第3章GPS构成-3S技术概论.ppt

1 第三章GPS的构成 2 第三章GPS的构成 一 本章学习目的了解GPS的全球定位系统的组成 特点和相关概念 掌握单点定位原理 二 本章学习内容第一节全球定位系统概述第二节GPS的定位原理 3 空间部分 控制部分 用户部分 第一节全球定位系统概述 GPS定位系统由三部分组成 即空间星座部分 地面监控部分和用户设备部分 4 一 空间星座部分 一 GPS卫星星座的构成GPS卫星星座由24颗卫星构成 其中3颗备用卫星 轨道面相对赤道面倾角为55度 卫星轨道为圆形 平均高度20200km 运行周期11小时58分 每颗卫星对地球可见面积为地表面积的37 92 且发射信号达到地表较平均 每颗卫星每天约有5小时在地平线以上 而且位于地平线以上的卫星数目是随时间和地点而异 最少为4颗 最多可达11颗 3颗备用卫星可在必要时根据指令代替发生故障的卫星 以保证GPS空间部分正常高效地工作 第一节全球定位系统概述 5 空间星座部分 6 7 轨道平面图 8 二 GPS卫星及其功能GPS卫星主体呈圆柱形 直径1 5m 重774kg 其中包括310kg燃料 两侧设有两块7 双叶太阳能板 能自动对日定向 保证卫星正常工作用电 每颗卫星上装备了4台高精度的原子钟 2台铷钟2台铯钟 稳定度为10 13 10 14 是卫星的核心设备 它将发射标准频率信号 计算机 无线电收发两用机设计寿命为7 5年 每颗卫星以两个L波段频率发射无线电信号到用户定位设备 L1 1575 42MHz 波长约19cm L2 1227 60MHz 波长约24cm 第一节全球定位系统概述 9 GPS BlockIIASatellite Credits NASA GPS BlockISatellite Credits NASA 第一节全球定位系统概述 10 GPS BlockIIFSatellite Credits NASA 11 GPS卫星基本功能 1 接收和储存由地面监控站发来的导航信息 执行监控站的控制指令 2 由星载微处理机进行部分必要的数据处理 3 通过星载的高精度原子钟提供精密的时间标准 4 向用户发送定位信息 5 在地面监控站指令下调整卫星姿态和启用备用卫星 12 二 地面监控部分一个主控站 监测站 三个注入站 监测站 一个监测站 第一节全球定位系统概述 13 夏威夷 科罗拉多 迭戈加西亚 阿松森岛 卡瓦加兰 二 地面监控部分 14 一 主控站主控站设在科罗拉多 Colorado 法尔孔空军基地 其任务是协调和管理所有地面监控系统的工作 除此之外 其主要功能是 1 根据所有观测资料推算编制各卫星的星历 卫星钟差 大气层的修正参数等 2 提供全球定位系统的时间基准 3 调整偏离轨道的卫星 使之沿预定轨道运行 4 启用备用卫星以代替失效的卫星 第一节全球定位系统概述 15 二 注入站大西洋的阿松森岛 Ascension 三个注入站设在印度洋的迭戈加西亚 DiogoGarcia 南太平洋的卡瓦加兰 Kwajalein 每个注入站有一台直径3 6m的天线 一台C波段发射机和一台计算机 注入站其主要任务是 在主控站的控制下 将主控站推算和编制的卫星星历 钟差 导航电文和其它控制指令每天一次地注入相应卫星的存储系统 并监测注入信息的正确性 存储器具备长达14天的预报能力 第一节全球定位系统概述 16 三 监测站监测站有5个 前面的主控站 注入站同时又是监测站 并在夏威夷还设有一个监测站 监测站是在主控站的直接控制下的数据自动采集中心 站内设有P码GPS接收机 精密铯钟 计算机 环境数据传感器等 对所接收的卫星进行连续的P码伪距跟踪测量 并将每隔1 5s的观测结果 电离层和气象数据 采取平滑方法 获得每15min的结果数据 传送到主控站 整个GPS监控系统除主控站外均无人值守 各站间采用现代化的通讯网络联系 在原子钟和计算机的精确控制下 各项工作实现高度的自动化和标准化 第一节全球定位系统概述 17 三 用户部分主要由GPS接收机构成 一 GPS接收机的基本结构 天线 带前置放大器 将接收到的GPS卫星无线电信号进行放大 信号处理器 用于信号识别和处理 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 数据存储器 振荡器 用于产生精密的标准频率 电源 为接收机工作提供电源 第一节全球定位系统概述 18 三 用户部分 带前置放大器 将接收到的GPS卫星无线电信号进行放大 信号处理器 用于信号识别和处理 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 数据存储器 振荡器 用于产生精密的标准频率 电源 为接收机工作提供电源 19 三 用户部分 20 麦哲伦315手持GPS 21 手持GPS 22 二 GPS接收机的类型1 按编码信息分类有码接收机 它是已知卫星编码结构信息 利用相关技术接收的 各种用于导航和定位的接收机都采用这一技术 它的观测量主要是伪距 为了提高定位精度 经过改进增加了多普勒计数和载波相位观测量 无码接收机 它不需要预先知道编码内容和结构 其观测量是载波相位 码相位和信号特流 这种接收机用于精密测量工作 定位精度很高 第一节全球定位系统概述 23 2 按接收的卫星信号频率分类单频接收机 L1 只能接收经调制的L1信号 由于修正模型不完善 精度较差 双频接收机 L1 L2 同时接受L1和L2信号 可以消除或减弱电离层折射对观测量的影响 定位精度较高 第一节全球定位系统概述 24 3 按工作原理分类码相关型接收机 能够产生与所测卫星测距码 C A码 P码 结构完全相同的复制码 平方型接收机 利用载波信号的平方技术去掉调制码 从而获得载波相位测量所必须的载波信号 混合型接收机 综合利用相关技术和平方技术的优点 可以同时获得码相位和载波相位观测量 在目前的测量中多属这种类型 第一节全球定位系统概述 25 4 按接收机通道方式分类时序接收机 这是一种最简单的接收机 一般采用单通道或双通道 按时间分割法对各个卫星电文的提取和伪距测量 由于微电子学技术的发展 已经用多通道接收机代替时序接收机 多路复用接收机 这是一种单通道多路复用接收机 它能同时接收多颗卫星的信号 用同一通道 以此来抵消通道间的时延差别 它能准同步观测几颗卫星 多通道接收机 又称为并行通道接收机 这是当前GPS接收机的发展趋势 由于微电子技术的发展 在一块芯片上可以做5 6 8 9 12通道 且通道间的时延偏差很小 有的精密接收机还能进行通道间的自校正 它能同时观测几颗卫星 第一节全球定位系统概述 26 5 按采用的电子器件分类模拟式接收机 采用模拟电路的接收机 一般体积大 笨重 耗电量大 目前已被淘汰 数字式接收机 采用大规模专用芯片制造的接收机 一般体积小 轻巧省电 混合式接收机 这是最常见的接收机 数字电路采用大规模专用芯片 而放大电路采用模拟器件 第一节全球定位系统概述 27 6 按性能分类X型接收机 这是一种高动态应用的接收机 适用于高速飞行的运输工具 例如飞机 导弹和飞船 Y型接收机 这是中动态应用的接收机 主要用于速度较慢的运动目标 例如低于400km h的民用飞机 Z型接收机 这是动态应用的接收机 主要用于地面车辆 徒步或定点的定位 第一节全球定位系统概述 28 7 按用途分类导航型接收机 用于确定船舶 车辆和飞机的实时位置和速度 使载体按预定的路线航行 一般采用测码伪距 或实时差分GPS RTDGPS 定位 精度较低 测时型接收机 供各种观测台和天文台定时用 测量型接收机 一般采用载波相位进行相对定位 精度较高 结构复杂 价格较贵 第一节全球定位系统概述 29 本世纪初 随着无线电技术的出现 各种无线电导航 定位系统相继出现 如欧米伽 omega 系统 罗兰 C loran C 系统 台卡 Tacan 系统和微波着陆系统 MLS 等 无线电导航定位的基本原理实质上就是测量学中的多点测距前方交会 由于定位过程中存在着信号传播路径 气象元素覆盖面小等问题 难以获得理想精度 受无线电导航定位系统的启发 1957年苏联发射第一颗卫星后 人们立刻把目光投向了以卫星为发射无线电波源的卫星定位系统 第二节GPS定位原理 30 1958年 美国海军武器实验室着手实施为美国海军舰艇导航服务的卫星系统 即 海军导航卫星系统 NavyNavigationSatelliteSystem NNSS 历时8年 1964年系统建成 1967年 美国政府批准系统解密 提供民用 由于NNSS采用多普勒原理定位 因此又称卫星多普勒定位 由于NNSS系统卫星数少 5 6颗 运行高度较低 平均约1000km 定位时间长 平均1 2天 因此无法提供实时 三维导航 难以满足高动态目标 如飞机 导弹 导航的要求 精度也低 单点3 5m 相对精度1m 因而 在地球定位中受到很大限制 但NNSS导航定位思想方法基础却是划时代的 第二节GPS定位原理 31 为满足军事 科研 民用部门对连续 实时 动态导航定位的要求 从1973年开始 美国国防部组织陆海空三军研制新一代的当代高新科技GPS 即所谓的 授时与测距系统 全球定位系统 NavigationSystemTimingandRanging GlobalPositionSystem NAVSTAR GPS 通称全球定位系统 在美国 20世纪70年代开始规划GPS 80年代实施 90年代运营 耗资300多亿美元 是美国实施投资项目中仅次于阿波罗登月计划和航天飞机的空间工程 第二节GPS定位原理 32 第二节GPS定位原理 一 基本概念1 高电平 在数字逻辑电路中 将电路输出电压在5V并维持一个单元时间称之 定义为 1 2 低电平 在数字逻辑电路中 将电路输出电压在0 35 0 00V并维持一个单元时间称之 定义为 0 3 二进制数字码序列 将高 低电平按照时间顺序连续排列构成的码序列称之 4 码元 也称比特 即bit 二进制数字码序列中的一个电平二进制数称之 5 调制 将低频信号 不仅是二进制数字码序列信号 也可以是不规则的人的声音信号 音乐信号 装载 到高频电磁波的过程 33 第二节GPS定位原理 6 解调 从带有高频电磁波载波信号中解译释放出原信号的过程 7 二进制随机序列有3个特点 1 该序列是非周期性序列 不能预先确定 不能复制 2 每一码元的二进制值非 0 即 1 完全随机 换句话说 序列中 1 和 0 出现的概率为1 2 这种码元幅值是完全无规律的码序列 称为随机噪声码序列 3 具有良好的相关性 其相关函数定义为 34 第二节GPS定位原理 8 随机码 凡是具有3个特点的二进制数字码序列的码称之 9 伪随机码 凡是具有周期性的而又有良好自相关特性的数字码称之 10 伪距 Pseudorange 将接收机中GPS复制码对准所接收的GPS码所需要的时间偏移并乘以光速化算的距离 此时间偏移是信号接收时刻 接收机时间系列 和信号发射时刻 卫星时间系列 之间的差值 35 第二节GPS定位原理 二 GPS定位的特点 1 全球地面连续覆盖 24颗均匀分布的卫星保证地面上任何地点 任何时刻最少可以接收4颗以上的卫星 最多可以接收11颗卫星 从而保障全球 全天候连续 实时 动态导航 定位 2 功能多 精度高 可为各类用户连续提供动态目标的三维位置 三维航速和时间信息 目前 单点实时定位精度为 15 100m 静态相对定位为10 6 10 8 测速0 1m s 授时10纳秒 36 第二节GPS定位原理 3 实时定位速度快 可在1秒内完成 4 抗干扰性能好 保密性强 5 操作简单 6 两观测点间不需通视 对于等级大地点节省了造标费用 此项费用可占总测量费用的30 50 7 可同时提供三维坐标 8 全天候作业 37 三 GPS定位原理 这里主要说明单点定位原理 设有i 1 2 3 4四颗卫星 在某一时刻tj的瞬时坐标为i Xi Yi Zi 欲确定地面上某点P的三维坐标 Xp Yp Zp 通过GPS接收机测得P点到各卫星的空间距离Si i 1 2 3 4 由于接收机钟为质量较低的石英钟 故其测时误差 T不可忽略 至于卫星钟 均配有原子钟 其测时精度较高