《GPS系统原理》PPT课件

1、导航2、GPS导航简介3、GPS原理4、GPS系统组成5、GPS卫星信号,什么是导航?,导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点.,但是这里是哪里?,我们为什么需要导航?,你就在这里.,我在哪?,你在哪?,你能在地图上找到你现在的位置吗?你能在黑夜里返回你现在的位置吗?,导航历史,早在公元前3500年前，人类就有历史记载用大船装在货物进行商业贸易的历史。这标志了人类导航艺术的诞生。早期的导航家都是在靠近海岸线用肉眼观察陆地标记或者大地特性来辨别方向的。他们通常白天行驶，晚上找个平静的港口抛锚。他们没有航海图，但他们列出了所需的方向，类似于今天的巡航向导.,导航历史,当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白天观察太阳的位置，晚上观察北极星的位置来辨别南北方向。,早期的航海家们总是在靠近海岸线的附近白天活动，当天气不好或者晚上的时候不出海活动。在中世纪，欧洲的航海家们在整个冬季都不出海活动。这样就自然的限制的他们的活动范围。大范围的航海活动必然会带来风险。,导航历史,古代导航工具,直角器（Cross-staff）,标尺（Back-staff）,四分仪（Quadrant）,航海员星盘（MarinersAstrolabe）,星盘（Astrolabe）,夜间记时仪器（Nocturnal）,古代导航工具,指南针-中国古代导航工具,汉朝（BC.206AD.220）,南宋（AD.1127-1279）,北宋（AD.960-1127）,北宋（AD.960-1127）,导航的两个关键因素,确定地球上的位置现在时间是几点?,导航方法,1、天文导航2、无线电导航3、惯性导航4、卫星导航,天文导航,利用对自然天体的测量来确定自身位置和航向的导航技术。由于天体位置是已知的，测量天体相对于导航用户参考基准面的高度角和方位角就可计算出用户的位置和航向。天文导航系统不需要其他地面设备的支持，所以是自主式导航系统。不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好，定位、定向的精度比较高，定位误差与定位时刻无关，因而得到广泛应用。,无线电导航,海岸上设立两个以上的无线电发射电台船上的接收机测量船与电台的距离或距离差，交会出船的位置,惯性导航,惯性导航（inertialnavigation）是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。,卫星导航,利用导航卫星发射的无线电信号，求出载体相对卫星的位置，再根据已知的卫星相对地面的位置，计算并确定载体在地球上的位置的技术。,GPS导航简介,全球定位系统（英语：GlobalPositioningSystem，通常简称GPS），又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。,GPS优点,1、全天候，不易受任何天气的影响2、全球覆盖（高达98%）3、三维定点定速定时高精度4、测站间无需通视5、快速、省时、高效率6、应用广泛、多功能、可移动定位。,GPS原理,空间中要确定一个点的具体位置，必须建立一个坐标系，我们平时接触的最多的是笛卡尔直角坐标系，它其实是由三族相互垂直的平行平面相交构成的交点来确定出每一个具体的位置点坐标。,空间中如何确定一个点的位置？,笛卡尔直角坐标系,曲面坐标系,任意的不平行的三个平面或者曲面可以确定一个空间点的位置，人们可以根据新的需要，随时制定出新的方便使用的坐标系。并且，不同的坐标系可以相互转化。,因为地球是个圆形，所以人们在日常生活中很难将直角坐标系下的坐标用于实际需要，所以经纬度坐标系即地理坐标系被发明了，它由一族同心球面，一族同轴圆锥面，和一族绕同一轴旋转的扇面构成。,地理坐标系,经度表示扇面转过的角度，纬度表示锥面与赤道平面的夹角，海拔表示相对于地球半径的高度，用经纬度坐标系来表示某个坐标，在直角坐标系下的方程为：,双曲面坐标系,一般曲面坐标系有什么缺点：使用非平面坐标系的注意点是，组成立体坐标系的三族曲面在其使用范围内，每族曲面中的任何一个曲面都必须与另一族曲面中任何一个曲面相交。否则，由他们三族曲面联立的方程组将出现无解的情况，这意味着该坐标系里存在某些空间点不能被确定出位置参数。所以，不是随便三族曲面，都适合用来指定坐标系。双曲面坐标系：双曲面坐标系是由三族同焦点的双曲面组成的坐标系，因为同焦点，所以任何一族中的某个双曲面，都必定会和另一双曲面族中的双曲面相交。,GPS采用的坐标系,WGS84是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。WGS-84坐标系的几何意义是：坐标系的原点位于地球质心，z轴指向（国际时间局）BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，x轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，y轴通过右手规则确定。,GPS定位数学模型,假设在WGS84坐标系下地球上有四个点1（x1,y1,z1）,2（x2,y2,z2）,3（x3,y3,z3）,4（x4,y4,z4）,空间中有一点A，到1,2,3,4的距离分别为d1,d2,d3,d4,求A的坐标（Xa,Ya,Za）？可以列出如下的方程组：,GPS定位数学模型,方程组的几何意义：可以将点A看成是由四个球面相交而得的点会出现什么情况：由上述曲面坐标系的分析可知，球面坐标系下，可能会出现三个同心球面相互无交线的无解情况，即使有解，也会有多解，不容易判断。,GPS定位数学模型,那么不妨改进一下，使用双曲面坐标系定位。可以将点1作为公共焦点，点2,3,4分别作为虚焦点，这样，就形成了（1,2），（1,3），（1,4）这三个点对，点A可以看成到（1,2）距离之差为|d1-d2|的双曲面、到（1,3）距离之差为|d1-d3|的双曲面、到（1,4）距离之差为|d1-d4|的双曲面的交点。,GPS定位数学模型,由双曲面的性质可知，这三个双曲面有且只有两个交点，并且两个交点位置相差较远，容易取舍。,GPS定位数学模型,所以，GPS系统取空中的四颗卫星A，B，C，D，以A作为公共焦点，B，C，D分别作为三个虚焦点，建立如下图的空间双曲面坐标系。这样对于地面上某点P，只要知道P到A，B，C，D的距离，就可以推算出点P的坐标,GPS系统组成,GPS系统组成,1、空间星座部分,24颗卫星(21+3)6个轨道平面55轨道倾角2万km轨道高度(地面高度)12小时(恒星时)轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星),铯原子钟计算机2块7m2的太阳能翼板无线电收发两用机导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）姿态控制和太阳能板指向系统,GPS卫星结构,GPS卫星结构,GPS卫星星座的功能,主要包括：（1）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；（2）卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；（3）通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准；（4）向用户发送导航定位信号。包括：两种载波（L1和L2）调制在L1上的伪噪声码C/A码（CoarseAcquisitionCode粗捕获码）调制在L1和L2上的伪噪声P码(PreciseCode精码)（5）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。,2、地面监控部分,地面监控部分主要包括：一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)迭哥伽西亚(DiegoGarcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii),地面主控站的作用,地面监控站的作用,2、地面监控部分,监控站,伪距,导航数据,气象数据,卫星状态数据,主控站,测,传送,注入站的作用,注入站的主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。,3、用户接收部分,天线前置放大器,GPS信号接收机,射电部分,微处理器,电源部分,数据存器,显示控制器,供电,信号,信息,命令,数据,供电，控制,供电,数据,控制,GPS卫星信号,GPS信号，是由全球定位系统（GPS）卫星上振荡器所产生的信号，而所有GPS信号都由一个基本频率f0=10.23Mhz组成。GPS卫星发射的信号主要分为载波（Carrierwave）、测距码（RangingCode）和导航电文（NavigationMessages）三部分。,GPS卫星的导航电文导航电文简介,导航电文包括计算卫星位置的有关数据（卫星星历）、系统时间、卫星钟参数、C/A码到P码的转换字及卫星工作状态。卫星向用户提供，用户将其应用于导航解算。这些数据是以二进制码的形式发送给用户的，故卫星电文又称为数据码，或称之为D码。,一份完整的导航电文由任一主帧中的第1,2,3子帧和25个连续的第4,5子帧构成,导航电文的基本构成,GPS卫星电文的基本内容,标识码（如GPS星期序号等）、星钟数据龄期（AODC）、卫星时钟改正数等,GPS卫星星历（轨道参数等）,第2532颗GPS卫星的历书、UTC和电离层改正参数、第2532颗GPS卫星的健康状况,第124颗GPS卫星的历书和健康状况,其中每个主帧中第1，2，3子帧是重复的，即每30s重复一次。其中第1子帧的