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1 GPS导航应用基础知识 2 大地坐标与WGS 84 3 大地 椭球坐标系 定义以参考椭球为依据建立的坐标系被称为大地坐标系 又被称为椭球坐标系 大地坐标大地纬度 B 大地经度 L 大地高 椭球高 H 4 WGS84 WorldGeodeticSystem19841984年世界大地系统GPS系统内部所采用坐标参照系GPS卫星所发送的广播星历基于此系统 5 地图投影 6 地图投影的产生 无法将地球表面的地形 地物毫无变形地表示到一个平面上 7 通俗的地图投影定义 通俗的地图投影定义将球面坐标转换为平面坐标 8 地图投影的定义 地图投影的定义投影是球面坐标与平面坐标间的映射关系 可以用下面的数学表达式表示 式中 x y为平面坐标系下的坐标 B L为大地纬度和经度 f1 f2为单值 连续 有界的函数 也被称为投影函数 9 地图投影的类型 10 GPS时 11 GPS时 GPST秒长 原子时秒长起点 1980年1月6日0时特点 连续计时 无跳秒计时方法GPS周数 周内秒数GPS周数 从1980年1月6日起计的周数 从第0周起算周内秒数 从当周周日0时起算的秒数 12 第4章GPS系统的组成与信号结构 13 引子 14 GPS定位的基本原理 GPS定位的基本原理 距离交会 15 第1节GPS坐标和时间系统 16 GPS坐标和时间系统 GPS坐标系统1984年世界大地坐标系 WGS 84 WorldGeodeticSystem GPS时间系统 GPS时 GPST 秒长 原子时秒长计时方法 GPS周 GPSWeek 周内秒数 TOW 每周以周日零时为起点时间起点 1980年1月6日0时 在该时刻与UTC同步 其他特点 无跳秒目前 GPST UTC 15 2012年2月29日 17 第2节GPS的组成 18 概况 19 GPS的组成 空间部分 地面监控部分 用户部分 GPS 20 空间部分 21 GPS的空间部分 构成 由GPS卫星所组成的GPS卫星星座 目前 2012 02 29 GPS星座由32颗GPS工作卫星构成 22 GPS卫星星座 注 摘编自http www navcen uscg gov Do constellationStatus 23 GPS卫星的功能 接收 存储导航电文生成用于导航定位的信号 测距码 载波 发送用于导航定位的信号 采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文 接受地面指令 进行相应操作其他特殊用途 如通讯 监测核暴等 24 GPS卫星 25 地面监控部分 26 GPS地面监控部分的组成 主控站 1个监测站 5个注入站 3个通讯与辅助系统 27 GPS地面监控部分的分布 28 地面监控部分的功能 跟踪GPS卫星确定卫星轨道及卫星钟改正数预报卫星轨道 建立卫星钟改正模型编制成导航电文 并通过注入站送往卫星通过注入站向卫星发布各种指令 29 用户部分 30 用户部分的组成 用户接收设备 31 用户部分的功能 用户部分的功能测定从接收机至GPS卫星的距离接收卫星星历利用上述信息确定自身的三维位置 三维运动速度和钟差等参数 32 第3节GPS卫星的信号结构 33 GPS卫星信号的成分 34 GPS卫星信号的成分 载波可运载调制信号的高频振荡波L1 L2测距码用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码C A码 目前只被调制在L1上 P Y 码 被分别调制在L1和L2上 导航电文由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星空间位置 工作状态 卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据的二进制码 也被称为数据码 D码 35 GPS卫星信号的成分 36 载波 37 载波的作用和类型 作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1 频率 154 f0 1575 43MHz 波长 19 03cmL2 频率 120 f0 1227 60MHz 波长 24 42cm现代化后增加L5 频率 115 f0 1176 45MHz 波长 25 48cm 38 载波的作用和类型 选择两 多 个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟电离层折射延迟与信号的频率有关 39 测距码 40 测距码的作用和性质 作用测距性质为伪随机噪声码 PRN PseudoRandomNoise 既具有随机噪声的特性 又可以精确定义 实际上隐含有时间信息 不同的码 包括未对齐的同一组码 间的相关系数为0或1 n n为码元数 对齐的同一组码间的相关系数为1 41 C A码 名称粗码 捕获码 Coarse AcquisitionCode 码率1 023MHz周期1ms1周期含码元数1023码元宽度293 05m调制载波L1 42 P码 名称精码 PreciseCode 码率10 23MHz周期7天1周期含码元数6187104000000码元宽度29 30m调制载波L1和L2 43 现代化后测距码的变化 在L2上调制C A码在L1和L2增加调制M码 军用码 44 导航电文 45 导航电文的作用及基本结构 形式码率50Hz的比特流作用向用户提供卫星轨道参数 卫星钟参数 卫星状态信息及其它信息 46 导航电文的作用及基本结构 组织方式字 30bit 子帧 由10个字组成 主 帧 由5个子帧组成 导航电文 由25个 主 帧组成 一帧导航电文的结构 47 第5章GPS测量的基本原理和方法 48 第1节码伪距测量 49 距离交会与GPS定位 50 测距方法 离散脉冲信号测距 连续测距码或载波信号测距 在GPS中采用的是此类方法 51 卫星信号传播时间 距离测定的基本思路 基本思路 通过某种方式测定卫星信号从卫星至接收机的传播时间 52 信号 测距码 传播时间的测定 卫星与接收机各自根据自身的时钟产生信号 53 信号 测距码 传播时间的测定 卫星经过一段时间的传播到达接收机 54 信号 测距码 传播时间的测定 接收机通过对本地信号在时间轴上平移 直至与所接收到的卫星信号对齐 所平移的时间即为所测定的信号传播时间 55 信号 测距码 传播时间的测定 信号传播时间的测定 卫星信号 接收机复制信号 接收机复制信号的时延 56 测距码测距的必要条件 测距码测距的必要条件必须了解测距码的结构 57 测距码测距的特点 采用CDMA 码分多址 技术 可区分不同卫星信号易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理 如AS 每颗GPS卫星都采用特定的伪随机噪声码 微弱信号的捕获 58 接收机钟差 卫星钟差 信号离开卫星的时刻 由卫星钟测定 信号到达接收机的时刻 由接收机钟测定 码伪距的观测方程 信号离开卫星的时刻 系统时间 信号到达接收机的时刻 系统时间 59 第2节单点定位与测时 60 单点定位的定义 单点定位根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法 也被称为绝对定位 单点定位 61 测时 单点测时 位置未知 同时观测4颗以上卫星 求解位置和钟差参数单点测时 位置已知 仅需观测1颗卫星 求解钟差参数共视法利用2台接收机同时观测相同的卫星进行时间传递 卫星 接收机1 接收机2 62 单点定位精度与用户等效距离误差 当卫星分布相同时 用户等效距离误差越小 定位精度越高 用户等效距离误差 UERE 是将单点定位时可能发生的所有误差归化到站星距离上所得的结果 63 单点定位精度与卫星分布 当用户等效距离误差相同时 卫星分布越好 数量多且分布均匀 定位精度越高 64 DOP值 DOP精度衰减因子 DilutionofPrecision DOP值与定位精度DOP值的性质DOP值与单点定位时 所观测卫星的数量与分布有关 它所表示的是定位的几何条件DOP值越小 定位的几何条件越好 65 DOP值 DOP值的类型GDOP GeometryDilutionofPrecision 几何精度衰减因子 PDOP PositionDilutionofPrecision 位置精度衰减因子 TDOP TimeDilutionofPrecision 时间精度衰减因子 HDOP HorizontalDilutionofPrecision 水平精度衰减因子 VDOP VerticalDilutionofPrecision 垂直精度衰减因子 66 第3节多普勒测量 67 信号锁定 频率 码延迟搜索 频率 码延迟搜索 68 多普勒观测量 多普勒观测量是接收信号与发射信号的频率差异 发射信号频率 接收机钟差 站