《第2章GPS系统组成及其结构ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章GPS系统组成及其结构ppt课件.ppt（75页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
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204教研室,秦 红 磊,电话：01082316491 Email:,第1章:绪论第2章:GPS系统概述第3章:GPS 坐标和时间系统第4章:GPS 卫星轨道第5章:GPS 信号结构和导航电文第6章:GPS 接收机第7章:GPS 导航观测量和误差分析第8章:GPS 定位原理第9章:整周模糊度技术,GPS系统组成及其结构,1.1 GNSS 历史1.2 GPS:全球定位系统,第2章 GNSS简介,GNSS 历史,1957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各国军事部门的高度重视。,人造卫星（Artif
2、icial Satellite),子午卫星导航系统历史（Transit）,1959年：子午仪（TRANSIT）,通常称为多普勒导航卫星系统，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，在Dr.Richard Kirschner博士的领导下，由霍普金斯大学应用物理实验室研制。,子午仪（Transit）系统星座,卫星数:6轨道数:6离心率:0轨道倾斜角度:90卫星周期:107min卫星高度:1075km(600nm)两个卫星轨道平面之间的夹角:30,子午仪系统定位原理,子午卫星的定位原理是通过测定同一颗卫
3、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视向位移，再利用卫星导航电文所给定的t1、t2、t3、t4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P（X，Y，Z）。,双曲面 双曲线点,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。（2）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 命缺陷，究其原因主要有三个方面：卫星轨道低 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,GNSS 历史,1960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
4、弹道导弹的精确导引。当时的这套导航系统被称为MOSAIC(Mobile System for Accurate ICBM Control).这套思想于1961年取消。,621B 系统,空军的“621B”计划能在高动态环境下工作，为了提供全球覆盖，621B计划拟采用34个星座，每个星座由45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24h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。该系统的主要问题有两个：一是极区覆盖问题;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。,GNSS-Timation 历史,“Timation”方案采用1218颗卫星组成全球定位网，卫星高
5、度约10000km，轨道显圆形，周期为8h，并于1967年5月和1969年11月分别发射了两颗试验卫星。“Timation”计划基本是一个二维系统，它不能满足空军飞机或导弹在高动态环境下的工作。,GNSS 历史,1969-1972:海军提出的计划称为“Timation”（时间导航），空军的计划名为“621B”1971-1972:增加了L2 频段，允许621B系统对电离层的错误修正.,GNSS 历史,August 1973:1973 年，12月17日,NAVSTAR GPS被批准,标志着概念的确认。(GPS计划的第一阶段).这套系统由24颗卫星构成，分布在周期为12小时的倾斜轨道上。,GNSS-
6、GPS 历史,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NAVSTAR(Navigation Satellite Timing and Ranging),GPS的官方名称,除美国以外的其它定位系统,GLONASS全球导航卫星系统苏联国防部正在更新GALILEO欧盟2008北斗系统中国2008,GPS 简介,GPS 历史GPS 基本功能GPS 构造GPS 是如何工作的 GPS 误差源GPS 应用,GPS 历史,GPS 的简单历史子午仪系统（Transit System）NavStar(现在称为 GPS)开始于 1973前四颗卫星发射于 1978GPS的第一次实际应用是在199
7、0年的海湾战争。1995年7月17号全面投入运行。系统耗资$12 billionGPS 为民用和军用提供全球服务2000年5月，宣布解除SA(Selective Availability),位置和坐标.两点之间的距离和方向.准确时间测量.,GPS 基本功能,GPS 结构,GPS 由三个部分组成 空间部分(卫星)地面部分(地面控制网络)用户部分(GPS 接收机和用户),GPS 结构,GPS 空间部分,24 颗卫星6个平面轨道相对于赤道的倾角为 55轨道之间的间隔为60距离地区表面20,200 km轨道周期11 hr 58 min5到8颗卫星可见,GPS 卫星改进,GPS 卫星,四个原子钟3块镍铬
8、电池两块太阳能电池板电池充电电力供应1136 wattsS 波段天线控制卫星12 个L 波段天线元用户通讯Block IIF 卫星(第四代),重量2370 pounds高度16.25 feet宽度两翼展开后为38.025 英尺设计寿命10 年Block IIR 在 Lockheed Martin,Valley Forge,PA 的卫星流水线,GPS 卫星,每个GPS卫星都配备有一个铯原子钟精确到 3 纳妙(0.000000003 s)每 360,000 年+/-1 妙地面控制站校正卫星卫星校正GPS接收机卫星和接收机之间的不同步超过1/100秒时，误差可达到 1860 里!,GPS 卫星,卫星
9、信号,容易被遮挡或者被水反射能够穿越标准大气、水蒸气、云层，长距离传输主要用途就是传输时间,导航电文调制在L1 和 L2上50 Hz整个电文的长度为 1500 bits;30 sec含有的信息有:卫星星历预报.卫星钟差校正参数预报.GPS 系统状态信息.GPS系统电离层模型,卫星信号,卫星信号,微波波段频频;满足全天候通讯L1 波段:1585.42 MHzL2 波段:1227.60 MHzL3 波段:1381.04 MHzL1 和 L2 波段用于定位伪随机码由毫秒长度的C/A码重复编码，每个C/A码的长度伪1023个bit。,卫星信号,卫星上的原子钟产生一个纯正弦波基准频率为,fo 10.23
10、 MHzL1 和 L2 载波f1=fo x 154=1575.42 MHz(19 cm)f2=fo x 120=1227.60 MHz(24 cm)特定的信息调制载这些信号上,卫星信号,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,P(Precise or Private)码更加复杂调制在 L1 和 L2上10.23 MHz PRN code每个码片对应的长度为
11、30 m长度为266.4天抗欺骗模式（Anti-Spoofing mode）是用加密的W码与P码合成Y码秘密译码,卫星信号,无源系统多个波段的信号允许电离层校正同时测量多颗卫星民用和军用分开抗干扰系统时实校正系统,Kwajalein Atoll,US Space Command,地面控制部分,Hawaii,Ascension Is.,Diego Garcia,Cape Canaveral,GPS 控制站,每个卫星每隔12小时经过地面站一次地面站接收卫星信号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所有的站向卫星发生纠正的信息,军事.搜索和营救.减少天灾.测量.海上,航空和大地
12、导航.遥控和遥测卫星定位、跟踪航行.地理信息系统(GIS).娱乐.,用户部分,GPS 接收机,接收机配有石英钟，比原子钟的精度低很多至少需要四颗卫星根据导航电文信息，能够转换到GPS时当接收到GPS信号时，接收机要复制C/A码和P码，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，因此也就决定了定位测量的精度,如何工作的？,四个未知量:经度(X)纬度(Y)高度(Z)时间(T)因此，需要四个卫星!如果知道3个卫星，接收机要对用户的位置进行故测，算出纬度和高度.,GPS 如何工作的?,24个卫星围绕地球旋转,手持接收机,单颗卫星用于定位.,两颗卫星用于定位,三颗卫星用于定位,定位是以时间为
13、依据的,T+3,卫星与用户之间的距离=“3乘以光速”,T,信号在“T”时刻离开卫星,信号被接收机接收的时刻为“T+3”,伪随机噪声码,接收机PRN,卫星 PRN,时间差,GPS 误差,遮挡物,遮挡物,多经,信号遮挡(大楼,山,树叶等),信号干扰源,GPS 误差源,卫星轨道扰动(被称作星历)太阳、月亮的引力;太阳风大气信号延迟电离层、对流层原子钟的浮动接收机质量有缺陷的钟或者内部噪声多经多经信号反射,选择有效(S/A),国防部对卫星时间加入了人为的抖动，使得定位精度降低.S/A 最初设计是为了防止美国的敌对势力对美国的威胁2000 年 5月，国防部宣布取消S/A.S/A 随时被国防部打开.,GP
14、S误差源,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 误差是累积增加的.,GPS 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位的精度.几何精度因子(DOP)反映了被接收到的卫星与卫星之间的相对位置.5个基本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质量.,理想卫星精度几何,N,S,W,E,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
15、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,真实坐标=x+0,y+0 校正=x-5,y+3,DGPS校正=x+(30-5)and y+(60+3)真实坐标=x+25,y+63,时实差分 GPS,NDGPS 国家差分地面站,National Differential Global Positioning System,Yellow areas show overlap between NDGPS stations.Green areas are little to no coverage.Topography may also
16、 limit some areas of coverage depicted here.,广域增强系统,同步 WAAS卫星,GPS 卫星,WAAS 控制站,(LAAS),WAAS 控制站,WAAS 的好处是什么?,GPS接收机的定位精度，在没有S/A的情况下，能够达到15米。,在理想情况下，装备有GPS的WAAS在定位精度95的情况下，能够获得3米的定位精度,GPS 测量方法的改进,S/A 于 2000年由国防部关闭将定位精度从100m 提高到 1030 m随时会开放使用精密定位服务译码接收机时实对测量的值进行平均高质量接收机差分GPS,GPS 站点,USNO NAVSTAR Homepage
17、Info on the GPS constellation How Stuff Works GPSGood everyday language explanationTrimble GPS tutorialFlash animationsGPS Waypoint registryDatabase of coordinates,Navstar 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,
