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1、第一节 概 述一、卫星导航系统简介卫星导航系统由导航卫星、地面站、用户设备组成。 GPS定位精度：P 码1 m；CA 码20 30 mCA码定位精度受SA和AS政策影响。 GPS特点：全球、全天候、高精度、连续、近于实时的三维定位与导航功能。1. GPS卫星导航系统（美国） GPS卫星：24（21+3）颗高轨卫星，分布在 6个轨道面内，轨道倾角约55度，双频发射，全球范围内可视性良好。2. GLONASS卫星导航系统（前苏联） GLONASS定位精度：P 码1 m；CA 码20 30 m无任何政策影响，不限制民用。 GLONASS特点：全球、全天候、高精度、连续、近于实时的三维定位与导航功能。
2、 GLONASS卫星： 25（24+1）颗中轨卫星，分布3个轨道面，轨道倾角约64度，双频发射，全球范围内可视性良好。3. 北斗星卫星导航系统（中国） 2000年发射 2 颗地球静止卫星（CEO） ，2003年6月正式运营。 特点：双星有源、区域性定位导航系统。 北斗卫星： 2+1 颗地球同步轨道（36 000 km）卫星。 定位精度：优于 20 ml优点： l(1) 卫星不受地理、气象或其他条件限制，可按需要在各种轨道上配置。 l(2)覆盖效率高：只要有少数几颗卫星就可覆盖全球。 l(3)范围广：卫星导航范围可从地面、水面、近地空间延伸到外层空间。 l(4)全天候导航：卫星导航不受气象及时间
3、限制。l(5)选择方便：用户选择最好的一组卫星进行高精度三维定位与导航。 l(6)使用简便：直接显示经、纬度船位和其他导航数据，不需特种图表。 (7)接收效果好：卫星发射的平均功率小。 l(8) 系统功能多： (定位、导航、通信、识别、授时)抗干扰，保密性强。 (9)卫星导航仪体积小、重量轻、操作简便，减轻工作强度。 l缺点： l(10)卫星轨道有飘移，需改进卫星上的设备，增加扰动补偿系统，需地面 站精确测定卫星的轨道参数和精确地预报。 l(11)地面工程庞大，设备昂贵，维修费用高，卫星寿命短，有些卫星导航 系统不能连续、实时导航定位或只能区域导航定位。 l(12)卫星导航系统还不能为水下运载
4、体提供导航。 l(13 )卫星导航系统易受少数国家的垄断和控制，服务于所设国家的最高利 益；在战争中不能为全球提供可靠的导航。1. 卫星导航系统的特点：（P112）3. 卫星的地心直角坐标系GPS 采用 WGS84 坐标系格林经线零度S（x, y, z）Oxzy东 90 度GPS 定位计算时必须进行 坐标系的转换。（WGS84 坐标系转换成地 理坐标系）H4. 卫星覆盖区OROH卫星R观测者卫星由于对流层影响，若考 虑卫星的最小仰角，则 其覆盖区将变小。若卫星的高度越高、最 小仰角越小，则卫星的 覆盖区越大。cos = R （R+H）第二节 GPS导航系统设置一、GPS地面站1. 跟踪站：接收
5、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；所测伪距1.5 s更新一次，电离层气象数据15 min平滑一次。2. 主控站：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。3. 注入站：地面站或地面天线，将导航信息送给卫星。二、GPS导航卫星网1. GPS导航卫星24（21+3）颗 高轨20183km ）卫星，分布在 6 个轨道面上 ，轨道倾角约 55 度，地平线7.5 度以上至少可以看到4颗 ，地平线上至少看到5颗，最多11颗；运行周期约11 h 58 m（717.88 m），约12
6、h。双频发射：L 1 波段（1 575.42 MHz）， P码、CA码和导航数据调制 ；L 2 波段（1 227.60 MHz）， P码和导航数据调制；以后增加L 5 （1 176 MHz）电源：太阳能、镉镍电池卫星钟：原子钟1980.1.6.微处理器、存储器、收发机 、监测传感器、应急通信转发器、 30度波束圆极化天线2. GPS卫星导航电文1）P码和CA码CA 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P码P 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，难于捕获优点: a. 抗干扰CA（P）码有良好的
7、自相关函数，使其易于在噪声背景中被识别；不同的CA（P）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。b. 码分多址识别： CA码：1025 种 ；P码：1444 种c. 伪码加密GPS数据经过CA （P）码扩频发射，又需经解扩提取 d. 精确测距2）GPS卫星导航电文（导航信息）a. 卫星导航电文的内容卫星原子钟的校正参量、卫星历书、卫星星历、卫星识 别标志等，主要用于计算卫星的位置及卫星钟差校正。b. 卫星导航电文的传输过程导航数据码 （电文）50HZCA码、P 码调制L1（或L2） 载波调制发射计算卫星位置识别卫星、测量 信号传播时间运载并发射 信号c. 卫星导航电文的接收过
8、程L1（或L2 ）高频信号本机CA码 或P码（相关输出 ）解调（滤波 ）导航数据 （电文） 50Hz可同时测伪距可计算出 卫星的位置TLM HOW 数据块I（卫星钟校正）TLM HOW 数据块II（星历）TLM HOW 数据块II（星历）TLM HOW 数据块III（历书）TLM HOW 数据块III（历书）本星更 新 /h所有星 更新 / 注入后6 s，10 字，30 码 / 字子帧30 s 50 字 1 500 码d. 卫星导航电文的结构54123214365871096 s0.6 s0.02 s30 s1 帧5个子帧1个子帧10个字1个字30 bit4、5子帧分25页1、2、3子帧全相同
9、历书完整历书帧结构12.5min三 、GPS的定位原理用户地面站卫星1. 定位原理 GPS 属球面导航系统卫星的位置根据卫星历书 计算可得(x,y,z)用户连续测到 3 颗卫星的 距离，即可得到三个球面 ，其交点即为用户的位置2. 伪测距由于卫星钟误差、用户钟误差、信号传播误差（电离层 折射误差和对流层折射误差）等的影响， GPS接收机测 得的用户到卫星的距离不是真实距离，称为伪距离。用户到第 i 颗卫星的真实距离:：X、Y、Z 及 Xsi、Ysi、Zsi 分别是用户和卫星在空间三维坐标。三维定位需选四颗卫星 伪测距 伪测距即为测量伪距，GPS 通常采用伪码法进行测距。伪码法：又称码相关法，即
10、用户设备产生一组与卫星相同的伪码，二者进行比相，求得用户到卫星的伪距离的方法。 伪距测量示意图：t全“1”状态 发射 伪码全“1”状态t收到的带 噪声伪码t本地跟踪 伪码t3. 定位计算1）导航仪根据其内存储的GPS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、精度几何因子数值选择仰角5、几何配置最好的 4 颗或 3 颗卫星3）导航仪对GPS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；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，计算出用户的位置第三节 GPS卫星导航仪一、GPS接收机框图原理CA码、单频GPS接收机变
11、频与中放相关检测伪码、载波跟 踪锁相环路数据检测伪码与多普勒 频率测量微处理器二、CA码单频GPS接收机的主要技术性能和功能1. 主要技术指标（P118）2. 主要功能1）显示定位和导航数据 2）设置参数：HDOP等 3）位置更新约 1 s，导航数据更新 3 5 s 4）显示卫星信息：编号、仰角等 5）存储、设计航线和航路点 6）报警功能：偏航、锚位监视、故障等 7）接口：输入输出三、GPS接收机的安装（P118） 0.5 m 1 m 4 m 1.5 m 3 m 5 m 避开雷达波束（30 或 40 ） 1 m 距离视钢柱直径大小而定（若 10 cm,则 1.5 m；若 30 cm，则 3 m
12、）四、GPS接收机的操作方法1. 启动的方法1）日常启动:日常的关机后的启动称为日常启动。 2）热启动:船位变化不大于100英里或3个月以内进行过通电 接收，卫星导航仪已收集历书，进行启动，称为热启动。 3）冷启动 冷启动的初始化输入： 输入时间 输入概略船位 设置HDOP值，一般置10 输入天线高度 设置测地系 设置区时 设置各种报警数值2. GPS定位：3. GPS卫星跟踪状态显示：定位分类：5. 使用 GPS 的注意事项： （P120）定位显示：4. GPS导航仪显示方式： 1）标绘显示：航迹标绘、船位、航向、航速等 2）航路显示：三维意向图、导航数据等 3）操舵显示：方位标尺、航路点方
13、位和距离等 4）导航数据显示：船位、航向、航速、时间等 5）用户显示：用户选择的区域最佳选星原则 5 85 4 颗或 3 颗1）静态定位和动态定位2）单点定位和相对（差分）定位经度、纬度、高度、航迹向、航速等参数第四节 GPS卫星导航仪定位误差一、伪测距误差：1. 卫 星 误 差：2. 信 号 传 播 误差：3. 卫星导航仪误差 ：导航仪通道间误差 导航仪噪声 量化误差电离层折射误差 对流层折射误差 多径效应星历表误差 卫星钟剩余误差 群延迟误差二、几何误差若测距误差为定值，用户与卫星的空间几何图形不 同时，定位的误差也不相同。精度几何因子（GDOP）用来描述用户与卫星的几何关系 对定位误差影
14、响的大小。GDOP值越小，选用的卫星的几何图形配置越理想，位置和时间的偏差值也越小。当 = 1 时，则：GDOP 精度几何因子； PDOP三维位置精度几何因子； HDOP水平方向精度几何因子； TDOP时钟偏差几何因子； VDOP高程精度几何因子船上 HDOP = 10 时，定位值可用三、测速误差四、海图标绘误差：大地坐标系不同引入的误差水平 0.03 0.13 m/s 垂直 0.05 0.21 m/sGDOP 同样适用若P 4.3 m HDOP = 1.5 6.5 m 误差CA 8.6 m HDOP = 1.5 12.9 m 误差误差表达式： 伪测距误差( ) PDOP=位置误差 伪测距误差
15、( )TDOP时钟误差 伪测距误差( )VDOP高程误差 伪测距误差( )HDOP水平位置误差 l(1)GPS卫星导航仪，根据卫星电文定时更新历书。若提供的历书 的时间已隔很久，或定位误差明显偏大，则应按操作步骤清除历 书及内存，并且进行初始化操作。 l(2)不同的HDOP值，有不同的定位精度。若HDOP的实际值超限 ，则GPS导航中断。当HDOP太大 l时，误差有发散趋势。 l(3)当有多颗卫星定位或HDOP、PDOP超限时，可自动或人工选择 GPS星座。最佳选星原则是选择仰角在5和85之间的4颗(3D)或3 颗(2D)GPS卫星，并且使GPS卫星和测者所构成的空间 l几何图形,使精度几何因子GDOP值为最小的一组GPS卫星。 l(4)尽量采用所使用海图的测地系。GPS卫星导航仪自动选择WGS - 84坐标系。 l(5)选择合适的运动状态。定点定位时，工作状态置于“静止”；慢 速航行时，置于“低状 l态”；高速航行或摇摆剧烈时，置于“高动态”。工作状态不同，滤 波作用各异。 l(6)利用卫星状态显
