南理工导航4-2014

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1、1,导航技术基础（4）,教师：李 胜 E-mail:livic,2,上节课内容复习,GPS、GLONASS、GALILEO三个全球导航系统概况、工作原理 北斗卫星、IRNSS、QZSS三个区域导航系统概况、工作原理 GPS接收器使用方法。,3,本节课内容大纲,GPS坐标系 GPS时间,4,GPS25LVS输出数据,串口1 NMEA0183 2.0版本的ASCII语句，包括：NMEA标准语句：GPALM，GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG； GARMIN定义语句：PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，LVGLL，LCVTG； 串口2 包括GPS载波相位数据的二进

2、制数据；,5,GPS25LVS串口1输出数据示例,$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,0000*77 $GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,A*54 $GPVTG,359.95,T,M,15.15,N,28.0,K,A*04 $GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,2.1,1.2,1.7*3D $GPGSV,3,1,10,18,84,067,23,09,67,067,27,22,49,312

3、,28,15,47,231,30*70,6,GPS固定数据输出语句($GPGGA),$GPGGA ，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分GPS数据期限，差分参考基站标号，校验和结束标记。 $GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,0000*77,7,GPRMC推荐定位信息,$GPRMC，UTC时间（hhmmss），定位状态，纬度，纬度半球，经度，经度半球，地面速率，地面航向，UTC日期（ddmmyy），磁偏角，

4、磁偏角方向，模式指示*hh $GPRMC，121252.000，A，3958.3032，N，11629.6046，E，15.15，359.95，070306，A*54,8,地面速度信息(GPVTG),$GPVTG,T,M,N,K,*hh 以真北为参考基准的地面航向(000359度，前面的0也将被传输) 以磁北为参考基准的地面航向(000359度，前面的0也将被传输) 地面速率(000.0999.9节，前面的0也将被传输) 地面速率(0000.01851.8公里/小时，前面的0也将被传输) 模式指示(仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效 $GPVT

5、G,359.95,T,M,15.15,N,28.0,K,A*04,9,当前卫星信息（$GPGSA）,$GPGSA,1,2,3,4,18 1：定位模式，A=自动手动2D/3D，M=手动2D/3D; 2：定位类型，1=未定位，2=2D定位，3=3D定位; i：PRN码（伪随机噪声码），第12信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）; 15：PDOP综合位置精度因子（0.5 - 99.9）; 16：HDOP水平精度因子（0.5 - 99.9）; 17：VDOP垂直精度因子（0.5 - 99.9）; 18：校验值 ; $GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,2.1

6、,1.2,1.7*3D,10,可视卫星状态输出语句($GPGSV),$GPGSV，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(4)，(5)，(6)，(7)*hh(CR)(LF) (1)总的GSV语句电文数；2; (2)当前GSV语句号:1; (3)可视卫星总数:08; (4)卫星号:06; (5)仰角(0090度):33度; (6)方位角(000359度):240度; (7)信噪比(0099dB):45dB(后面依次为第10，16，17号卫星的信息); *总和校验域,11,天球及天球坐标系,天球坐标系是以天球及天球上的点线圈为基础所建立的坐标系。 作用：用于描述天空中物体位置的坐

7、标系,12,天球坐标系中的几个概念,天赤道：天球上假设的一个大圆，位于地球赤道的正上方，理论上有无穷半径； 黄道面：地球绕太阳公转的轨道平面 黄道：黄道面和天球相交的大圆； 春分点：当太阳在天球上从南向北移动，运行到天球赤道和黄道的交点；,13,黄道面,N,14,天球坐标系的分类,根据坐标原点位置来划分： 地心坐标系 站心坐标系 参心坐标系 根据天球基本面来划分： 赤经赤纬坐标系 黄道坐标系 时角赤道坐标系,15,天体位置的表示方法,恒星位置 采用赤经和赤纬表示； 人造卫星： 采用赤经、赤纬和与原点之间的距离r来表示；,16,地球的基本参数,赤道半径：ae = 6378136.49 米 通过两

8、级的半径：ap=6356755米 重力加速度：ge = 9.780327 米/秒2 扁率: f = 0.003352819 地球引力常数： GM=3.9860051014m3/s20.6108m3/s2,17,地球坐标系的定义,直角坐标系的定义 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。 大地坐标系 是由大地经度、纬度和高度构成的坐标系空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）,右手坐标系,19,早期的经度零点 1884年美国华盛顿国际经度会议定义：通过英国Greenwich天文台Airy仪中心的子午线为全球统一的

9、起始子午线。起始子午线与赤道的交点称为天文经度零点。 受板块运动、局部地壳运动和极移的影响,经度零点的问题,20,格林尼治平均子午线,由多个天文台共同维持 可减少板块运动、局部地壳运动和观测误差的影响,21,常用地理坐标系,国际地球参考框架(ITRF) 北京54旧坐标系 北京54新坐标系 2000国家大地坐标系 WGS-84坐标系GPS坐标系,22,国际地球参考架 （ITRF）,国际地球参考架 (ITRF)是IERS (International Earth Rotation Service)制定，由全球数百个人造卫星激光测距站（SLR）、甚长基线干涉测量 （VLBI）和GPS站所构成。 IG

10、S精密星历 Z轴指向CIO，利用SLR、VLBI和GPS等技术维持. 提供站坐标及速度场信息,2006年10月23日中阿合建的卫星测距站,24,1954年北京坐标系,坐标原点：前苏联的普尔科沃 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：分区分期局部平差。 存在的问题： 椭球参数有较大误差。 参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。 几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。 定向不明确。,25,1980年国家大地坐标系（GDZ80）,坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：1975年国际椭球 平差方法：天文大地网整体平差。 特点： 大地高程基准采用1956年黄海高程。 定

11、向明确。 椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。 大地原点地处我国中部。,26,新1954年北京坐标系（BJ54新）,坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 特点： 大地高程基准采用1956年黄海高程。 定向明确,与GDZ80平行。 综合GDZ80和旧BJ54建立起来。 采用多点定位，但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。,27,2000国家大地坐标系,随着科学技术的进步，越来越多的实际应用要求建立和采用“地心”坐标系。 空间定位技术的发展，使得建立高精度的“地心”坐标系称为可能。 CGCS2000大地坐标系是右手地固直

12、角坐标系。原点位于地球质心；Z轴与IERS参考极（IRP）方向一致，X轴为IERS参考子午面（IRM）与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴、X轴垂直并最终形成右手正交系。 参考椭球采用2000参考椭球,28,WGS-84坐标系,WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。是一个地心地固坐标系。,29,直角位置坐标与极坐标系坐标转换,公式（1）,公式（2）,30,直角坐标系和大地坐标系之间的相互转换,公式三,公式四,31,时间概念,什么是时间？ 时间是指宏观

13、一切具有不停止的持续性和不可逆性的物质状态的各种变化过程，其有共同性质的连续事件的度量衡的总称。 其本意是指四季的更替或太阳在黄道上的位置轮回。 时：宏观的，粗狂的、慢节奏的。 间：瞬时、快速对象的,32,计时仪器（一）,日晷,沙漏,钟摆,机械表,33,计时仪器（二）,NIST-F1,34,时间系统的分类,力学时 用一种反复的周期运动来度量的。 世界时 世界时是以地球自转运动为标准的时间计量系统。 原子时 由原子钟导出的时间，简称AT。它是以物质内部原子运动的特征为基础的 协调世界时 采用了以原子时秒长为尺度，时刻上接近于世界时的一种折衷时间系统 GPS时 GPS专用时间系统，由GPS主控站的

14、原子钟控制。,35,力学时,地球力学时(Terrestial Dynamical Time,TDT) 地心坐标系 质心力学时 (Barycentric Dynamical Time,TDB) 太阳系质心坐标系 两者差别主要为： 地球环绕太阳公转运行所有关之相对论效应 两个时间最大相差0.0017秒,36,世界时Universal Time-UT,由于观察地球自转运动所选的空间参考点不同，世界时系统包括： 恒星时 由春分点的周日视运动确定的时间称为恒星时。春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含24个恒星小时。 平太阳时 以平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一个平太阳日，含24

15、个平太阳小时。 世界时 以子夜零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时，,37,原子时Atomic Time-AT,由于世界时存在不均匀性和历书时的测定精度低，自1967年起，原子时已取代历书时作为基本的时间计量系统。 原子时秒长的定义是：铯原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射 9,192,631,770周所持续的时间 把在海平面上实现的上述原子时秒，规定为国际单位制时间单位,38,协调世界时 Universal Time Coordinated -UTC,从1972年起，采用了以原子时秒长为尺度，时刻上接近于世界时的一种折衷时间系统，称为协调世界时。 协调世界时秒长等于原子时秒长，采用闰

16、秒的办法使协调世界时的时刻与世界时接近。 目前，几乎所有国家时号的播发，均以UTC为基准。时号播发的同步精度约为0.2ms,关于闰秒的新闻,中科院国家授时中心近日宣布，我国将在北京时间2012年7月1号的7点59分59秒和全球同步进行闰秒调整，届时会出现7：59：60的特殊现象。 从1972年到现在，这四十年里已经调过25次了。最近这几年没调，但是前面几年，2005年、2008年，全都有过闰秒。 闰秒不会对日常生产和生活产生影响！,40,GPS时,GPS时属原子时系统，其秒长与原子时相同。原点定义为1980年1月6日零时与协调世界时的时刻一致。 GPS时与国际原子时的关系为： IAT-GPST=19(s) GPS时与协调世界时的关系为： GPST=UTC+1n -19s n值由国际地球自转服务组织公布。 如：1987年n=23，GPS时比协调世界时快4秒，即GPST=UTC+4s，,41,卫星轨道,卫星轨道半径：26560km 卫星离地高度：20192=(26560-6368)km 仰角