《GPS导航应用基础知识ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS导航应用基础知识ppt课件（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、GPS导航应用基础知识导航应用基础知识大地坐标与大地坐标与WGS-84大地大地/椭球坐标系椭球坐标系定义定义以参考椭球为依据建立的坐标系被称为大地坐标系，又被称为椭球坐标系。大地坐标大地坐标大地纬度（B）大地经度（L）大地高/椭球高（H）3WGS 84World Geodetic System 19841984年世界大地系统年世界大地系统GPS系统内部所采用坐标参照系系统内部所采用坐标参照系GPS卫星所发送的广播星历基于此系统卫星所发送的广播星历基于此系统4地图投影地图投影地图投影的产生地图投影的产生无法将地球表面的地形、地物毫无变形地表示到一个平面上无法将地球表面的地形、地物毫无变形地表示到
2、一个平面上6通俗的地图投影定义通俗的地图投影定义通俗的地图投影定义通俗的地图投影定义将球面坐标转换为平面坐标。7地图投影的定义地图投影的定义地图投影的定义地图投影的定义投影是球面坐标与平面坐标间的映射关系，可以用下面的数学表达式表示：式中：x，y为平面坐标系下的坐标；B， L为大地纬度和经度；f1， f2为单值、连续、有界的函数，也被称为投影函数。8地图投影的类型地图投影的类型9GPS时时GPS时时GPST秒长：原子时秒长秒长：原子时秒长起点：起点：1980年年1月月6日日0时时特点：连续计时，无跳秒特点：连续计时，无跳秒计时方法计时方法GPS周数+周内秒数GPS周数：从1980年1月6日起计
3、的周数，从第0周起算周内秒数：从当周周日0时起算的秒数11第第4章章 GPS系统的组成与系统的组成与信号结构信号结构引子引子GPS定位的基本原理定位的基本原理GPS定位的基本原理：距离交会定位的基本原理：距离交会14第第1节节 GPS坐标和时间系统坐标和时间系统GPS坐标和时间系统坐标和时间系统GPS坐标系统坐标系统1984年世界大地坐标系（WGS-84 World Geodetic System）GPS时间系统时间系统 GPS时（时（GPST）秒长：原子时秒长计时方法：GPS周（GPS Week） + 周内秒数（TOW），每周以周日零时为起点时间起点：1980年1月6日0时（在该时刻与UTC
4、同步）其他特点：无跳秒目前：GPST UTC = 15（2012年2月29日）16第第2节节 GPS的组成的组成概况概况GPS的组成的组成空间部空间部分分地面监地面监控部分控部分用户部用户部分分GPS19空间部分空间部分GPS的空间部分的空间部分构成：由构成：由GPS卫星所组成的卫星所组成的GPS卫星星座卫星星座卫星数量：卫星数量：21(工作卫星工作卫星)+3(活动的备用卫星活动的备用卫星)轨道面数量：轨道面数量：6平均轨道高度：平均轨道高度：20200km轨道倾角：轨道倾角：55轨道周期：轨道周期：11h 58minGPS设计星座设计星座目前（目前（2012.02.29），），GPS星座由星
5、座由32颗颗GPS工作卫星构成。工作卫星构成。21GPS卫星星座卫星星座注：摘编自注：摘编自http:/www.navcen.uscg.gov/?Do=constellationStatus22GPS卫星的功能卫星的功能接收、存储导航电文接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测生成用于导航定位的信号（测距码、载波）距码、载波）发送用于导航定位的信号（采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用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测其他特殊用途，如通讯、监测核暴等核暴等 23GPS
6、卫星卫星Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR24地面监控部分地面监控部分GPS地面监控部分的组成地面监控部分的组成主控站：主控站：1个个监测站：监测站：5个个注入站：注入站：3个个通讯与辅助系统通讯与辅助系统26GPS地面监控部分的分布地面监控部分的分布27地面监控部分的功能地面监控部分的功能跟踪跟踪GPS卫星卫星确定卫星轨道及卫星钟改正数确定卫星轨道及卫星钟改正数预报卫星轨道，建立卫星钟改预报卫星轨道，建立卫星钟改正模型正模型编制成导航电文，并通过注入编制成导航电文，并通过注入站送往卫星站送往卫星通过注入站向卫星发布各种
7、指通过注入站向卫星发布各种指令令 28用户部分用户部分用户部分的组成用户部分的组成用户用户接收设备接收设备30用户部分的功能用户部分的功能用户部分的功能用户部分的功能测定从接收机至GPS卫星的距离接收卫星星历利用上述信息确定自身的三维位置、三维运动速度和钟差等参数31第第3节节 GPS卫星的信号结构卫星的信号结构GPS卫星信号的成分卫星信号的成分GPS卫星信号的成分卫星信号的成分载波载波可运载调制信号的高频振荡波L1，L2测距码测距码用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码C/A码（目前只被调制在L1上），P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）导航电文导航电文由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星
8、空间位置、工作状态、卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据的二进制码，也被称为数据码（D码）L2P2D L1C/A P1 D34GPS卫星信号的成分卫星信号的成分35载波载波载波的作用和类型载波的作用和类型作用作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型类型目前L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cmL2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm37载波的作用和类型载波的作用和类型选择两（多）个频率可以较好地消除信号选择两（多）个频率可以较好地消除信号的电
9、离层折射延迟的电离层折射延迟电离层折射延迟与信号的频率有关38测距码测距码测距码的作用和性质测距码的作用和性质作用作用测距性质性质为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise），既具有随机噪声的特性，又可以精确定义（实际上隐含有时间信息）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为140C/A码码名称名称粗码/捕获码（Coarse/Acquisition Code） 码率码率1.023MHz周期周期1ms1周期含码元数周期含码元数1023码元宽度码元宽度293.05m调制载波调制载波L141P码码名称名称精码（Precis
10、e Code）码率码率10.23MHz周期周期7天1周期含码元数周期含码元数6187104000000码元宽度码元宽度29.30m调制载波调制载波L1和L242现代化后测距码的变化现代化后测距码的变化在在L2上调制上调制C/A码码在在L1和和L2增加调制增加调制M码（军用码）码（军用码）43导航电文导航电文导航电文的作用及基本结构导航电文的作用及基本结构形式形式码率50Hz的比特流作用作用向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息45导航电文的作用及基本结构导航电文的作用及基本结构组织方式组织方式字（30bit）子帧（由10个字组成）（主）帧（由5个子帧组成）导航电文（由25个
11、（主）帧组成）一帧导航电文的结构一帧导航电文的结构46第第5章章 GPS测量的基本原测量的基本原理和方法理和方法第第1节节 码伪距测量码伪距测量距离交会与距离交会与GPS定位定位49测距方法测距方法离散脉冲信号测距离散脉冲信号测距连续测距码或载波信号测距连续测距码或载波信号测距在在GPS中采中采用的是此类用的是此类方法方法50卫星信号传播时间距离测定的基本思路距离测定的基本思路基本思路：通过某种方式测定卫星信号从基本思路：通过某种方式测定卫星信号从卫星至接收机的传播时间。卫星至接收机的传播时间。51信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定卫星与接收机各自卫星与接收机各自根据自身
12、的时钟产根据自身的时钟产生信号生信号52信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定卫星经过一段时间卫星经过一段时间的传播到达接收机的传播到达接收机53信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定接收机通过对本地接收机通过对本地信号在时间轴上平信号在时间轴上平移，直至与所接收移，直至与所接收到的卫星信号对齐，到的卫星信号对齐，所平移的时间即为所平移的时间即为所测定的信号传播所测定的信号传播时间时间54信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定信号传播时间的测定信号传播时间的测定卫星信号接收机复制信号接收机复制信号的时延55测距码测距的必要条件测距码测距的必
13、要条件测距码测距的必要条件测距码测距的必要条件必须了解测距码的结构56测距码测距的特点测距码测距的特点采用采用CDMA（码分多址）（码分多址）技术，可区分不同卫星信技术，可区分不同卫星信号号易于捕获微弱的卫星信号易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度可提高测距精度便于对系统进行控制和管便于对系统进行控制和管理（如理（如AS）每颗每颗GPS卫星都采用特定的卫星都采用特定的伪随机噪声码伪随机噪声码微弱信号的捕获微弱信号的捕获57接收机钟差接收机钟差卫星钟差卫星钟差信号离开卫星信号离开卫星的时刻（由卫的时刻（由卫星钟测定）星钟测定）信号到达接收信号到达接收机的时刻（由机的时刻（由接收机钟测定）接收机钟
14、测定）码伪距的观测方程码伪距的观测方程信号离开卫星信号离开卫星的时刻（系统的时刻（系统时间）时间）信号到达接收信号到达接收机的时刻（系机的时刻（系统时间）统时间）58第第2节节 单点定位单点定位与测时与测时单点定位的定义单点定位的定义单点定位单点定位根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法，也被称为绝对定位单点定位单点定位60测时测时单点测时（位置未知）单点测时（位置未知）同时观测4颗以上卫星，求解位置和钟差参数单点测时（位置已知）单点测时（位置已知）仅需观测1颗卫星，求解钟差参数共视法共视法利用2台接收机同时观测相同的卫星进行时间传递卫星卫星接收
15、机接收机1接收机接收机261单点定位精度与用户等效距离误差单点定位精度与用户等效距离误差当卫星分布相同时，用户等效距离误差越小，定位精度越高当卫星分布相同时，用户等效距离误差越小，定位精度越高用户等效距离误差（用户等效距离误差（UERE）是将单点定位时可能发生的所有误差归化到站星距离上所得的结果。62单点定位精度与卫星分布单点定位精度与卫星分布当用户等效距离误差相同时，卫星分布越好（数量多且分布均匀），定位精度越高当用户等效距离误差相同时，卫星分布越好（数量多且分布均匀），定位精度越高63DOP值值DOP精度衰减因子（Dilution of Precision）DOP值与定位精度值与定位精度D
16、OP值的性质值的性质DOP值与单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件DOP值越小，定位的几何条件越好64DOP值值DOP值的类型值的类型GDOP Geometry Dilution of Precision（几何精度衰减因子）PDOP Position Dilution of Precision （位置精度衰减因子）TDOP Time Dilution of Precision （时间精度衰减因子）HDOP Horizontal Dilution of Precision （水平精度衰减因子）VDOP Vertical Dilution of Precision （
17、垂直精度衰减因子）65第第3节节 多普勒测量多普勒测量信号锁定信号锁定频率频率/码延迟搜索码延迟搜索频率频率/码延迟搜索码延迟搜索67多普勒观测量多普勒观测量多普勒观测量是接收信号与发射信号的频多普勒观测量是接收信号与发射信号的频率差异率差异发射信号频率发射信号频率接收机钟差接收机钟差站星单位矢量站星单位矢量卫星速度矢量卫星速度矢量接收机速度矢量接收机速度矢量68单点测速单点测速单点测速单点测速根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对速度的方法69第第4节节 载波相位测量载波相位测量载波相位测量载波相位测量在在GPS中，还可以将载中，还可以将载波的相位作为站星间距波的相位作为站星间距离的观测量，离的观测量，载波相位测量的特点是载波相位测量的特点是精度高（可达毫米级），精度高（可达毫米级），但存在模糊度和周跳问但存在模糊度和周跳问题题广泛应用于测绘等对精广泛应用于测绘等对精度要求较高的领域度要求较高的领域71THE ENDTHE END
