GPS中的数据采集系统ppt课件.pptx

GPS（全球定位系统）数据采集系统,1,GPS（全球定位系统）数据采集系统,GPS（全球定位系统）数据采集系统概述GPS（全球定位系统）数据采集系统各部分原理及作用与本课的关系组内分工,2,GPS（全球定位系统）数据采集系统概述,实际应用系统结构工作流程性能指标,3,应用背景,GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。GPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。要实现以上所有功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素。,4,GPS系统,GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。民用的定位精度可达10米内。,5,GPS系统,GPS由三个独立的部分组成,GPS,空间星座部分,地面监控系统,用户设备部分,GPS,空间星座部分,6,一、GPS的组成,空间部分24颗GPS卫星组成,用户部分GPS接收机,控制部分1个主控站3个注入站5个监控站,注入站,监控站,主控站,7,星的位置是依据卫星发射的星历描述的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。,8,（一）GPS空间星座部分,它由24颗卫星组成，其中包括3颗可随时启用的备用卫星。,分布在6个轨道面上，每个轨道面上布放4颗卫星。,这种配置保障了在地球上任意地点，任意时刻，至少同时可见到4颗卫星。,9,（一）GPS空间星座部分,GPS卫星图片,10,（一）GPS空间星座部分,接收、储存和处理地面监控系统发射来的导航电文及其它有关信息；向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置；接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等。,GPS卫星的主要功能：,11,（二）GPS地面监控系统,它由分布在全球的5个地面站组成，按其功能分为主控站(MCS)、注入站(GA)和监测站(MS)三种。,12,（二）GPS地面监控系统,（1）主控站：1个，设在美国的科罗拉多的斯普林斯(ColoradoSprings)的空军基地。,主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作,13,（二）GPS地面监控系统,（2）注入站（又称地面天线站）：3个，分别设在南大西洋的阿松森群岛、印度洋的迪哥加西亚和南太平洋的卡瓦加兰。,将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。,14,（二）GPS地面监控系统,（3）监测站：共5个，除上述4个地面站具有监测站功能外，还在夏威夷(Hawaii)设有一个监测站。,高度自动化：GPS地面监控系统除主控站外均由计算机自动控制，而勿需人工操作。,15,地面监控系统流程图,16,GPS卫星发射两种频率的载波信号：L1载波、L2载波。,在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：C/A码（粗捕获码）、P码（精码）,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。,17,（三）GPS用户设备部分,GPS用户设备部分，包括GPS接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备。,跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫星到天线的传播时间。解译导航电文，实时解算测站三维位置。,18,GPS用户设备部分,用户部分组成GPS信号接收机及相关设备GPS接收机接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备GPS接收机的组成天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源GPS接收机的作用接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作,19,二、GPS数据,数据采集,数据传输,数据预处理,基线解算,GPS网平差,GPS数据处理基本流程,20,一、GPS基本定位原理,伪距测量定位,载波相位测量定位,GPS基本定位方法：,21,一、GPS基本定位原理,(一)伪距测量定位原理,伪距观测量：是通过测量卫星信号从发射时刻到接收机接收时刻的时延，然后乘以光速得到的距离观测量。,伪距定位观测方程式,坐标推算：观测4颗以上卫星列出4个以上方程式4个未知数,22,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,地心,Si,Pij,Pj,ri,Rj,有关各观测量及已知数据如下：r为已知的卫地矢量P为观测量（伪距）R为未知的测站点位矢量,对卫星进行测距,23,一、GPS基本定位原理,(二)载波相位测量定位原理,载波相位观测量：是接收机测量得到的卫星信号载波与测量时刻接收机产生的本振载波相位的差值。,通过测量载波的相位而求得接收机到GPS卫星的距离。,24,码的概念在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。,GPS卫星信号的测距码,25,GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。,测距码,26,C/A码,C/A码：是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，所以C/A码通常也称捕获码。C/A码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的1/101/100，则相应的测距误差为29.32.93m。由于精度低，又称粗码。现代科学技术的发展，使得测距分辨率大大提高。一般最简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到0.1米。,27,P码,P码是卫星的精测码，码率为10.23MHZ，产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。P码的周期长，267天重复一次。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，仅为C/A码的1/10，故P码称为精码。根据美国国防部规定，P码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，而且美国国防部的AS政策更是绝对禁止了非特许用户应用。,28,GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息。导航电文又称为数据码（或D码）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。,GPS卫星导航电文,29,GPS接收机,GPS接收机的基本概念GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。,30,GPS接收机的结构如图所示,31,GPS接收机,GPS接收机的主要结构组成：天线（带前置放大器）信号处理器：用于信号识别与处理微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算用户信息传输：包括操作板、显示板等精密震荡器：产生标准频率电源,32,GPS接收机工作原理,当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。,33,二、GPS数据,(一)GPS测量的误差源,卫星钟差：某时刻原子钟与GPS时之差（系统误差）星历误差：卫星轨道误差（系统误差）接收机钟差：某时刻石英钟与GPS时之差（系统误差）多路径效应影响：多路反射波（系统误差）电离层、对流层延迟：群折射路径延长（系统误差）强电波干扰：广播发射台、强辐射源（系统性、随机性）操作误差：对中、整平、量天线高（随机误差）GPS测量的误差源多数表现出系统性特点,34,二、GPS数据,(二)GPS测量误差消减对策,（1）系统误差对策求差（单差、双差）法：消除卫星与接收机的钟差消减星历误差、电离层与对流层延迟模型改正法：卫星钟差改正模型、电离层改正模型、对流层改正模型选点回避法：远离干扰源、反射源（2）随机误差对策精心操作：对中、整平、量天线高多余观测：复测基线、多时段观测、延长观测时间,Back,35,性能指标,采样率：5GS/s分辨率：10bit,36,(1)散据更新率为1，s实时提供经纬度、标准时问盈导航信息显示(2)定位精虚在水平位量上25H-时间精度为1ps(3)采样晕离间帑可分翳选为t卸，$0m100m，(4)最多可存储40960十采样点的经纬度及时间信息(5)自动卫星选择、先进的卫星跟踪算法、可不预置初始时间和当前位置(6)标准的RS-232接口(7)使用范围为垒天候垒球表面高度在300m1200rn速度小于000ms,37,GPS数据采集系统各部分原理及作用,系统各部分介绍关键技术FPGA,38,关键技术,压缩感知理论(CompressedSensing，CS)单像素成像技术超高速AD转换技术脉冲式采样技术FMC标准接口抗干扰技术（预加重）分析与评估技术,39,压缩感知理论,CS理论指出，如果信号在某一变换域是K一稀疏的或者说是可压缩的，那么可以设计一个与相变换基不相关的非满秩矩阵(测量矩阵)来对信号进行“测量”。该测量值的长度远小于原始信号的长度，即可利用测量值，通过求解一个凸的最优化问题来实现原始信号的重构。,40,单像素成像技术,CS理论为我们提供了一种新的图像采集和处理思路。其核心思想是将压缩与采样合并进行，首先采集信号的非自适应线性投影(测量值)，然后根据相应重构算法由测量值重构原始信号。压缩传感的优点在于信号的投影测量数据量远远小于传统采样方法所获的数据量，突破了香农采样定理的瓶颈，使得高分辨率信号的采集成为可能系统采用的相机利用数字微镜阵列(DigitalMicromirrorDevice，DMD)对光学图像进行线性采样，通过单个探测器元件测量采样值，之后利用重构算法重构出目标图像，从而实现单像素成像。单像素相机将图像采集和压缩合二为一，节省了储存资源和传输带宽。,41,超高速AD转换技术,高速AD的实现是采集系统的重点，系统应用FMC标准接口的数模转换器(AnalogtoDigitalConverter，ADC)和可编程门阵列（FPGA）来实现高速AD。可以随时根据要求对FPGA重新编程实现不同的应用，灵活性很大。单片AD的速度一般都不高，而且价格较为昂贵，本系统采用的超高速AD是利用并行采样原理，采用多个低成本、低采样率的AD通过并行采样实现数据采集的高采样率。,42,脉冲式采样技术,脉冲采样技术的原理是将快速(高频)的测量转换成慢速(低频)的测量,也就是应用了频率变换技术.目前应用脉冲取样技术做成的仪器有取样示波器及自取样系统两类.系统采用脉冲式采样模式，极大地降低了数据量和传输成本。,43,FMC标准接口,FMC标准由包括FPGA厂商和最终用户在内的公司联合开发，旨在为基础板(载卡)上的FPGA提供标准的夹层卡尺寸、连接器和模块接口。高速单像素采集系统应用了FMC标准接口的ADC和FPGA，简化了采集系统的实现，一定程度上降低了系统成本,44,抗干扰技术（预加重）,在高速电路系统中，趋肤效应和介质损耗使信号的高频成分在传输过程中发生明显衰减，在接收端信号出现码间干扰(InterSymbolInterference，ISI)，从而引起抖动，最终导致误码率提高。在信号发射端对传输信号的高频部分进行预加重可以缓解这一问题。预加重技术利用信号特性和噪声特性的差别来有效地对信号进行处理。即在噪声引入之前采用适当的网络（预加重网络），人为地加重（提升）发射机输入调制信号的高频分量。然后在接收机鉴频器的输出端，再进行相反的处理，即采用去加重网络把高频分量去加重，恢复原来的信号功率分布。,45,分析与评估技术,采用FFT法测试AD转化的信噪比和有效位数,快速傅里叶变换(FastFourierTransformation，FFT)法能够比较准确地测试AD转换参数。用信号源给FMCl26一个1GHz的正弦信号，上位机和FPGA通过网线建立连接以后，由上位机通过网口控制FPGA采集4000个采样点，并把得到的数据通过网线传输到上位机。