GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課件

1、衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 系 統(tǒng) http:/,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),第三章 GPS系統(tǒng)與信號(hào),2,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),本章內(nèi)容安排,GPS系統(tǒng)組成及各部分的作用 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文 GPS衛(wèi)星在軌位置計(jì)算 GPS技術(shù)展望,3,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,4,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,GPS衛(wèi)星軌道和星座 GPS系統(tǒng)衛(wèi)星星座基本參數(shù)： 衛(wèi)星數(shù)（顆）21+3 軌道數(shù)（個(gè)）6 傾角55 軌道平面間距60 運(yùn)行周期11h58min 衛(wèi)星軌道高度（km）20200,GPS衛(wèi)星星座,5,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,GPS衛(wèi)星24小時(shí)的運(yùn)行軌道圖,6,GP

2、S衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,GPS星座的衛(wèi)星分布,7,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,GPS衛(wèi)星作用 接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文 生成并發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào) 接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作 其他特殊用途 主要設(shè)備 太陽能電池板 原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘） 信號(hào)生成與發(fā)射裝置,8,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,GPS地面監(jiān)控系統(tǒng),主控站：1個(gè);監(jiān)測站：6個(gè);注入站：4個(gè); 通訊與輔助系統(tǒng),9,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,Kwajalein Atoll,US Space Command,Hawaii,Ascension Is,Diego

3、 Garcia,Cape Canaveral,10,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,主控站 管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，收集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指 令；衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。 地點(diǎn)：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地。 監(jiān)測站 接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測衛(wèi) 星，并將收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。 地點(diǎn)：夏威夷、科羅拉多州法爾孔空軍基地、阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）、卡瓦加蘭（太平洋）。 注入站 將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。 地點(diǎn)：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度 洋）、卡瓦加蘭 （

4、太平洋,11,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,地面監(jiān)控系統(tǒng)框圖,12,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,用戶設(shè)備 各種型號(hào)的GPS接收機(jī),13,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,接收機(jī)分類（用途） 車載型用于車輛導(dǎo)航定位； 航海型用于船舶導(dǎo)航定位； 航空型用于飛機(jī)導(dǎo)航定位; 星載型用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位; 測地型用于大地測量,14,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,接收機(jī)分類（載波頻率） 單頻接收機(jī)：單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào)，不能消除電離層誤差; 雙頻接收機(jī)：雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1、L2載波信號(hào)。利用不同頻率對(duì)電離層延遲的差別，可以

5、 消除電離層延遲的影響,單頻接收機(jī),雙頻接收機(jī),15,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,接收機(jī)分類（通道數(shù)） 多通道接收機(jī) 序貫通道接收機(jī) 多路多用通道接收機(jī),內(nèi)置SiRF第三代20通道高靈敏度接收機(jī),16,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,接收機(jī)分類（工作原理） 碼相關(guān)型接收機(jī)：利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測 值； 平方型接收機(jī)：利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào)，來恢復(fù)完整的載波信號(hào)，通過相位計(jì)測定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差，測定偽距觀測值； 混合型接收機(jī)：綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值； 干涉型接

6、收機(jī)：將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個(gè)測站間距離,17,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS系統(tǒng)組成及各部分作用,GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu) 天線單元：包括接收天線和前置放大器。對(duì)天線的性能要求有：高增益、低噪聲系數(shù)、大的動(dòng)態(tài)范圍等； 接收單元：接收信號(hào)并處理，計(jì)算需要的信息； 通道單元：包括碼延遲鎖定環(huán)（DLL）和載波相位鎖定環(huán)（PLL）； 計(jì)算和顯示單元：根據(jù)采集到的信息，計(jì)算和顯示三維坐標(biāo)和速度； 存儲(chǔ)單元：用于存儲(chǔ)輸入的各種數(shù)據(jù); 電源：提供接收機(jī)需要的電能,18,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),GPS信號(hào)包括三種信號(hào)分量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼 (導(dǎo)航電文)。時(shí)鐘頻率 f0 =10.

7、23MHz，利用頻率綜合器產(chǎn)生所 需要的頻率,GPS信號(hào)構(gòu)成,19,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),載波（L波段） L1載波： ，波長 ； L2載波： ，波長 。 載波信號(hào)L1上調(diào)制有P碼、C/A碼及D碼；而載波信號(hào)L2上只調(diào)制P碼和D碼。其信號(hào)結(jié)構(gòu)為,20,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),C/A碼（Coarse/Acquisition Code） 由M序列優(yōu)選對(duì)組合碼形成的Gold碼（G碼） 碼率：1.023MHz； 周期：1ms； 1周期含碼元數(shù)：1023； 碼元寬度：293.05m； 僅被調(diào)制在L1上； 碼長很短，可以在一秒鐘搜索一千次，所以C/A碼除了用于捕獲衛(wèi)星信號(hào)和提供偽距

8、觀測量外，還可以過渡到捕獲P碼,21,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),C/A碼構(gòu)成原理圖,C/A碼產(chǎn)生,22,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),P碼（Precise Code） 由兩個(gè)偽隨機(jī)碼相乘構(gòu)成； 碼率：10.23MHz； 周期：7天； 1周期含碼元數(shù)：6187104000000； 碼元寬度：29.30m； 被調(diào)制在L1和L2上,C/A碼和P碼,23,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),導(dǎo)航電文（D碼,GPS衛(wèi)星信號(hào),電文結(jié)構(gòu),24,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),電文內(nèi)容,25,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),26,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),GPS衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生,27,GPS衛(wèi)星

9、導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),調(diào)制C/A碼的L1信號(hào),28,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),SPS與PPS SPS ： 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，使用C/A碼，民用 PPS ：精密定位服務(wù)，可使用P碼，軍用 SA技術(shù) 選擇可用性（Selective Availability ）：人為降低普通用戶的測量精度。 方法 技術(shù)：軌道加繞（長周期，慢變化） 技術(shù)：星鐘加繞（高頻抖動(dòng)，短周期，快變化） AS Anti-Spoofing 反電子欺騙：P碼加密，P+WY,美國政府于1991年7月1日實(shí)施SA技術(shù)，2000年5月2日解除,SA技術(shù),GPS衛(wèi)星信號(hào),29,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星信號(hào),SA對(duì)定位精度的影響,30,GPS

10、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星在軌位置計(jì)算,31,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星在軌位置計(jì)算,衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度 首先按下式計(jì)算 然后，根據(jù)電文給出的攝動(dòng)改正數(shù) ，計(jì)算經(jīng)攝動(dòng)改正后的平均角速度,32,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星在軌位置計(jì)算,計(jì)算歸元化觀測時(shí)間 電文中給出的GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)是對(duì)應(yīng)于參考時(shí)刻toe的。因此，于某時(shí)刻t 觀測衛(wèi)星，需將觀測時(shí)間t歸化為tk tk t toe 式中 tk稱作以參考時(shí)刻 toe為基準(zhǔn)的規(guī)劃觀測時(shí)間。 在計(jì)算tk時(shí)，應(yīng)注意toe是由每星期歷元（星期六/星期日子夜零點(diǎn)）開始計(jì)量的。當(dāng)tk302400 時(shí)，應(yīng)減去604800s。當(dāng)tk302400時(shí)，應(yīng)加上60

11、4800s,33,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星在軌位置計(jì)算,計(jì)算觀測時(shí)刻的衛(wèi)星平近點(diǎn)角 式中 為電文中給出的參考時(shí)刻 的平近點(diǎn)角。 計(jì)算觀測時(shí)刻的偏近點(diǎn)角 根據(jù)衛(wèi)星電文給出的偏心率 和算出的 ，用開普勒方程 進(jìn)行迭代解算,34,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星在軌位置計(jì)算,計(jì)算真近點(diǎn)角 根據(jù)“二體問題”公式 則 的計(jì)算公式為 或采用下式計(jì)算,35,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星在軌位置計(jì)算,計(jì)算升角距角 式中 為衛(wèi)星電文給出的近地點(diǎn)角距。 計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng) ， 和,36,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星在軌位置計(jì)算,計(jì)算經(jīng)攝動(dòng)改正的升角距角 、衛(wèi)星矢徑 和軌道傾角 計(jì)算衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系的位置 軌道

12、坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地球質(zhì)心， 軸指向升交點(diǎn)方向， 軸指向軌道平面的法線方向， 軸與 、 軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系的位置為,37,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS衛(wèi)星在軌位置計(jì)算,計(jì)算衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系中的位置 修正后的升交點(diǎn)經(jīng)度為 式中， 為升交點(diǎn)在 時(shí)的經(jīng)度； 為赤經(jīng)變化率； 為地球自轉(zhuǎn)角速度。 將衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系的坐標(biāo) ，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，算出衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系的坐標(biāo),38,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS接收機(jī)工作原理,GPS接收機(jī)工作流程 （1）對(duì)天線接收到的信號(hào)進(jìn)行捕獲； （2）跟蹤衛(wèi)星信號(hào)以保證連續(xù)測距； （3）解調(diào)導(dǎo)航電文，進(jìn)行定位解算。 GPS導(dǎo)航接收機(jī)必須具備碼的捕獲、碼的鎖

13、定與測 距、電文解調(diào)和定位計(jì)算的功能。其中的計(jì)算功能是由 接收機(jī)內(nèi)的微處理器（CPU）和部分存儲(chǔ)器及相關(guān)軟件 來完成的,39,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS接收機(jī)工作原理,GPS接收機(jī)基本功能結(jié)構(gòu)圖,40,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS技術(shù)展望,現(xiàn)行GPS系統(tǒng)的不足 Block A GPS信號(hào)極其微弱，幾乎 淹沒在背景噪聲之下，更不能穿透 鋼筋混凝土而進(jìn)入地下，并被建筑 物擋住，產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。 調(diào)制于L1載波上的C/A碼和P碼都位 于L1的中心頻帶，易受人為干擾。因?yàn)閷?duì)P碼的捕獲和跟蹤需要以捕獲C/A碼為基礎(chǔ)，這樣，如果干擾C/A碼的接收，也就等效于P碼也受到干擾,多路徑效應(yīng),41,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系

14、統(tǒng),GPS技術(shù)展望,民間用戶難以同時(shí)獲得L1-P碼偽距和L2-P碼偽距，無法實(shí)現(xiàn)GPS雙頻觀測的電離層效應(yīng)距離偏差改正，限制了GPS單點(diǎn)定位精度的提高。 GPS的系統(tǒng)組成和信號(hào)結(jié)構(gòu)都不能滿足當(dāng)前的需要。在中低緯度地區(qū)，每天總有兩次盲區(qū)，每次盲區(qū)歷時(shí)20-30min,給導(dǎo)航和定位帶來很大的誤差。 為了確保導(dǎo)航定位的精度，GPS的衛(wèi)星導(dǎo)航電文必須每天更新一次，地面監(jiān)控系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著編算和注入導(dǎo)航電文的重要任務(wù)，一旦地面監(jiān)控系統(tǒng)被破壞，軍用和民用用戶都不能得到高精度的GPS導(dǎo)航定位服務(wù),42,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS技術(shù)展望,國際上新的技術(shù)和系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，GPS面臨的競爭日益加劇， 尤其是俄羅斯 GLONASS系統(tǒng)和歐洲GALILEO計(jì)劃對(duì)美國產(chǎn)生的 壓力不斷增長，也對(duì)GPS一統(tǒng)天下的局面 提出了挑戰(zhàn),GPS在最近幾次局部戰(zhàn)爭中的成功應(yīng)用和新近出現(xiàn)的信息 戰(zhàn)學(xué)說已經(jīng)改變了美國軍方此前對(duì)GPS的一些看法，他們普遍 認(rèn)為，GPS所提供的定位和授時(shí)資源，不僅可用于航行保障、 交通運(yùn)輸，而且對(duì)戰(zhàn)爭中的目標(biāo)瞄準(zhǔn)、精確制導(dǎo)、指揮控制和 通信、戰(zhàn)場救援等方