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1、GPS卫星定位基本原理,中国农业大学信电学院刘峻明,GPS全称：Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System卫星测时测距导航 / 全球定位系统简称：GPS,定位是GPS的基本功能。,GPS的广泛应用,GPS如何实现 定位？,一个福尔摩斯探案的故事本故事纯属虚构， 如有雷同，实属巧合,Big Ben，伦敦，1859年建立,整点报时，每4秒1响,广播电台同步向全英国播报钟声,一天，一个富家女孩被一伙劫匪绑架， 送往某处藏匿,木制楼梯吱吱响，可能是个旧楼。 该到10楼了吧？,劫匪打开收音机,听听收音机，缓解一下
2、紧张,午夜，开始播送Big Ben的报时钟声，当、当,跟着数羊睡觉吧，1，2，3，11，12，13！ 一定是数错了！,过了很久，劫匪要她录音， 以向她爸妈索要赎金,爸、妈，有人劫持了我，他们索要一百万英镑，送到指定地点。我被藏在一幢很旧的房子里，老旧得走楼梯地板都会吱吱作响！爬了10楼后又听见电台播放的午夜报时钟声响了13下，我好害怕！求求你们照他们的话做，我想回家！,录音很快被快递送到她爸妈手中,无巧不成书， 大侦探福尔摩斯恰巧是女孩父母的好朋友， ,我来搞定它！,Yeah, I GET IT !,英国有成千上万的10层以上的老旧建筑，她藏哪呢？,思考中，请勿打扰 ,根据福尔摩斯的推断， 警
3、察如神兵天降，将女孩解救出来！,你们怎么找到这的？ 让我死个明白！,广播信号：光速传播，约300,000,000m/s。 钟声：音速传播，约340m/s。,13响的构成： 第1响： 来自收音机 第2-12响：来自Big Ben和收音机 第13响：来自Big Ben,从奇怪的13响出发推断。,福尔摩斯的破案逻辑,推断女孩藏身地点： 距离Big Ben足够近的地方（能听到钟声） 距离Big Ben约1360m（4s后听到钟声） 10层以上的旧楼,1360m = 340m/s 4s,很幸运，满足条件的只有一个楼！,下班后摸彩票去！,原理：利用同步发出的信号达到接收信号地点的时间延迟推算距离。距离 =
4、 音速 钟声时间延迟量信号源：Big Ben，广播（同步发出） 接收器：女孩的耳朵。广播信号快速到达(光速，延迟时间可忽略)，声音信号延迟到达(音速）。,GPS定位是以星站距离测量为基础的，同样利用了时间延迟求算距离的方法。（星站距离：GPS卫星到接收机的距离）,卫星信号是电磁波，以光速传播。,卫星距地面很远，轨道高度为20200km。,x 公里？ t 秒？,如何求算信号传播时间？,t0: 卫星发出码信号 （Big Ben）,t0: 接收机同步产生相同的码信号 （电台广播复制钟声）,t1: 接收机接收到卫星信号 （女孩听到Big Ben钟声）,伪随机码（ Pseudo Random Noice
5、 ）： 以等概率产生0和1。 具有良好的自相关性。编码信号移位后与原信号进行异或运算，产生新序列，自相关函数R判定自相关性：,R = (N0 - N1) / (N0 + N1),完全对齐时，R=1，未对齐时，R0。,GPS基于电路产生的伪随机码相位对齐方式实现时间延迟量的计算。,完全对齐：,未对齐：（错开1位）,R = (15 - 0) / (15 + 0) = 1,R = (7 - 8) / (7 + 8) = -1/15 -0.067,接收机接收到GPS卫星信号后，通过若干次移位，最终可与自身复制的码对齐（R=1）。,R,复制信号,GPS信号,GPS信号时间延迟t = 码元宽度tu 移位数
6、,星站距离 = 光速 码元宽度tu 移位数,传输一个bit所需要的时间。tu=1 / ff是信号传输频率，已知数。,原理：利用同步发出的信号达到接收机的时间延迟推算距离。星站距离 = 光速 GPS信号时间延迟量信号源：GPS卫星，接收机自身同步复制 接收器：接收机自身。复制信号快速到达(自身复制，无延迟)，GPS信号延迟到达(光速）。,得到了星站距离后 如何定位？,如果距Big Ben约1360m的10层以上旧楼很多,1360m,如果有两个Big Ben ,如果有三个Big Ben ,没有三个Big Ben，但有很多GPS卫星！,黑色 = 可见, 红色 = 不可见, 绿色 = 视线,总共24颗GPS卫星。地球任意一点可以看到5-12颗卫星。任一卫星的瞬时位置可根据星历计算得到。,d1,d2,空间距离交会法定位,d3, 在太空中！,距离交会法观测方程,(x,y,z)为待求的接收机位置， d为卫星到接收机的距离， (xi,yi,zi)为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。,d1,d2,d3,P1,P2,P3,结论：接收机观测到3颗以上卫星即可实现定位。,总结,星站距离计算 以码相位对齐测出GPS信号时延 以时延计算距离GPS定位 空间距离交会法定位 同步观测3颗以上卫星,谢 谢 ！,
