全球卫星定位系统及座标系统.ppt

1 GPS列車振動測定器在軌道養護管理之應用 指導教授 鄭明淵教授學生 吳慶芳 論文進度報告 3 2 英文全稱 NavigationSatelliteTimingandRangingGPS 簡稱NAVSTAR 翻譯成中文導航星一般使用英文字GPS代表這系統GPS為GlobalPositioningSystem簡稱直接翻譯為全球 衛星 定位系統利用此系統精確定義空間一個點的坐標 GPS系統意義說明 3 全球衛星定位系統簡介 GPS系統意義 架構GPS定位基本觀念GPS的組成 頻率 訊號GPS座標系統WGS841984世界大地基準TWD671967台灣大地基準TWD971997台灣大地基準 4 GPS衛星在空中的運行軌道 5 6 一 太空部分 衛星二 控制部分 追蹤衛星 控制衛星運轉軌道 傳送數據給衛星 5個衛星監測站 1個主控站及3個發射站組成 三 使用者部分 接收儀 GPS定位系統包括三部份 7 GPS定位系統之架構 8 一 太空部分 GPS目前共用24顆工作衛星及3顆備用衛星配置於六個軌道面上 每個軌道布放四顆衛星高度20 200公里 每顆衛星可覆蓋地面38 運轉一週要11小時58分 故一天繞地球運行二圈 衛星軌道相對於地球赤道面的傾角為55 軌道平面升交點的赤經相差60 精確定位要能收到至少四顆衛星的訊號衛星數量越多 定位精度越高 9 二 控制部分 一個主控制站科羅拉多斯普林斯 ColoradoSprings 三個地面天線五個監控站科羅拉多斯普林斯 ColoradoSprings 夏威夷 Hawaii 關島 Kwajalein 阿森松島 AscensionIsland 及迪戈加西亞 DiegoGarcia 等五處 10 主控制站及五個監控站分布 11 監控站之功能 每個監測站均有一部GPS雙頻接收儀 L1 L2 標準原子鐘 氣象感測器及資料處理器監測站座標均經前美國國防製圖局精密測量而得 每個監測站24小時連續追蹤觀測每一顆衛星 並將每1 5秒之虛擬距離觀測量及觀測所得的氣象資料及電離層資料聯合求解得每15分鐘一組之勻化數據 Smoothedmeasurements 再將資料傳送回主控制站 12 蒐集數據 蒐集各監測站所測得的虛擬距離與積分都卜勒觀測值 氣象要素 衛星時鐘和工作狀態的數據及監測站本身的狀態數據 計算導航訊息 計算每一顆衛星的星曆 時鐘改正 狀態數據 衛星信號的大氣傳播改正數據 依一定的格式編制成導航訊息 傳遞給地面天線 主控制站之功能 一 13 診斷狀態 監測整個地面監測系統是否正常運作 檢查傳遞到地面天線將發送給衛星的導航訊息是否正確 監測衛星是否正常傳送導航訊息給使用者 調度衛星 當GPS衛星偏離軌道位置太遠時 主控制站可以對它進行軌道修正 當某顆衛星失效時 主控制站可以調度備用衛星來取代 主控制站之功能 二 14 三 使用者部份 使用者部份所指的就是能接收GPS衛星訊號及資料處理的接收儀依其組成部分及功能可分軟體部分硬體部分 15 GPS衛星測量乃利用GPS衛星發射之無線電訊號 以測定點位的三度空間座標之定位系統 基本上為距離的量測 即量測未知點 接收儀 與已知位置的衛星之間的瞬時距離 即所謂後方交會的原理 並依據差分法平差計算座標進行定位 GPS定位基本觀念 16 GPS組成的頻率 GPS組成的頻率 L1 L2兩種 L1 波長19 03公分頻率1575 42MHz 10 23MHz 154 L2 波長24 42公分頻率1227 60MHz 10 23MHz 120 17 GPS的訊號 L1和L2上又分別調製成多種信號C A碼 調製在L1載波上 可用其PRN號來區分衛星它們 C A碼是普通用戶用以測定測站到衛星間的距離的一種主要的信號 P碼 調製在L1和L2載波上 在實施AS ANTI SPOOFING 時 P碼加W碼成為保密的Y碼 此時 一般用戶無法利用P碼來進行導航定位 導航訊息 調製在L1載波上 包含有GPS衛星的軌道參數 衛星時鐘改正數和其他一些系統參數 用戶一般需要利用此導航資訊來計算某一時刻GPS衛星在地球軌道上的位置 導航訊息也被稱爲廣播星曆 18 GPS的訊號 19 虛擬距離觀測量 使用PRN電碼來進行距離的量測 C Acode Pcode優點 處理簡單 定位要求低 不存在整數週波未定值問題 即時定位 缺點 精度低 C A碼的精度爲3m P碼精度在30cm左右 GPS觀測量 20 載波相位觀測量 即L1 L2及其各種線性組合優點 精度高 優於2mm缺點 處理過程複雜 存在整數週波未定值問題 GPS觀測量 21 衛星軌道誤差 衛星時鐘誤差 電離層遲延誤差 對流層遲延誤差 多路徑效應 GPS天線於訊號接收時 影響最大者 觀測誤差 接收儀時鐘誤差 週波未定值與週波脫落 相位中心位置偏差 天線高量測誤差 SA及AS效應 GPS之誤差來源 22 SA效應 SA SelectiveAvailability 擇用性效應在廣播星曆中加入誤差 即人為降低星曆的精度 在衛星時鐘的信號中加入誤差 使鐘頻產生快速變化 即所謂鐘頻抖動 即人為降低星曆的精度 1990年3月25日開始實施 故意降低導航精度 使得平面精度100m 高程精度100 170m軍事用接收儀可以克服SA利用差分定位模式 DGPS 可以克服SA已解除SA 2000年5月2日 23 AS效應 AS Anti spoofing 反電子干擾和電子欺騙技術對精密碼的碼結構進行保密 以防敵方進行電子干擾和電子欺騙的技術 將P碼與保密的W碼相加而成Y碼 當AS實施時P碼無法使用 唯有 key 的接收儀才能使用 GPS接收儀廠商利用各種方法找回P碼 提供使用 於1994年1月31日開始實施 24 單點定位 GPS單點定位的基礎 即為空間距離的後方交會 測站座標X Y Z及接收儀時鐘誤差dT 共四個未知數 因此單點必須觀測四個以上的衛星 相對定位 其基本原理乃使用兩部接收儀 其中一部設置於已知座標的點上 稱為主站 另一部稱為待測站或移動站 單點定位與相對定位 25 單點定位 26 相對定位 27 GPS座標系統 WGS84座標系統 GPS之全球性座標系統台灣地區二度分帶座標系統 TWD67二度分帶TWD97二度分帶 28 WGS84 TWD97 TWD67座標 29 座標轉換流程 GPS接收器採用的座標系統是WGS84座標系統 台灣是以GRS67 GRS80做為橢球參考體 採橫麥卡脫投影座標系統 因此需要藉著數學模式來進行座標轉換的工作 以便將GPS接收到的座標投射在地圖上 30 WGS84和TWD67座標轉換流程圖 備註 因TWD97和WGS84視同一樣 因此WS84經緯度直接經由橫麥卡脫投影即轉換TWD97N E座標 31 橢球座標與卡氏座標示意圖 N為卯酉圈之曲率半徑 a b為橢球體之長半徑與短半徑 分別為橢球座標中的緯度 經度與幾何高度 32 一 橢球座標轉換成卡氏座標 GPS收到的座標是WGS84系統的經 緯度 它是屬於橢球座標系統 Ellipsoidalcoordinate 表示成 其轉換成卡氏座標系統 Cartesiancoordinate 表示成 X Y Z 的公式如下 33 其中 a b為橢球體之長半徑與短半徑 分別為橢球座標中的緯度 經度與幾何高度 N為卯酉圈之曲率半徑 radiusofcurvatureinprimeverti