间隔为轨道之间的间隔为6060 距离地区表面距离地区表面20,200 km20,200 km轨道周期轨道周期11 hr 58 min11 hr 58 min5 5到

14、到8 8颗卫星可见颗卫星可见GPS GPS 卫星改进卫星改进GPS GPS 卫星卫星四个原子钟四个原子钟3 3块镍铬电池块镍铬电池两块太阳能电池板两块太阳能电池板电池充电电池充电电力供应电力供应1136 watts1136 wattsS S 波段天线控制卫星波段天线控制卫星12 12 个个L L 波段天线元波段天线元用户通用户通讯讯Block IIF Block IIF 卫星卫星(第四代第四代)重量重量2370 pounds2370 pounds高度高度16.25 feet16.25 feet宽度宽度两翼展开后为两翼展开后为38.025 38.025 英尺英尺设计寿命设计寿命10 10 年年B

15、lock IIR Block IIR 在在 Lockheed Martin,Valley Lockheed Martin,Valley Forge,PA Forge,PA 的卫星流水线的卫星流水线GPS GPS 卫星卫星每个每个GPSGPS卫星都配备有一个铯原子钟卫星都配备有一个铯原子钟精确到精确到 3 3 纳妙纳妙 (0.000000003 s)(0.000000003 s)每每 360,000 360,000 年年 +/-1+/-1 妙妙地面控制站校正卫星地面控制站校正卫星卫星校正卫星校正GPSGPS接收机接收机卫星和接收机之间的不同步超过卫星和接收机之间的不同步超过1/1001/100秒

16、时，误差可达到秒时，误差可达到 1860 1860 里里!GPS GPS 卫星卫星卫星信号卫星信号容易被遮挡或者被水反射容易被遮挡或者被水反射能够穿越标准大气、水蒸气、云层，长距离传输能够穿越标准大气、水蒸气、云层，长距离传输主要用途就是传输时间主要用途就是传输时间导航电文导航电文调制在调制在L1 L1 和和 L2L2上上50 Hz50 Hz整个电文的长度为整个电文的长度为 1500 bits;30 sec1500 bits;30 sec含有的信息有含有的信息有:卫星星历预报卫星星历预报.卫星钟差校正参数预报卫星钟差校正参数预报.GPS GPS 系统状态信息系统状态信息.GPSGPS系统电离层

17、模型系统电离层模型卫星信号卫星信号卫星信号卫星信号微波波段频频微波波段频频;满足全天候通讯满足全天候通讯L1 L1 波段波段:1585.42 MHz:1585.42 MHzL2 L2 波段波段:1227.60 MHz:1227.60 MHzL3 L3 波段波段:1381.04 MHz:1381.04 MHzL1 L1 和和 L2 L2 波段用于定位波段用于定位伪随机码伪随机码由毫秒长度的由毫秒长度的C/AC/A码重复编码，每个码重复编码，每个C/AC/A码的长度伪码的长度伪10231023个个bitbit。卫星信号卫星信号卫星上的原子钟产生一个纯正弦波卫星上的原子钟产生一个纯正弦波基准频率为基

18、准频率为,f fo o 10.23 MHz10.23 MHzL1 L1 和和 L2 L2 载波载波f f1 1=f fo o x 154=1575.42 MHz(19 cm)x 154=1575.42 MHz(19 cm)f f2 2=f fo o x 120=1227.60 MHz(24 cm)x 120=1227.60 MHz(24 cm)特定的信息调制载这些信号上特定的信息调制载这些信号上卫星卫星信号信号C/A(Course/Acquisition)码调制载 L1 载波上1.023 MHz 伪随机噪声码(PRN)长度伪 1023 bits重复周期 1 millisecond每个码片对应的

19、长度为 300 m整个序列对应的长度为 300 km每个卫星对应唯一一个 C/A码卫星信号卫星信号P(Precise or Private)P(Precise or Private)码码更加复杂更加复杂调制在调制在 L1 L1 和和 L2L2上上10.23 MHz PRN code10.23 MHz PRN code每个码片对应的长度为每个码片对应的长度为 30 m30 m长度为长度为266.4266.4天天抗欺骗模式（抗欺骗模式（Anti-Spoofing modeAnti-Spoofing mode）是用加密的）是用加密的WW码与码与P P码合成码合成Y Y码码秘密译码秘密译码卫星信号卫星

20、信号无源系统无源系统多个波段的信号允许电离层校正多个波段的信号允许电离层校正同时测量多颗卫星同时测量多颗卫星民用和军用分开民用和军用分开抗干扰系统抗干扰系统时实校正系统时实校正系统Kwajalein AtollUS Space Command地面控制部分地面控制部分地面控制部分地面控制部分HawaiiAscension Is.Diego GarciaCape CanaveralGround AntennaMaster Control StationMonitor StationGPS GPS 控制站控制站每个卫星每隔每个卫星每隔1212小时经过地面站一次小时经过地面站一次地面站接收卫星信号地面

21、站接收卫星信号四个地面站向主控战发送信息四个地面站向主控战发送信息主控站对哪些需要纠正的信息进行判决主控站对哪些需要纠正的信息进行判决所有的站向卫星发生纠正的信息所有的站向卫星发生纠正的信息军事军事.搜索和营救搜索和营救.减少天灾减少天灾.测量测量.海上海上,航空和大地导航航空和大地导航.遥控和遥测遥控和遥测卫星定位、跟踪卫星定位、跟踪航行航行.地理信息系统地理信息系统 (GIS).(GIS).娱乐娱乐.用户部分用户部分GPS GPS 接收机接收机接收机配有石英钟接收机配有石英钟 ，比原子钟的精度低很多，比原子钟的精度低很多至少需要四颗卫星至少需要四颗卫星根据导航电文信息，能够转换到根据导航电

22、文信息，能够转换到GPSGPS时时当接收到当接收到GPSGPS信号时，接收机要复制信号时，接收机要复制C/AC/A码和码和P P码，码，利用补偿技术提取信息。利用补偿技术提取信息。接收机构造类型决定了解码的可能性，因此也就接收机构造类型决定了解码的可能性，因此也就决定了定位测量的精度决定了定位测量的精度如何工作的？如何工作的？四个未知量四个未知量:经度经度 (X)(X)纬度纬度 (Y)(Y)高度高度 (Z)(Z)时间时间 (T)(T)因此，需要四个卫星因此，需要四个卫星!如果知道如果知道3 3个卫星，接收机要对用户的位置进行故测，个卫星，接收机要对用户的位置进行故测，算出纬度和高度算出纬度和高

23、度.GPS GPS 如何工作的如何工作的?2424个卫星围绕地球旋转个卫星围绕地球旋转手持接收机手持接收机单颗卫星用于定位单颗卫星用于定位.两颗卫星用于定位两颗卫星用于定位三颗卫星用于定位三颗卫星用于定位定位是以时间为依据的定位是以时间为依据的定位是以时间为依据的定位是以时间为依据的T+3卫星与用户之间的距离卫星与用户之间的距离 =“3=“3乘乘以光速以光速”T信号在信号在“T”T”时刻离开卫时刻离开卫星星信号被接收机接收的时刻为信号被接收机接收的时刻为 “T+3”T+3”伪随机噪声码伪随机噪声码伪随机噪声码伪随机噪声码接收机接收机PRN卫星卫星 PRN时间差时间差GPS GPS 误差误差遮挡

24、物遮挡物遮挡物遮挡物多经,信号遮挡(大楼,山,树叶等)信号干扰源信号干扰源信号干扰源信号干扰源地球大气地球大气固体障碍物固体障碍物金属金属电磁场电磁场GPS GPS 误差源误差源卫星轨道扰动卫星轨道扰动 (被称作星历被称作星历)太阳、月亮的引力太阳、月亮的引力;太阳风太阳风大气信号延迟大气信号延迟电离层、对流层电离层、对流层原子钟的浮动原子钟的浮动接收机质量接收机质量有缺陷的钟或者内部噪声有缺陷的钟或者内部噪声多经多经多经信号反射多经信号反射选择有效选择有效 (S/A)(S/A)国防部对卫星时间加入了人为的抖动，使得定位国防部对卫星时间加入了人为的抖动，使得定位精度降低精度降低.S/A S/A

25、 最初设计是为了防止美国的敌对势力对美国最初设计是为了防止美国的敌对势力对美国的威胁的威胁2000 2000 年年 5 5月，国防部宣布取消月，国防部宣布取消S/A.S/A.S/A S/A 随时被国防部打开随时被国防部打开.GPS误差源误差源F标准定位服务(SPS):民间应用误差源误差值卫星钟:1.5 到3.6 米轨道误差:1 米电离层:5.0 到 7.0 米对流层:0.5 到 0.7 米接收机噪声:0.3 到 1.5 米多径:0.6 到 1.2 米选择有效 F误差是累积增加的.GPS GPS 卫星几何分布卫星几何分布卫星的几何分布能够影响接收机的对信号的接收质量和定卫星的几何分布能够影响接收

26、机的对信号的接收质量和定位的精度位的精度.几何精度因子几何精度因子 (DOP)(DOP)反映了被接收到的卫星与卫星之间反映了被接收到的卫星与卫星之间的相对位置的相对位置.5 5个基本个基本DOP.DOP.位置精度因子是接收机应用最广泛的，决定了接收机的定位置精度因子是接收机应用最广泛的，决定了接收机的定位质量位质量.理想卫星精度几何理想卫星精度几何理想卫星精度几何理想卫星精度几何NSWE差分 GPS(DGPS)使用两个接收机基站的位置和高度是已知的移动接收机信号从卫星到用户的速度由大气的状况决定在基站已知的误差能够用于移动接收机离基站300英里范围内的工作效果最好两个接收机的大气状况一样差分站

27、差分站x+30,y+60 x+5,y-3真实坐标真实坐标=x+0,y+0 校正校正=x-5,y+3DGPS校正校正=x+(30-5)and y+(60+3)真实坐标真实坐标=x+25,y+63x-5,y+3时实差分时实差分时实差分时实差分 GPSGPSGPSGPSDGPS DGPS 接收机接收机接收机接收机NDGPS NDGPS NDGPS NDGPS 国家差分地面站国家差分地面站国家差分地面站国家差分地面站National Differential Global Positioning SystemYellow areas show overlap between NDGPS station

28、s.Green areas are little to no coverage.Topography may also limit some areas of coverage depicted here.广域增强系统广域增强系统广域增强系统广域增强系统同步同步 WAASWAAS卫星卫星GPS GPS 卫星卫星WAAS 控制站控制站(LAAS)WAAS 控制站控制站WAAS WAAS WAAS WAAS 的好处是什么的好处是什么的好处是什么的好处是什么?+-3 meters+-15 metersGPSGPS接收机的定位精度，在没接收机的定位精度，在没有有S/AS/A的情况下，能够达到的情况下，

29、能够达到1515米。米。在理想情况下，装备有在理想情况下，装备有GPSGPS的的WAASWAAS在定位精度在定位精度9595的情况的情况下，能够获得下，能够获得3 3米的定位精度米的定位精度GPS GPS 测量方法的改进测量方法的改进S/A S/A 于于 20002000年由国防部关闭年由国防部关闭将定位精度从将定位精度从100m 100m 提高到提高到 101030 m30 m随时会开放随时会开放使用精密定位服务使用精密定位服务译码接收机译码接收机时实对测量的值进行平均时实对测量的值进行平均高质量接收机高质量接收机差分差分GPSGPSGPS 站点USNO NAVSTAR HomepageIn

30、fo on the GPS constellation How Stuff Works GPSGood everyday language explanationTrimble GPS tutorialFlash animationsGPS Waypoint registryDatabase of coordinatesNavstar GPS Joint Programhttp:/gps.losangeles.af.mil/GLONASShttp:/www.rssi.ru/SFCSIC/SFCSIC_main.htmlGalileo Programhttp:/europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo/GPS Satellite Trackinghttp:/sirius.chinalake.navy.mil/satpred/Principles and Practices of GPS Surveyinghttp:/www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/principles_gps.htm