GPS卫星导航系统定位原理.ppt

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1、一一.卫星的地心直角坐标卫星的地心直角坐标系系GPS 采用采用 WGS84 坐标系坐标系格林经线零度格林经线零度S（x,y,z）Oxzy东东 90 度度GPS 定位计算时必须进行定位计算时必须进行坐标系的转换。坐标系的转换。（WGS84 坐标系转换成地坐标系转换成地理坐标系）理坐标系）二二、GPS的定位原理的定位原理用户用户地面站地面站卫星卫星1.定位原理定位原理GPS 属球面导航系统属球面导航系统卫星的位置根据卫星历书卫星的位置根据卫星历书计算可得计算可得(x,y,z)用户连续测到用户连续测到 3 颗卫星的颗卫星的距离，即可得到三个球面，距离，即可得到三个球面，其交点即为用户的位置其交点即为

2、用户的位置三.伪测距l1.卫星及用户的时间偏差l卫星的时间偏差l用户的时钟偏差l2.信号传播延迟l综和以上因素，用户利用GPS接收机测得的距离不是用户到卫星的真距离，称为“伪距离”，测量伪距离称为伪测距。2.伪测距伪测距由于由于卫星钟误差卫星钟误差、用户钟误差用户钟误差、信号传播误差（电离层信号传播误差（电离层折射误差和对流层折射误差）折射误差和对流层折射误差）等的影响，等的影响，GPS接收机测接收机测得的用户到卫星的距离不是真实距离，称为得的用户到卫星的距离不是真实距离，称为伪距离伪距离。用户到第用户到第 i 颗卫星的真实距离颗卫星的真实距离:：X、Y、Z 及及 Xsi、Ysi、Zsi 分别

3、是用户和卫星分别是用户和卫星在空间三维坐标。在空间三维坐标。3.定位计算定位计算1）导航仪根据其内存储的）导航仪根据其内存储的GPS历书，计算卫星的概略位置历书，计算卫星的概略位置2）导航仪根据键入的推算船位、时间、精度几何因子数值）导航仪根据键入的推算船位、时间、精度几何因子数值 选择仰角选择仰角5、几何配置最好的、几何配置最好的 4 颗或颗或 3 颗卫星颗卫星3）导航仪对）导航仪对GPS卫星进行频率和伪码的二维搜索，码同步卫星进行频率和伪码的二维搜索，码同步 后转入载波相位跟踪、检测和存储导航电文；后转入载波相位跟踪、检测和存储导航电文；4）导航仪根据所测的伪距、从卫星星历算出的卫星位置、

4、）导航仪根据所测的伪距、从卫星星历算出的卫星位置、及传播延时的计算和修正，计算出用户的位置及传播延时的计算和修正，计算出用户的位置第二节第二节 GPS导航系统设置导航系统设置一、一、GPS地面站地面站1.跟踪站跟踪站：接收包括环境数据在内的卫星的各种信息，：接收包括环境数据在内的卫星的各种信息，并将测定的信息传送到主控站；并将测定的信息传送到主控站；所测伪距所测伪距1.5 s更新一次，电离层气象数据更新一次，电离层气象数据 15 min平滑一次。平滑一次。2.主控站主控站：收集、评价数据，计算各卫星原子钟的校正：收集、评价数据，计算各卫星原子钟的校正 参量、卫星历书、卫星星历、系统状态并形参量

5、、卫星历书、卫星星历、系统状态并形 成导航信息码，送注入站；成导航信息码，送注入站；控制和调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星。控制和调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星。3.注入站注入站：地面站或地面天线，将导航信息送给卫星。：地面站或地面天线，将导航信息送给卫星。二、二、GPS导航卫星网导航卫星网1.GPS导航卫星导航卫星 24（21+3）颗）颗 高轨高轨20183km）卫星，分布在卫星，分布在 6 个轨道面上，个轨道面上，轨道倾角约轨道倾角约 55 度，地平线度，地平线 7.5 度以上至少可以看到度以上至少可以看到4颗，颗，地平线上至少看到地平线上至少看到5颗，最多颗，最多 11颗；运行周期约颗

6、；运行周期约11 h 58 m （717.88 m），约），约12 h。双频发射：双频发射：L 1 波段（波段（1 575.42 MHz），），P码、码、CA码和码和导航数据导航数据调制；调制；L 2 波段（波段（1 227.60 MHz），），P码和码和导航数据导航数据调制；调制；以后增加以后增加L 5（1 176 MHz）电源：太阳能、镉镍电池电源：太阳能、镉镍电池 卫星钟：原子钟卫星钟：原子钟1980.1.6.微处理器、存储器、收发机、微处理器、存储器、收发机、监测传感器、应急通信转发监测传感器、应急通信转发 器、器、30度波束圆极化天线度波束圆极化天线2.GPS卫星导航电文卫星导航电文

7、1）P码和码和CA码码CA 码码：低速、短周期的伪随机二进制序列码，：低速、短周期的伪随机二进制序列码，（1.023 MHz、1ms），测距精度低，协助捕获），测距精度低，协助捕获P码码P 码码：快速、长周期的伪随机二进制序列码，：快速、长周期的伪随机二进制序列码，（10.23 MHz、7 day），测距精度高，难于捕获），测距精度高，难于捕获优点优点:a.抗干扰抗干扰 CA（P）码有良好的自相关函数，使其易于在噪声背）码有良好的自相关函数，使其易于在噪声背 景中被识别；不同的景中被识别；不同的CA（P）码间有良好的互相关函）码间有良好的互相关函 数，则不同的卫星信号间的相互干扰很小。数，则不

8、同的卫星信号间的相互干扰很小。b.码分多址识别：码分多址识别：CA码：码：1025 种种；P码：码：1444 种种c.伪码加密伪码加密 GPS数据经过数据经过CA（P）码扩频发射，又需经解扩提取）码扩频发射，又需经解扩提取d.精确测距精确测距lGPS卫星发射伪码和用户本机采用的基准伪码结构相同且时间严格同步，卫星信号经过空间传播后背用户接受，相同结构的码之间的时间差即为传播延时。用户本机产生的基准伪码通过码相关电路跟踪接受伪码，形成本机跟踪伪码，本机跟踪伪码与本机基准伪码比较，从而测量出卫星到用户的传播延时，该延时乘以光速即到得到“伪距离”。lGPS接受机通过GPS天线接受到微弱的卫星信号，通过前置放大器放大送至变频器把射频（RF）信号变化成中频（IF）信号，经过中频放大后，送至信号解扩解调器电路，解扩解调电路的作用是：通过码相关电路使本机跟踪伪码在时间上和接收的卫星信号伪码对准，去处卫星信号中的伪随机噪声码，解调出GPS数据信号，经数据同步、滤波处理后检出GPS卫星电文。