gps基本原理thales版

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1、行业应用部,GPS基本原理,行业应用部,什么是GPS,全球定位系统 GPS 的英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System（导航星测时与测距全球定位系统），简称 GPS ，有时也被称作NAVSTAR GPS。 根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。,行业应用部,GPS的内涵,建立国家 美国 建立的目的 在全球范围内，提供实时、连续、

2、全天候的导航定位及授时服务 开始筹建时间 1973年 完全建成时间 1995年,行业应用部,GPS的内涵,系统构成 空间部分、地面控制部分、用户部分 服务方式 通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务 测距原理 被动式电磁波测距 定位原理 距离交会 特点 导航、定位、测时精度高,距离交会,行业应用部,GPS测量,行业应用部,GPS的空间部分,组成 GPS卫星星座（由卫星构成） GPS卫星星座 设计星座：21+3（21颗正式工作卫星+3颗活动的备用卫星） 轨道：6个轨道面，平均高度20200km，倾角55，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）

3、 特点：保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星 当前星座：28颗 作用 发射供导航定位用的信号 接收地面注入的信息和指令,GPS卫星星座,行业应用部,GPS的空间部分,GPS卫星 主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置 作用： 接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 类型 Block I（试验卫星） Block II（工作卫星） - Block IIA、Block IIR、Block

4、IIF,行业应用部,GPS的控制部分,组成 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 作用 跟踪监控卫星 编制导航电文,地面控制部分,行业应用部,GPS的用户部分,组成 GPS信号接收机及辅助设备 作用 跟踪、捕获卫星信号 进行信号处理 测定位置、速度和时间 GPS信号接收机的构成 天线单元 接收单元,行业应用部,GPS的用户部分,GPS接收机的类型 依用途 大地型（测地型） 导航型 授（守）时型 依能否接收测距码（伪距码） 有码 无码 依接收伪距码的种类 C/A码 P码 依接收不同频率载波的数量 单频 双频,行业应用部,背景 GPS产业为美国带来大量的经济利益 克服美国限制措施的技术日益完善

5、成熟 其它卫星导航定位系统的竞争 内容 取消SA（2000年5月1日） L2上增加C/A码（第一阶段发射12颗Block II R卫星） 增加第三民用频率L5（ 2006年开始Block II F卫星 ） 增加军队专用码M1，M2 提高PPS信号质量 2020年共24+3 Block II F卫星,GPS现代化,行业应用部,GPS定位基础,GPS的卫星信号 GPS的坐标系统 GPS的时间系统,行业应用部,GPS卫星信号,GPS基本原理 GPS卫星信号,行业应用部,GPS卫星信号的组成成分,载波（Carrier） - 余弦波 L1 L2 测距码（Ranging Code） - 二进制波 C/A码

6、（目前只被调制在L1上） P(Y)码（被分别调制在L1和L2上） 卫星（导航）电文（D码） - 二进制波,行业应用部,8 GPS 定位原理（1）,卫星信号结构,基准频率 10.23MHZ,L1 1575 . 42 MHZ,C/A码 1.023MHZ,P码 10 . 23MHZ,L2 1227.60 MHZ,P码 10.23MHZ,10,154,120,50比特/S,卫星信息电文（D码）,每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率） 两种载波（L1和L2） 两种码信号（C/A码和P码） 一组导航电文（信息码，D码）,行业应用部,l 码 C/A = 300m l 码 P/Y = 30m,GPS re

7、ceiver,L1=1575.42Mhz l L1 = 19 cm L2=1227.60Mhz l L2 = 24 cm,l = C / F l = 波长 C = 传播速度 F = 频率,satellite,GPS 信号,行业应用部,导航电文的内容,卫星星历 卫星轨道参数及摄动改正 卫星时钟改正 电离层折射改正模型参数 （由地面监控系统提供） 电离层折射改正的Klobuchar模型参数 工作状态信息 快速捕获P码的信息,行业应用部,载波,作用 搭载其它调制信号 测距 测多普勒频移 类型 目前 L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 频率： 120f0 =

8、 1227.60MHz；波长：24.42cm 现代化后 增加L5 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm 特点 所选择的频率有利于测定多普勒频移 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）,GPS的载波,行业应用部,测距码,作用 测距 性质 为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise） 类型 目前 C/A码（Coarse/Acquisition Code） 粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被

9、调制在L1上，假设两个序列对齐误差为码元宽度的1%，这时相应的误差为2.93m 捕获CA码，通常对其进行逐个搜索，因为总共有1023个码元，所以若每秒50个码元的搜索速度，只需20.5秒便可收完,行业应用部,测距码,P（Y）码（Precise Code） 精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；测距精度为0.29m。被调制在L1和L2上 现代化后 在L2上调制C/A码 在L1和L2增加调制M码,行业应用部,GPS定位基本原理,行业应用部,GPS定位的基本原理,概述 伪距定位 载波相位测量定位 GPS测量的误差来源及影响,行业

10、应用部,概述,X,行业应用部,伪距,伪距：就是卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。 测量方法 通过测距码测定 优点 可直接测定卫星到接收机之间的距离 不存在模糊度的问题 抗干扰能力强 缺点 精度低 应用领域 导航、低精度测量等,行业应用部,伪距定位,所谓伪距定位，就是根据在某一时刻已知的卫星位置和接收机测出的到四颗以上GPS卫星的伪距，利用距离交会原理求定接收机天线所在点的三维坐标。,行业应用部,距离观测值的计算,GPS 定位原理,卫星钟调制的码信号,接收机时钟复制的码信号,t,t,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的 接收机本身按同一公

11、式复制码信号 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t 传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t,行业应用部,GPS 定位原理,单点定位结果的获取,单点定位解可以理解为一个后方交会问题 卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站 至卫星的伪距（由时延值推算得到） 由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差 所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：经度 , 经度 , 高程 h , 钟差 t,行业应用部,定位解算 1/2,dn = C * Tn dn = 卫星到接收机距离 C = 光速 Tn = 延迟时间,行业应用部,定位解算 2/2,D1 = ( Xsv1- Xr) + (Ysv1 - Yr)

12、 + (Zsv1 - Zr) + (Rc * C) D2 = ( Xsv2- Xr) + (Ysv2 - Yr) + (Zsv2 - Zr) + (Rc * C) D3 = ( Xsv3- Xr) + (Ysv3 - Yr) + (Zsv3 - Zr) + (Rc * C) D4 = ( Xsv4- Xr) + (Ysv4 - Yr) + (Zsv4 - Zr) + (Rc * C) 4 个未知量 ( Xr , Yr, Zr , Rc ) = 解算三维解 ( X,Y,Z)解需要4颗卫星,行业应用部,载波相位测量定位,所谓载波相位测量定位，就是通过测定GPS载波从卫星发出时刻到接收机收到时刻的相

13、位延迟来间接确定从卫星到接收机的距离，然后利用距离交会原理求定接收机天线所在点的三维坐标。,行业应用部,载波相位,测量方法 通过载波测定 优点 精度高 缺点 存在模糊度问题，无法直接测定卫星到接收机之间的距离 抗干扰能力弱 应用领域 测绘,行业应用部,9 GPS 测量（1）,采用载波相位观测值,发自卫星 的电磁波 信号：,信号量测精度优于波长的1/100 载波波长（L1=19cm, L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多 所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度,L1载波,L2载波,C/A码,P-码, p=29.3 m, L2=

14、24 cm, L1=19c m, C/A=293 m,行业应用部,9 GPS 测量（2）,组成星际站际两次差分观测值,Pik,Plj,Pij,Pj,Plk,Pk,Sl,Si,可以消去卫星钟的系统偏差 可以消去接收机时钟的误差 可以消去轨道（星历）误差的影响 可以削弱大气折射对观测值的影响,行业应用部,9 GPS 测量（3）,设法解算出初始整周未知数,测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成 （1）初始整周未知数n；（2） t 0至t i 时刻的整周记数Ci；（3）相位尾数i 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n 为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，

15、取得总观测值n+Ci+ i,Time (0),N,Time (i),n,C,行业应用部,9 GPS 测量（4）,弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系,精度,m,1 . 0,0.1,.01,整周未知数确定后,整周未知数确定前,经典静态定位 快速静态定位,0,0,30,80,2,5,时间（分）,如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于1m 随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高 一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高 经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数 快速静态定位将这个过程缩短到2-5分钟,行业应用部,DGPS,参 考 站,差分接收机,GPS receiver,差分接收机,GPS receiver,发射电台,矫正信息,-参考站处理所有收到卫星的伪距码误差( PRC)和速度误差 (PRR) - 用适当无线电链路传播数据 - 在流动站,GPS观测值通过参考站的数据矫正，计算出差分解算值 PRT1 = PRMT1 - PRCTO + ( PRRT0 * (T1-T0)