无线定位系统原理与 应用

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1、无线定位系统 原理与应用 主要内容 GPS（Global Positioning System） GLONASS（GLObal NAvigation Satellite System） Galileo 北斗双星导航定位系统 GSM移动定位系统 2 GPS概述 全球卫星定位系统（简称GPS）是美国从本世 纪70年代开始研制，历时20余年，耗资200亿美元 ，于1994年全面建成。全球卫星定位系统以全天候 、高精度、自动化、高效益等特点，成功地应用于 大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和 管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、 地球动力学等多种学科，取得了好的经济效益和社 会效益。

2、3 GPS概述 u三个阶段： 19741978年，方案论证 19791987年，系统论证 19881993年，试验生产 u 总投资200亿美元。 u Block型实验卫星 u Block型和BlockA型工作卫星 u BlockR和Block型改善型工作卫星 4 GPS定位原理 图3 GPS定位原理 S S1 1 S S2 2 S S3 3 S S4 4 D D1 1 D D2 2 D D3 3 P P D D4 4 5 GPS定位系统的组成 GPS定位系统是由三个 部分组成： （1）GPS卫星星座（ 空间部分） （2）地面监控系统（ 地面控制部分） （3）GPS信号接收机 （用户设备部分）。

3、 6 GPS卫星星座组成 共24颗卫星，其中3颗备用 分布在6个轨道面上 图1GPS卫星星座 7 轨道面相对地球赤道面的倾角为55度 各轨道平面升交点赤经相差60度 相邻轨道上卫星的升交距角相差30度 轨道平均高度约20200km 运行周期11h58m 55 GPS卫星星座组成 8 u铯原子钟 u微处理器 u2块7m2的太阳能翼 板 u无线电收发两用机 u导航荷载（接收数 据，发射测距和导航 数据） u姿态控制和太阳能 板指向系统 GPS卫星 9 卫星配有4台频率相当稳定的原子钟（2台铯钟 ，2台铷钟），产生频率为10.23MHz的基准钟 频信号。分别转化为GPS卫星三种信号分量： 载波、测距

4、码和数据码。 基本频率 10.23MHz L1载波 1575.42MHz L2载波 1227.60MHz C/A码 1.023MHz P码 10.23MHz P码 10.23MHz 数据码 50BPS 数据码 50BPS 154 120 10 204600 GPS卫星信号 10 GPS卫星所采用的两种测距码，即粗测距 (C/A)码和精测距（P码或Y码），均属于伪 随机码。 GPS卫星信号的测距码 11 C/A码 C/A码：是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪 随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器组合 而产生。 C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50 码元的速度搜索，只需20.5s，

5、易于捕获，所以 C/A码通常也称捕获码。 C/A码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误 差为为码元宽度的1/101/100，则相应的测 距误差为29.32.93m。由于精度低，又称粗 码。现代科学技术的发展，使得测距分辨率大 大提高。一般最简单的导航接收机的伪距测量 分辨率达到0.1米。 12 C/A码的生成 13 P码 P码是卫星的精测码，码率为10.23MHZ，产生 的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用 的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。 P码的周期长，267天重复一次。P码的捕获一 般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获 P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若

6、 取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相 应的距离误差为0.29m，仅为C/A码的1/10， 故P码称为精码。 根据美国国防部规定，P码是专为军用的。 14 GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航 的数据基础。 导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态 、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正 、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信 息。导航电文又称为数据码（或D码）。 导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按 帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送 速度50bit/s，每帧播送时间30s。 GPS卫星导航电文 15 GPS 导航电文格式 123 45 12345678910

7、 30s 6s 0.02s 0.6s 子帧4、5各含25页 一个子帧 一个字码 一个主帧 一个页面 16 导航电文的结构 TLWHOW数据块1时钟修正参数 TLWHOW数据块2星历表 TLWHOW数据块2星历表继续 TLWHOW数据块3卫星历书等 TLWHOW数据块3卫星历书等 子帧 1 一个子帧6s长，10个字，每字30比特 1帧 30s 1500 比特 子帧 3 子帧 4 子帧 5 子帧 2 17 导航电文内容 1、遥测码（TLWTelemetry WORD） 位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。 遥测码的第18比特是同步码，使用户便于解释 导航电文；第922比特为遥测电文，其中包括

8、 地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息 和其它信息。第23和第24比特是连接码；第25 30比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误 。 18 导航电文内容 2、转换码（HOWHand Over Word） 紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕 获P码的Z记数。所谓Z记数是从星期日零时只能 星期六24时，P码字码X1的周期（1.5秒）的重 复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获 到P码。 19 导航电文内容 3、第一数据块 第一数据块位于第1子帧的第310字码，它 的主要内容包括： a、时延差改正Tgd就是载波L1、L2的电离层 时延差。 b 、数据龄期AODC是时钟改正数的外推时

9、间 间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。 C、 星期序号WN表示从1980年1月6日子夜 零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。 d 、卫星时钟改正GPS时间和UTC时间之间存 在的差值。 20 导航电文内容 4、第二数据块 第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示 GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参 数，包括下列三类： a、开普勒六参数。 b 、轨道摄动九参数。 C、 时间二参数 21 导航电文内容 5、第三数据块 第三数据块包括第4和第5子帧，其内容包括 了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某 颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星 的概略星历、时钟改正、卫星改

10、正、卫星工作状 态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的 卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。 22 1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息， 接收并执行监控站的控制指令。 2 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据 进行处理。 3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。 4 向用户发送定位信息。 5 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫 星姿态和启用备用卫星。 GPS卫星的基本功能 23 GPS地面监控部分 GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面 站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站 （1个）和注入站（3个） 地面监控部分的主要任务是： 1.监视每颗卫星的运动； 2.确定GPS

11、时间系统； 3.跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态； 4.向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。 24 控制站的分布 夏威夷 卡瓦加兰 狄哥 伽西亚 阿松森岛 科罗拉多 25 GPS地面监控部分 1、 监测站：是主控站直接控制下的数据自动 采集中心。对可见GPS卫星每6分钟进行一次伪 距测量和多普勒积分观测、采集气象要素等数 据，每15分钟平滑一次观测数据，由计算机进 行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫 星轨道。 26 GPS地面监控部分 2、 主控站 除协调和管理地面监控系统外，主要任务： 1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各 卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传 送

12、到注入站。 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫 星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间 的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 4）启用备用卫星代替失效工作卫星。 27 GPS地面监控部分 3、注入站： 主要设备为1台直径3.6m的天线、1台S波段 发射机和1台计算机。主要任务是在主控站 的控制下，将主控站推算和编制的卫星星 历、钟差、导航电文和其它控制指令等， 注入到相应卫星的存储系统，并监测注入 信息的正确性。 整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外 均无人值守。 28 接收机 调制 解调器 铯钟气象传感器 监测

13、站 观测星历 与时钟 主控站 计算误差 编算注入 导航电文 调制解调器 高功率 放大器 指令发生器 数据存储器和外部设备 注入站 数据处理机 数 据 处理机 L1 L2 S波段 GPS卫星GPS卫星 地面监控系统流程图 29 GPS接收机组成 GPS接收机的主要结构组成： 天线（带前置放大器） 信号处理器：用于信号识别与处理 微处理器：用于接收机的控制、数据采集 和导航计算 用户信息传输：包括操作板、显示板等 精密震荡器：产生标准频率 电源 30 GPS接收机的结构如图所示 天线前置放 大器 信号处理 器 微处理器 导航计算机 震荡器 用户信息 传输 数据存储器 外部传输 电源 31 GPS接

14、收机类型 （1）按工作原理划分： 码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码 结构完全相同的复制码。利用的是C/A码或P码 ，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。 平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉 调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号 。该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握 测距码结构，称无码接收机。 混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方 技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位 观测量。目前广泛使用。 32 GPS接收机类型 （2）根据接收机信号通道类型划分： 多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只 连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。 序贯通道接收机：只有

15、1-2个信号通道，为了跟踪多 个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号 进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大 于20ms），对卫星信号的跟踪是不连续的。 多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只 有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各 卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间 较短（小于20ms），可保持对卫星信号的连续跟踪 。33 GPS接收机类型 （3）根据所接收的卫星信号频率划分： 单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，虽然可 利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响 修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用 于小于20km的短基线

16、精密定位。 双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号 ，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量 的影响，定位精度较高。 这种分法较为常见。 34 GPS接收机类型 （4）按接收机用途划分： 导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时 位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。 采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定 位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。 测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位， 精度高。观测数据可测后处理或实时处理（RTK）， 需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结 构复杂，价格昂贵。 授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行 时频同步测定。 35 GPS接收机天线 天线的基本作用是把来自于卫星信号的 能量转化为相应的电流，并经前置放大器进 行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和 量测。 36 GPS接收机天线基本类型 37 GPS接收机 uDSNP uLEICA uGARMIN uTRIMBL