GPS考試課件集合

1、衛(wèi)星導航技術北京理工大學宇航學院第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.1基本定義衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一種星基的無線電導航定位系統(tǒng)。系統(tǒng)中，導航衛(wèi)星作為動態(tài)已知點，接收機通過接收導航衛(wèi)星發(fā)射的導航信號，實時地測定自己的位置、速度以及時間等導航信息 第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.2衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程 第一代衛(wèi)導航系統(tǒng) 有美國海軍的子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)和蘇聯(lián)海軍的CICADA衛(wèi)星導航系統(tǒng) 第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng) 有美國GPS，蘇聯(lián)GLONASS、歐洲GALELIO、中國北斗 第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.3衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組成空間星座部分地面監(jiān)控部分用戶設備部分 空間部分和地面監(jiān)控部分是用戶應用該系統(tǒng)進行導航和

2、定位的基礎 第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.3衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組成空間星座部分 GPS星座由24顆GPS衛(wèi)星構成，均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道平均高度為20200km，運行周期為11小時58分。整個星座保證用戶在任何時刻都能見到4顆以上的衛(wèi)星 第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.3衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組成地面監(jiān)控部分 GPS地面監(jiān)控部分分布在全球的多個地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站和信息注入站，負責對GPS衛(wèi)星軌道進行監(jiān)控，測量GPS衛(wèi)星的精確位置和其他一些修正補償數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)編制成導航電文，定期向GPS衛(wèi)星發(fā)送 第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.3衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組成GPS的用戶設備 即指接

3、收機，完成GPS信號的捕獲跟蹤，偽距、多普勒頻率和載波相位等GPS原始觀測量的測量，導航電文的解調(diào)，用戶位置、速度解算等最終的導航定位功能。第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.4衛(wèi)星導航系統(tǒng)基本原理1.4.1基本定位原理第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.4衛(wèi)星導航系統(tǒng)基本原理1.4.1基本定位原理222111122222222223333()()()()()()()()()sususususususususuxxyyzzxxyyzzxxyyzz第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.4衛(wèi)星導航系統(tǒng)基本原理1.4.2測速原理(1)位置差分測速(2)多普勒頻率測速surdTRTTvvvfffffcc1212)(

4、)(tttXtXV第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.5系統(tǒng)工作過程（1）地面控制部分監(jiān)控衛(wèi)星的軌道位置，并將其編制成導航電文，定期發(fā)送到衛(wèi)星；（2）衛(wèi)星將收到的電文進行處理，形成衛(wèi)星信號，在嚴格的時間基準下向地面廣播；（3）用戶的接收機對衛(wèi)星信號進行捕獲跟蹤，完成觀測量(偽距、多普勒)測量、電文解調(diào)，并根據(jù)定位模型，最終計算出用戶的PVT信息 第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.7 衛(wèi)星導航技術的特點全球性全天候全天時三維定位、定速、定時高精度（95，30m, 0.1m/s, 0.34us)要求與衛(wèi)星保持通視被動無源第一章 衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概論1.7 衛(wèi)星導航技術的特點衛(wèi)星導航系統(tǒng)與INS系統(tǒng)的比較

5、系統(tǒng)性能衛(wèi)星導航系統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)提供的信息三維位置、速度、時間三維位置、速度、加速度、姿態(tài)、姿態(tài)變化率精度短期精度較高，長期精度高短期精度高，長期精度低信息更新率1-10Hz100-1000Hz自主性需要與衛(wèi)星保持通視，接收衛(wèi)星信號不需要外界信息成本低(10000)第二章 時空系統(tǒng) 坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)是GPS的基本參考系統(tǒng)，是描述衛(wèi)星運動、處理觀測數(shù)據(jù)、表達用戶位置的基礎。 第二章 時空系統(tǒng)2.1 時間系統(tǒng) 時間參考時間系統(tǒng)地球自轉(zhuǎn)世界時：太陽時、恒星時地球公轉(zhuǎn)歷書時：地球力學時TDT、質(zhì)心力學時BDT原子振蕩原子時：國際原子時TAI、協(xié)調(diào)世界時UTC衛(wèi)星導航系統(tǒng)參考時GPST/BDT/GST

6、第二章 時空系統(tǒng)2.1時間系統(tǒng) （1）世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)周期為尺度而建立的一種時間系統(tǒng)，秒長為地球自轉(zhuǎn)一周的1/86400。世界時是一個不均勻的時間系統(tǒng)，由于地球自轉(zhuǎn)速度逐步減慢，其也逐步變慢。根據(jù)觀察地球自轉(zhuǎn)運動時所選空間參考點不同，世界時系統(tǒng)又有以下幾種表述形式： 恒星時（sidereal times）、 太陽時（solar time）、 世界時(universal time,UT)，定義為平太陽相對格林尼治子午面的時角加12小時，秒長為一個平太陽日的1/86400。第二章 時空系統(tǒng)2.1時間系統(tǒng) （2）原子時系統(tǒng)（atomic time, AT） 物質(zhì)內(nèi)部原子在兩個能級之間

7、躍遷時，輻射或吸收的電磁波頻率，具有極高的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性。原子鐘以這種高穩(wěn)定性的電磁波頻率為基準振蕩頻率，形成原子時系統(tǒng)。國際制秒（SI）： 基于原子時的尺度標準(1967)。位于海平面上的銫133原子基態(tài)兩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時間，為一原子時秒。國際原子時(TAI)： 秒長采用SI,原點為1958年1月1日0時UT1。由國際上分布在50多個國家的200多座原子鐘產(chǎn)生的原子時進行處理形成，是一個高度精確、均勻的時間系統(tǒng)。TAI的穩(wěn)定度大約為1310第二章 時空系統(tǒng)2.1時間系統(tǒng) （3）協(xié)調(diào)世界時(universal coordinate time,

8、 UTC) 1972年引入了世界協(xié)調(diào)時UTC。以國際原子時秒長為基礎。為了保持與世界時的一致，當UTC與世界時UT1差距超過0.9s時，采用跳秒方式插入1秒，使協(xié)調(diào)時盡量接近世界時。一般在12月31日或6月30日末加入，具體日期由國際地球自轉(zhuǎn)服務組織（IERS）安排并通告。到目前，最后一次跳秒發(fā)生在2012年6月30日最后一秒，跳秒累計數(shù)為35。TAIUTC跳秒數(shù) /IERS/EN/Publication/Bulletins第二章 時空系統(tǒng)2.1時間系統(tǒng)（5）時間的計時方法累計日：儒略日(JD)，起點為公元前4713年1月1日12時 。簡化儒略日(MJD)，以公元185

9、8年11月17日平子午夜作為計時起點 。年月日時分秒：儒略歷和格里歷(公歷，公元1582年開始推行）。周數(shù)/周內(nèi)秒：BD/GPS/GALILEO導航系統(tǒng)時間。累計日/日內(nèi)秒：GLONASS導航系統(tǒng)時間。2400000.5M JD JD第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) 在衛(wèi)星導航定位中，采用兩類坐標系，即天球坐標系與地球坐標系。天球坐標系：是一種慣性坐標系，其坐標原點及各坐標軸指向空間保持不變，用于描述衛(wèi)星運行位置和狀態(tài)。地球坐標系：是與地球固聯(lián)的坐標系，用于描述地面點的位置 第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （1）天球坐標系（慣性坐標系）天極天球赤道面與天球赤道天球子午面與天球子午圈黃道：黃赤交角

10、(23.5)黃極春分點與秋分點第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （1）天球坐標系（慣性坐標系） 在天球坐標系中，任一天體的位置可用天球空間直角坐標系和天球球面坐標系來描述。天球空間直角坐標系：原點位于地球的質(zhì)心，z軸指向天球的北極Pn，x軸指向春分點，y軸與x、z軸構成右手坐標系。天球球面坐標系：原點位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng)為含天軸和春分點的天球子午面與經(jīng)過天體s的天球子午面之間的交角，赤緯為原點至天體的連線與天球赤道面的夾角，向徑r為原點至天體的距離。第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （1）天球坐標系（慣性坐標系） 天球空間直角坐標系與天球球面坐標系在表達同一天體的位置時是等價的，二者可相互轉(zhuǎn)換。s

11、insincoscoscosrzyx22222yxzarctgxyarctgzyxr第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （1）天球坐標系（慣性坐標系）真天球坐標系 真天球坐標系的原點位于地心，Z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸的方向，即真天極方向。x軸指向真春分點，Y軸與X、Z軸構成右手坐標系。真天球坐標系又稱為瞬時天球坐標系。 由于受歲差、章動的影響，真天球坐標系的坐標軸指向是不斷變化的，是一個不斷旋轉(zhuǎn)的非慣性系。第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （2）地球坐標系 為了準確描述目標在地球上的位置，需要采用固連在地球上、隨同地球自轉(zhuǎn)的地球坐標系 第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （2）地球坐標系 地球坐標系有兩種

12、表達方式：直角坐標系和大地坐標系地心直角坐標系：原點與地球質(zhì)心重合，z軸指向地球北極，x軸指向格林尼治平子午面與赤道的交點E，y軸垂直于xoz平面構成右手坐標系。 地心大地坐標系：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地緯度B為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面點的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角，大地高H為地面點沿橢球法線至橢球面的距離。第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （2）地球坐標系瞬時地球坐標系 瞬時地球坐標系以地球質(zhì)心為原點，地球自轉(zhuǎn)軸為Z軸，指向瞬時北地極，X軸在赤道面上指向格林威治子午面與赤道面的交點即經(jīng)度零點，Y軸與X軸、Z軸構

13、成右手直角坐標系。 由于受極移影響，該坐標系的Z軸指向在隨時變化，因此該系稱為準地固坐標系 第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （2）地球坐標系協(xié)議地球坐標系(CTS) 協(xié)議地球坐標系的原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向國際協(xié)議原點(CIO)，X軸在赤道面內(nèi)指向經(jīng)度零點。協(xié)議地球坐標系又稱為地球固連坐標系(簡稱地固系ECEF)。 WGS-84坐標系就是一種以地球質(zhì)心為原點的地球固連坐標系，坐標系的定向與BIH1984.0所定義的方向一致，Z軸指向BIH系統(tǒng)定義的協(xié)議地極(CTP)的方向，X軸指向BIH 1984,0的零度子午面與CTP赤道的赤道的交點，Y軸垂直與XOZ平面并構成右手坐標系。 第二章 時空系

14、統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （3）站心坐標系 站心坐標系是以測站的橢球法線方向為Z軸，以測站大地子午線北端與大地地平面的交線為Y軸，大地平行圈（東方向）與大地地平面的交線為Z軸，構成右手坐標系，又稱東北天坐標系(ENU) 。 仰角：衛(wèi)星與站心系原點的連線與站心系XY平面的夾角。 方位角：衛(wèi)星在站心系XY平面的投影與站心系Y軸(北向)的夾角，順時針為正。第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （4）坐標變換1）坐標旋轉(zhuǎn) xyzXY1000)cos()sin(0)sin()cos()()cos(0)sin(010)sin(0)cos()()cos()sin(0)sin()cos(0001)(zyxRRR第二章 時空

15、系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （4）坐標變換2）地固坐標 站心坐標 地固坐標(xe,ye,ze)與站心坐標(xs,ys,zs)的轉(zhuǎn)換。其中(xe0,ye0,ze0)為站心系原點在地固系中的坐標，L0,B0為站心系原點在大地系中的經(jīng)度和緯度。 sssssseeeeeesssyxzyxzzzyyxxBLBLBBLBLBBLLzyxarctanarcsinsinsincoscoscoscossinsincossincoscossin2220000000000000000方位角：仰角：第二章 時空系統(tǒng)2.2坐標系統(tǒng) （4）坐標變換3）大地坐標系 地球地固坐標系BHeNzBLHNyBLHNxBeRNecefece

16、fecefasin1cossincoscossin1222NByxHNeHNyxHNzBxyLBeRNecefecefecefecefecefecefecefacos)()(arctanarctansin12222222Ra=6378137.0E2=6.69438e-33.導航衛(wèi)星軌道 3.2 軌道描述 3.2.1 描述方式 直角坐標（x,y,z,vx,vy,vz） 開普勒軌道根數(shù)軌道根數(shù)符號描述半長軸a大?。芰浚┢穆蔱形狀傾角i軌道面相對于赤道面的傾斜度升交點赤經(jīng)軌道相對于升交點位置的轉(zhuǎn)角近地點幅角近地點相對于升交點的角度真近點角衛(wèi)星相對于近地點的角度3.導航衛(wèi)星軌道 3.2 軌道描述3

17、.導航衛(wèi)星軌道 3.2 軌道描述 3.2.2 描述轉(zhuǎn)換(軌道根數(shù)直角坐標、速度)1）軌道系直角坐標cos1)1 (0sincos2eearrrzyxorbit其中：xY近地點遠地點r3.導航衛(wèi)星軌道 3.3 軌道描述 3.3.2 描述轉(zhuǎn)換2）坐標旋轉(zhuǎn))cos()sin(0)sin()cos(0001)(1000)cos()sin(0)sin()cos()()()()(iiiiiRRzyxRiRRzyxxzorbitzxzeci其中：1000)cos()sin(0)sin()cos()(zR3.導航衛(wèi)星軌道 3.4 軌道攝動 攝動力： 大氣阻力 地球形狀非球形及質(zhì)量分布不均勻引起非中心引力； 太

18、陽、月亮等其他星體的第三體引力； 太陽輻射光壓； 地球潮汐（固體潮、海洋潮） 地球磁力 推力 各種攝動力的影響均小于地球引力場10-53.導航衛(wèi)星軌道 3.4 軌道攝動3.GPS衛(wèi)星軌道 3.5 GPS衛(wèi)星星歷1）開普勒軌道六參數(shù): 衛(wèi)星橢圓軌道長半軸平方根; e衛(wèi)星橢圓軌道偏心率; i0參考時刻toe的軌道傾角; 0參考時刻toe的軌道升交點赤經(jīng); 軌道近地點角距; M0參數(shù)時刻toe的平近點角.a3.GPS衛(wèi)星軌道 3.5 GPS衛(wèi)星星歷2)軌道攝動九參數(shù):n衛(wèi)星運動平均角速度的改正;dot升交點赤徑的變化率;idot軌道傾角的變化率;Cuc ,Cus升交角矩的余弦和正弦攝動改正項系數(shù);C

19、ic ,Cis軌道傾角的余弦和正弦攝動改正項系數(shù);Crc ,Crs軌道半軸的余弦和正弦攝動改正項系數(shù).3）時間二參數(shù):Toe從星期日子夜時開始的星歷參考時刻;IODE星歷表的數(shù)據(jù)齡期4. 偽距測量 4.1 衛(wèi)星廣播信號 4.1.1構成 載波 偽碼 導航電文11111() ()cos(2)() ()sin(2)jjjjjjjLPPLpccLcSAP t D tfAC t D tf4. 偽距測量4.1.4導航電文 GPS電文 導航電文是包含衛(wèi)星星歷、工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼（或D碼）。 導航電文也是二進制碼，依規(guī)定格式組成

20、，按幀向外播送。每幀電文含有1500比特，播送速度50bit/s，每幀播送時間30s。0 xE2C1593D2846A59D594002106243D3C699C4F120B9EAB9EEEBDF2BE1FA4E00009B7AE208AA94. 偽距測量 4.1.4導航電文 導航電文內(nèi)容： （1）時間信息 （2）衛(wèi)星鐘信息 （3）本星星歷 （4）所有衛(wèi)星歷書 （5）電離層延遲修正參數(shù) （6）信號健康狀態(tài)4. 偽距測量 4.1.5 信號的調(diào)制 （1）GPS信號的調(diào)制生成11111( )( )cos(2)( )( )sin(2)jjjjjjjLPPLpccLcSA Pt DtfA Ct Dtf4

21、. 偽距測量 4.1.5 信號的調(diào)制 （2）電文調(diào)制到偽碼上4. 偽距測量 4.1.5 信號的調(diào)制 （3）調(diào)制到載波上4. 偽距測量 4.2 偽距測量4.2.1 偽距定義與偽距方程（1）物理意義()rtc tt4. 偽距測量 4.2 偽距測量4.2.1 偽距定義與偽距方程（2）偽距方程 sysssysrtropionoususussysssysrtropionosysssysrsysssysrsysssysssysrsysrsrttczzyyxxttcttcttcttttcttc222第五章 測量誤差分析 在衛(wèi)星導航定位中，觀測量中所含有的誤差將影響定位參數(shù)的精度。 影響測量結果的誤差來源于導

22、航衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程和地面接收設備。在高精度測量中，還應考慮與地球整體運動有關的地球潮汐、負荷潮及相對論效應等。第五章 測量誤差分析5.1誤差分類與衛(wèi)星有關的誤差星歷誤差衛(wèi)星鐘差與信號傳播有關的誤差電離層誤差對流層誤差地球自轉(zhuǎn)效應誤差相對論誤差多路徑效應誤差與接收機有關的誤差天線相位中心偏差接收機噪聲接收機測量誤差接收機導航解算誤差 第五章 測量誤差分析誤差來源對偽距測量的影響/mP碼C/A碼星歷誤差4.24.2鐘差與穩(wěn)定性3.03.0衛(wèi)星攝動1.01.0相位不確定性0.50.5其他0.90.9合計5.45.4電離層折射2.35.010.0對流層折射2.02.0多路徑效應1.21.2其他

23、0.50.5合計3.35.5-10.3接受機噪聲1.07.5其他0.50.5合計1.17.5總計6.410.8-13.8第五章 測量誤差分析5.2誤差修正（2）電離層誤差 電離層，指地球上空距地面高度在50-1000km之間的大氣層,電離層中的氣體分子由于受到太陽等天體各種射線輻射的影響，產(chǎn)生強烈的電離，形成大量的自由電子和正離子，形成電離層。離地面20000km的衛(wèi)星發(fā)射的電波，必須穿過電離層。當電磁波信號穿過電離層時，信號路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化，電波在電離層中傳播速度會大于在真空中的傳播速度，所以信號傳播時間乘以真空中的傳播速度C就不等于信號的實際傳播距離，從而引起測距誤差。

24、 對于導航衛(wèi)星信號來講，日間正午前后，當衛(wèi)星接近地平線時，電離層折射的影響，可能超過150m；在夜間，當衛(wèi)星處于天頂方向時，電離層折射的影響，將小于5m。第五章 測量誤差分析5.2誤差修正（2）電離層誤差 修正措施： 對于雙頻接收機，利用雙頻觀測加以修正，經(jīng)雙頻觀測改正后的距離殘差為厘米級。 對于單頻接收機，利用電離層模型加以修正，目前模型改正的有效性約為70%。第五章 測量誤差分析5.2誤差修正（2）電離層誤差 klobuchar修正模型： klobuchar模型認為，夜間的電離層時延穩(wěn)定不變，恒定為5ns；白天電離層時延的最大值出現(xiàn)在當?shù)孛刻斓?4點；其他時間電離層時延按余弦函數(shù)的規(guī)律變化。 450400,10*5450400),250400cos(10*5*99TtTtTtAftiono第五章 測量誤差分析5.2誤差修正（2）電離層誤差 klobuchar修正模型： 第五章 測量誤差分析5.2誤差修正（4）地球自轉(zhuǎn)誤差改正 ECEF坐標系隨地球一起繞Z軸自轉(zhuǎn)，衛(wèi)星相對于ECEF的位置（坐標值），是相對歷