GPS原理及測(cè)試

1、GPS原理及測(cè)試 主講人:譚宗洋內(nèi)容 1.GNSS定義與介紹 2.GPS的整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成 3.GPS原理定位與概述 4.GPS的測(cè)試GNSS 定義 GNSS是Global Navigation Satellite System的縮寫。中文譯名應(yīng)為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) GNSS 的種類： GPS，GLONASS，Galileo，中國(guó)北斗等GPS/GLONASS/GALILEO參數(shù)對(duì)比GPS系統(tǒng)的構(gòu)成 GPS系統(tǒng)系統(tǒng)=空間部分空間部分+控制部分控制部分+用戶部分用戶部分 空間部分：空間部分：GPS空間部分主要由空間部分主要由24顆顆GPS衛(wèi)星衛(wèi)星構(gòu)成，其中構(gòu)成，其中21顆工作衛(wèi)星，顆工作衛(wèi)星，3顆備用

2、衛(wèi)星。顆備用衛(wèi)星。24顆顆衛(wèi)星運(yùn)行在衛(wèi)星運(yùn)行在6個(gè)軌道平面上，運(yùn)行周期為個(gè)軌道平面上，運(yùn)行周期為12個(gè)小個(gè)小時(shí)。保證在任一時(shí)刻、任一地點(diǎn)高度角時(shí)。保證在任一時(shí)刻、任一地點(diǎn)高度角15度以上度以上都能夠觀測(cè)到都能夠觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。顆以上的衛(wèi)星。 主要作用：發(fā)送用于導(dǎo)航定位的衛(wèi)星信號(hào)。主要作用：發(fā)送用于導(dǎo)航定位的衛(wèi)星信號(hào)。 構(gòu)成：構(gòu)成：24顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星=21顆工作衛(wèi)星顆工作衛(wèi)星+3顆備用衛(wèi)星顆備用衛(wèi)星 GPS系統(tǒng)的構(gòu)成（控制部份） GPS控制部分由1個(gè)主控站，5個(gè)檢測(cè)站和3個(gè)注入站組成。 作用：作用：監(jiān)測(cè)和控制衛(wèi)星運(yùn)行，編算衛(wèi)星星歷（導(dǎo)航電文），保持系統(tǒng)時(shí)間。 （1）主控站：）主控站：從各個(gè)監(jiān)

3、控站收集衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和時(shí)鐘修正參數(shù)等，并通過(guò)注入站注入衛(wèi)星；向衛(wèi)星發(fā)布指令，控制衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星。 （2）監(jiān)控站：）監(jiān)控站：接收衛(wèi)星信號(hào)，檢測(cè)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)，收集天氣數(shù)據(jù)，并將這些信息傳送給主控站。 （3）注入站：）注入站：將主控站計(jì)算的衛(wèi)星星歷及時(shí)鐘修正參數(shù)等注入衛(wèi)星。 GPS系統(tǒng)的構(gòu)成（用戶部份） GPS用戶設(shè)備部分包含GPS接收器及相關(guān)設(shè)備。GPS接收器主要由GPS芯片構(gòu)成。 如車載、船載GPS導(dǎo)航儀，內(nèi)置GPS功能的移動(dòng)設(shè)備，GPS測(cè)繪設(shè)備等都屬于GPS用戶設(shè)備。 作用：作用：接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的設(shè)備，GPS系統(tǒng)的消費(fèi)者。 原理定位與概述

4、GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號(hào)，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60MHz的L2載波，它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長(zhǎng)分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號(hào)，這些信號(hào)主要有： C/A碼：碼：C/A碼又被稱為粗捕獲碼，它被調(diào)制在碼又被稱為粗捕獲碼，它被調(diào)制在L1載波上，是載波上，是1MHz的偽隨機(jī)噪聲碼（的偽隨機(jī)噪聲碼（PRN碼），碼），其碼長(zhǎng)為其碼長(zhǎng)為1023位（周期為位（周期為1ms）。由于每顆衛(wèi)星）。由于每顆衛(wèi)星的的C/A碼都不一樣，因此，我們經(jīng)常用它們的碼都不一樣，因此，我們經(jīng)常用它們的P

5、RN號(hào)來(lái)區(qū)分它們。號(hào)來(lái)區(qū)分它們。C/A碼是普通用戶用以測(cè)定碼是普通用戶用以測(cè)定測(cè)站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號(hào)。測(cè)站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號(hào)。 P碼碼 ：P碼又被稱為精碼，它被調(diào)制在L1和L2載波上，是10MHz的偽隨機(jī)噪聲碼，其周期為七天。在實(shí)施AS時(shí)，P碼與W碼進(jìn)行模二相加生成保密的Y碼，此時(shí)，一般用戶無(wú)法利用P碼來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位。 導(dǎo)航信息：導(dǎo)航信息被調(diào)制在導(dǎo)航信息：導(dǎo)航信息被調(diào)制在L1載波上，其信號(hào)頻率為載波上，其信號(hào)頻率為50Hz，包含有，包含有GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其它一些系統(tǒng)參數(shù)。用戶一般需要利用此導(dǎo)航信息來(lái)計(jì)算某它一些系統(tǒng)參數(shù)

6、。用戶一般需要利用此導(dǎo)航信息來(lái)計(jì)算某一時(shí)刻一時(shí)刻GPS衛(wèi)星在地球軌道上的位置，導(dǎo)航信息也被稱為衛(wèi)星在地球軌道上的位置，導(dǎo)航信息也被稱為廣播星歷。廣播星歷。 SPS和PPS是GPS系統(tǒng)針對(duì)不同用戶提供兩種不同類型的服務(wù)。一種是標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPSStandard Positioning Service)，另一種是精密定位服務(wù)(PPSPrecision Positioning Service)。這兩種不同類型的服務(wù)分別由兩種不同的子系統(tǒng)提供，標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)由標(biāo)準(zhǔn)定位子系統(tǒng)(SPSStandard Positioning System)提供，精密定位服務(wù)則由精密定位子系統(tǒng) (PPSPrecision

7、Positioning System)提供。 SPS主要面向全世界的民用用戶。 PPS主要面向美國(guó)及其盟國(guó)的軍事部門以及民用的特許用戶。 在GPS定位中，經(jīng)常采用下列觀測(cè)值中的一種或幾種進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以確定出待定點(diǎn)的坐標(biāo)或待定點(diǎn)之間的基線向量： L1載波相位觀測(cè)值 L2載波相位觀測(cè)值（半波或全波） 調(diào)制在L1上的C/A碼偽距 調(diào)制在L1上的P碼偽距 調(diào)制在L2上的P碼偽距 L1上的多普勒頻移 L2上的多普勒頻移 導(dǎo)航信息內(nèi)容 GPS系統(tǒng)時(shí)間和衛(wèi)星時(shí)鐘校準(zhǔn)值 高精度的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)(星歷) 粗略的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)(歷書) 系統(tǒng)衛(wèi)星健康狀態(tài) 導(dǎo)航信息概述 導(dǎo)航信息共分25幀，每幀1500bits，共37

8、500bits 每幀分5個(gè)子幀，每子幀300bits 每子幀分10個(gè)Word，每個(gè)Word為30bits 完整接收需耗時(shí)37500/50=12.5分鐘GPS衛(wèi)星信號(hào) 導(dǎo)航電文 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)框圖 GPS的誤差：我們?cè)诶玫恼`差：我們?cè)诶肎PS進(jìn)行定位時(shí)，會(huì)受到各種進(jìn)行定位時(shí)，會(huì)受到各種各樣因素的影響。影響各樣因素的影響。影響GPS定位精度的因素可分為以下四定位精度的因素可分為以下四大類：大類： （1）SA ：美國(guó)政府從其國(guó)家利益出發(fā)，通過(guò)降低廣播星歷精度（ 技術(shù)）、在GPS基準(zhǔn)信號(hào)中加入高頻抖動(dòng)（ 技術(shù)）等方法，人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度。 （2）衛(wèi)星星歷誤差 ：在進(jìn)行GPS定

9、位時(shí)，計(jì)算在某時(shí)刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過(guò)各種類型的星歷提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會(huì)與其真實(shí)位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。 （3）衛(wèi)星鐘差：衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。 （4）衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差 ：衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號(hào)發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。 GPS測(cè)試 主要測(cè)試項(xiàng)：（備注：靜態(tài)測(cè)試） (1)冷啟動(dòng)TTFF (2)熱啟動(dòng)TTFF (3)溫啟動(dòng)TTFF (4)捕獲靈敏度（冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)、溫啟動(dòng)） (5)跟蹤靈敏度 (6)重捕獲時(shí)間 冷啟動(dòng)的定義

10、：接收機(jī)加電至其捕獲第一個(gè)有效導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間、但需滿足如下條件: （1）時(shí)間未知 （2）當(dāng)前歷書（Almanac）和星歷（ephemteris）未知 （3）位置未知 由于該過(guò)程具有隨機(jī)性，需要在不同衛(wèi)星幾何分布條件下測(cè)試若干TTFF值并取其平均值 溫啟動(dòng)TTFF的定義;接收機(jī)加電至其捕獲第一個(gè)有效導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間，但需滿足如下條件： （1）時(shí)間己知 （2）歷書己知 （3）無(wú)星歷（或數(shù)據(jù)存在時(shí)間超過(guò)4小時(shí)） （4）位值距上次定位點(diǎn)100公里以內(nèi) 熱啟動(dòng)TTFF定義：接收機(jī)加電至其第一次捕獲有效導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間，但需滿足如下條件： （1）時(shí)間己知 （2）歷書己知 （3）星歷己知 （4）位值距上次定位點(diǎn)100公里以內(nèi) 捕獲靈敏度：是發(fā)生在“第一次定位”時(shí)能夠接收到的最低功率水平。該靈敏度的子集包括了在冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)條件下的獨(dú)立測(cè)量值 跟蹤靈敏度：就是接收機(jī)能夠連續(xù)保持鎖定所需要的最低功率水平。跟蹤閾值與