《GPS卫星导航系统》PPT课件.ppt

卫 星 导 航 系 统 /,第三章 GPS系统与信号,本章内容安排,GPS系统组成及各部分的作用 GPS卫星导航电文 GPS卫星在轨位置计算 GPS技术展望,GPS系统组成及各部分作用,GPS系统组成及各部分作用,GPS卫星轨道和星座 GPS系统卫星星座基本参数： 卫星数（颗） 21+3 轨道数（个） 6 倾角 55 轨道平面间距 60 运行周期 11h58min 卫星轨道高度（km） 20200,GPS卫星星座,GPS系统组成及各部分作用,GPS卫星24小时的运行轨道图,GPS系统组成及各部分作用,GPS星座的卫星分布,GPS系统组成及各部分作用,GPS卫星作用 接收、存储导航电文 生成并发送用于导航定位的信号 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途 主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置,GPS系统组成及各部分作用,GPS地面监控系统,主控站：1个; 监测站：6个;注入站：4个; 通讯与辅助系统。,GPS系统组成及各部分作用,Kwajalein Atoll,US Space Command,Hawaii,Ascension Is.,Diego Garcia,Cape Canaveral,GPS系统组成及各部分作用,主控站 管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指 令；卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。 监测站 接收卫星数据，采集气象信息，实时监测卫 星，并将收集到的数据传送给主控站。 地点：夏威夷、科罗拉多州法尔孔空军基地、阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）、卡瓦加兰（太平洋）。 注入站 将导航电文注入GPS卫星。 地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度 洋）、卡瓦加兰 （太平洋）。,GPS系统组成及各部分作用,地面监控系统框图,GPS系统组成及各部分作用,用户设备 各种型号的GPS接收机,GPS系统组成及各部分作用,接收机分类（用途） 车载型用于车辆导航定位； 航海型用于船舶导航定位； 航空型用于飞机导航定位; 星载型用于卫星导航定位; 测地型用于大地测量。,GPS系统组成及各部分作用,接收机分类（载波频率） 单频接收机：单频接收机只能接收L1载波信号，不能消除电离层误差; 双频接收机：双频接收机可以同时接收L1、L2载波信号。利用不同频率对电离层延迟的差别，可以 消除电离层延迟的影响 。,单频接收机,双频接收机,GPS系统组成及各部分作用,接收机分类（通道数） 多通道接收机 序贯通道接收机 多路多用通道接收机,内置SiRF第三代20通道高灵敏度接收机,GPS系统组成及各部分作用,接收机分类（工作原理） 码相关型接收机：利用码相关技术得到伪距观测 值； 平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值； 混合型接收机：综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值； 干涉型接收机：将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。,GPS系统组成及各部分作用,GPS接收机结构 天线单元：包括接收天线和前置放大器。对天线的性能要求有：高增益、低噪声系数、大的动态范围等； 接收单元：接收信号并处理，计算需要的信息； 通道单元：包括码延迟锁定环（DLL）和载波相位锁定环（PLL）； 计算和显示单元：根据采集到的信息，计算和显示三维坐标和速度； 存储单元：用于存储输入的各种数据; 电源：提供接收机需要的电能。,GPS卫星信号,GPS信号包括三种信号分量：载波、测距码和数据码 (导航电文)。时钟频率 f0 =10.23MHz，利用频率综合器产生所 需要的频率。,GPS信号构成,GPS卫星信号,载波（L波段） L1载波： ，波长 ； L2载波： ，波长 。 载波信号L1上调制有P码、C/A码及D码；而载波信号L2上只调制P码和D码。其信号结构为：,GPS卫星信号,C/A码（Coarse/Acquisition Code） 由M序列优选对组合码形成的Gold码（G码） 码率：1.023MHz； 周期：1ms； 1周期含码元数：1023； 码元宽度：293.05m； 仅被调制在L1上； 码长很短，可以在一秒钟搜索一千次，所以C/A码除了用于捕获卫星信号和提供伪距观测量外，还可以过渡到捕获P码。,GPS卫星信号,C/A码构成原理图,C/A码产生,GPS卫星信号,P码（Precise Code） 由两个伪随机码相乘构成； 码率：10.23MHz； 周期：7天； 1周期含码元数：6187104000000； 码元宽度：29.30m； 被调制在L1和L2上。,C/A码和P码,导航电文（D码）,GPS卫星信号,电文结构,GPS卫星信号,电文内容,GPS卫星信号,GPS卫星信号,GPS卫星信号产生,GPS卫星信号,调制C/A码的L1信号,SPS与PPS SPS ： 标准定位服务，使用C/A码，民用 PPS ：精密定位服务，可使用P码，军用 SA技术 选择可用性（Selective Availability ）：人为降低普通用户的测量精度。 方法 技术：轨道加绕（长周期，慢变化） 技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化） AS Anti-Spoofing 反电子欺骗：P码加密，P+WY,美国政府于1991年7月1日实施SA技术，2000年5月2日解除,SA技术,GPS卫星信号,GPS卫星信号,SA对定位精度的影响,GPS卫星在轨位置计算,GPS卫星在轨位置计算,卫星运行的平均角速度 首先按下式计算 然后，根据电文给出的摄动改正数 ，计算经摄动改正后的平均角速度,GPS卫星在轨位置计算,计算归元化观测时间 电文中给出的GPS卫星轨道参数是对应于参考时刻toe的。因此，于某时刻t 观测卫星，需将观测时间t归化为tk tk t toe 式中 tk称作以参考时刻 toe为基准的规划观测时间。 在计算tk时，应注意toe是由每星期历元（星期六/星期日子夜零点）开始计量的。当tk302400 时，应减去604800s。当tk302400时，应加上604800s。,GPS卫星在轨位置计算,计算观测时刻的卫星平近点角 式中 为电文中给出的参考时刻 的平近点角。 计算观测时刻的偏近点角 根据卫星电文给出的偏心率 和算出的 ，用开普勒方程 进行迭代解算。,GPS卫星在轨位置计算,计算真近点角 根据“二体问题”公式 则 的计算公式为 或采用下式计算,GPS卫星在轨位置计算,计算升角距角 式中 为卫星电文给出的近地点角距。 计算摄动改正项 ， 和,GPS卫星在轨位置计算,计算经摄动改正的升角距角 、卫星矢径 和轨道倾角 计算卫星在轨道坐标系的位置 轨道坐标系的原点在地球质心， 轴指向升交点方向， 轴指向轨道平面的法线方向， 轴与 、 轴构成右手坐标系。卫星在轨道坐标系的位置为,GPS卫星在轨位置计算,计算卫星在WGS-84坐标系中的位置 修正后的升交点经度为 式中， 为升交点在 时的经度； 为赤经变化率； 为地球自转角速度。 将卫星在轨道坐标系的坐标 ，经坐标转换，算出卫星在WGS-84坐标系的坐标,GPS接收机工作原理,GPS接收机工作流程 （1）对天线接收到的信号进行捕获； （2）跟踪卫星信号以保证连续测距； （3）解调导航电文，进行定位解算。 GPS导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定与测 距、电文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是由 接收机内的微处理器（CPU）和部分存储器及相关软件 来完成的。,GPS接收机工作原理,GPS接收机基本功能结构图,GPS技术展望,现行GPS系统的不足 Block A GPS信号极其微弱，几乎 淹没在背景噪声之下，更不能穿透 钢筋混凝土而进入地下，并被建筑 物挡住，产生多路径效应。 调制于L1载波上的C/A码和P码都位 于L1的中心频带，易受人为干扰。因为对P码的捕获和跟踪需要以捕获C/A码为基础，这样，如果干扰C/A码的接收，也就等效于P码也受到干扰。,多路径效应,GPS技术展望,民间用户难以同时获得L1-P码伪距和L2-P码伪距，无法实现GPS双频观测的电离层效应距离偏差改正，限制了GPS单点定位精度的提高。 GPS的系统组成和信号结构都不能满足当前的需要。在中低纬度地区，每天总有两次盲区，每次盲区历时20-30min,给导航和定位带来很大的误差。 为了确保导航定位的精度，GPS的卫星导航电文必须每天更新一次，地面监控系统担负着编算和注入导航电文的重要任务，一旦地面监控系统被破坏，军用和民用用户都不能得到高精度的GPS导航定位服务。,GPS技术展望,国际上新的技术和系统不断出现，GPS面临的竞争日益加剧， 尤其是俄罗斯 GLONASS系统和欧洲GALILEO计划对美国产生的 压力不断增长，也对GPS一统天下的局面 提出了挑战。,GPS在最近几次局部战争中的成功应用和新近出现的信息 战学说已经改变了美国军方此前对GPS的一些看法，他们普遍 认为，GPS所提供的定位和授时资源，不仅可用于航行保障、 交通运输，而且对战争中的目标