《GPS定位原理》PPT课件

1,目錄,一、GPS定位原理1.1二度空間定位.1-61.2三度空間定位.1-101.3定位誤差修正.1-13,2,目錄,二、GPS輔助系統2.1時間系統1-162.2座標系統1-212.3電子地圖(E-Map).1-262.4無線通信系統(GSM,CDMA,TDMA,FDMA)1-27,3,GPS定位原理與輔助系統,GPS原理與應用教學及簡報系列三,4,GPS定位原理與輔助系統GPS原理與應用之教學及簡報資料(3),一、GPS的定位原理1.二度空間定位2.三度空間定位3.定位誤差修正二、GPS的輔助系統1.時間系統2.座標系統3.電子地圖(E-Map)4.無線通信系統(GSM,CDMA,TDMA,FDMA),5,距離測量是GPS定位的基礎，測距方法有兩種：雙向及單向距離測量雙向距離測量聲納系統(聲頻)、雷達系統(射頻)、雷射測距儀(雷射)等單向距離測量霧號(聲頻)、GPS系統(射頻)等公式；距離(D)=速度(V)x時間(T),一、GPS定位原理-測距的方法,6,7,同時得知兩個聲音源及聲音傳送時間，則可以聲音源為中心，以聲音傳送時間計算所得距離為半徑得到兩個圓周。兩個圓周的位置關係有三種：相切，相合，及相交。相交的兩個圓有兩個交點，接收點的位置只可能在兩個圓的交點之一。,二度空間定位兩個參考點,8,得到第三個參考點時，可以其位置及計算所得距離畫出第三個圓。理想狀況下，第三個圓的圓周必然通過前兩個圓相交的兩個相交點中的一個。船隻的位置則在此三個圓的唯一交點上。,二度空間定位三個參考點,9,如果信號傳送過程中，因干擾影響傳送的時間，則依公式距離(D)=速度(V)x時間(T)計算的距離必然有誤差成份。圖中虛線是有誤差的測距兩個誤差的圓仍然可以得到兩個交點第三個圓周無法在前兩個圓的交點上，得知信號有誤差，船隻的位置變成無法確定，只知可能在DEF三點圍成的範圍內,二度空間定位的誤差,回目錄,10,一個參考點太空中如果知道一個GPS衛星的位置，根據它發送的信號到達接收端時間，依公式距離(D)=速度(V)x時間(T)(V等於光速3x108m)計算得到衛星與接收端的距離，以衛星位置為中心，距離為半徑可畫一個圓球形接收端位置可能在球面上的任何一點。,1.2三度空間定位一個參考點,11,兩個參考點如果知道第二個衛星的位置及距離，可畫出第二個圓球形。接收端的位置必需在兩個圓球表面的交接處。兩個球形表面交接處是一個圓環，接收端可能在此圓環形上的任何一點。,三度空間定位兩個參考點,12,三個參考點如果知道第三個衛星的位置及距離，則可畫出第三個圓球形。接收端的位置必定在這三個圓球面的交接處，三個球面的交接處是兩個點接收端可能在兩個交點中的任何一點。,三度空間定位三個參考點,回目錄,13,接收端以三顆衛星的信號，可以計算本身的位置。如果三顆衛星信號都有相同的誤差，仍然可得一個位置，是錯誤的位置。接收到第四顆衛星信號後，第四個球面與前三個球面不可能相合一個位置。經過接收端回歸修正後，可消除誤差得到真實位置。第四顆衛星信號的主要功能是修正位置誤差。,1.3定位誤差修正第四顆衛星的功能(1),14,第四顆衛星信號可糾正信號誤差，其中包含時間的誤差。接收器端的時間不需與原子鐘座校正因為回歸修正可糾正其差值因此使用端可用誤差較大但較便宜的石英振盪器做時間參考，不需用價格昂貴的原子鐘，使接收器價位可降低到消費者能接受的程度。,第四顆衛星的功能(2),回目錄,15,2.0GPS的輔助系統,時間系統GPS的時間以原子鐘時間為標準，接收端以格林維治時間為標準座標系統GPS的衛星位置以地球中心地球固定座標系(ECEF)表示，接收端以WGS-84地理座標系表示位置電子地圖電子地圖是數位化以經緯度為圖層組成的地圖，是車輛導航的工具通信系統應用端必需以通信系統將經緯度資料傳回監控中心做車隊管理或導航防盜使用,16,17,18,原子鐘是人類歷史上最準確的計時器：銫原子鐘頻率為9,192,631,770Hz，每1,400,000年差一秒銣原子鐘的震盪頻率約6GHz。工業用原子鐘世界上沒有兩個原子鐘的時間是完全一樣的，國際重量及測量局BIPM負責國際間原子鐘的時間測量及計算，它透過網路每五天檢查一次分佈在全世界50個時間實驗室的250個原子鐘，計算結果作國際原子時間(TAI)的標準。,原子鐘,19,原子能階原子只能存在特定的能階，最低能量位準的軌道是”基礎階”激發輻射頻率如果最外層電子因為吸收激發光子的能量，可跳到較高層的軌道，同時輻射狹窄的頻率。這個頻率的波長可被量測作為計時的標準。金屬原子銫和銣是世界上製作原子鐘的兩種材料，因為它在常溫為液態且頻率穩定。加拿大國家實驗室的原子鐘,原子鐘的工作原理(1),20,工作原理將常溫時為液態的銫在加熱爐裡加熱使其氣化。汽化的銫原子由爐子裡的一個洞中高速逃脫，這樣就捕捉到了汽化的純銫原子。此汽化銫原子再通過一個電磁場，其場效應使銫原子依其所處能階分成兩群。低能階的銫原子通過U形管的尾端，並在該處接受3.26公分波長微波的輻射。一部分銫原子吸收此微波的能量，由低能階激化轉變到較高的能階。激勵後的銫原子在返回原來位階時發出頻率穩定的微波，調整與此微波共振的振盪器頻率，使輸出達到最大值，這個頻率是銫原子的共振頻率，也是原子鐘的計時英國最早的原子鐘基本頻率。加拿大早期的原子鐘,原子鐘的工作原理(2),回目錄,21,地球的模型理想形狀實際形狀幾何形狀從太空中看地球是一個圓形的球體實際上地球是一個像南瓜的憜圓形地球的形狀必須以數學模型表示，才能作定位應用地球物理參數：赤道週長40,075.16公里。南和北回歸線在赤道的南北緯23.5度。赤道處直徑12,760公里，南北極直徑12,720公里參考美國地理教育網站,2.2座標系統,22,如何表示地球表面的一個位置？笛卡兒(ReneDescartes)座標系是以X軸、Y軸、Z軸表示三度空間的座標系，也是世界地理座標系表示位置的系統地球中心慣性座標系(ECI)地球中心地球固定座標系(ECEF)WGS-84世界測量座標系-GPS使用的座標系WGS60WGS66WGS72WGS84(美國DMA製作),地球的座標系統,23,台灣的測量座標系統,TWD-97虎子山標準虎子山一等點為臺灣三角測量的原點，位於埔里鎮，座標是東經1205825.9750北緯235832.3400,高度555.34公尺921大地震後水平移位向西北偏西位移約2.8公尺,下陷約5公尺高程：自臺灣基隆平均海水面為零公尺起算(詳細資料可參閱內政部地政司衛星測量中心網站),24,赤道處經度一度的距離約111.321公里，南北緯40度處經度一度的距離約85公里。南北極處經度一度的距離是？公里。(0)赤道處緯度一度的距離約111公里，到南北極處緯度一度的距離約111.699公里。平面座標上(x1,y1)與(x2,y2)兩點之間距離的計算公式；C2=b2+a2=C2=(x1-x2)2+(y1-y2)2地球表面距離計算的誤差原因：座標，量度儀器，測量目標的特性。,座標系的距離計算,25,座標系統中的高度,GeoidHeight海平面高度(N)OrthometricHeight海拔垂直於海平面的高度(H)GPS高度是地球幾何橢圓高度(h)三種高度之間的關係h=H+nGPS高度測量的精準度是平面測量的一半,回目錄,26,電子地圖(E-Map)由許多不同圖層構成。使用者可依使用目的增減某些圖層；亦可選取不同的電子地圖圖層加以編排，產生不同的展示效果。電子地圖是GPS定位導航的基礎，它以經緯度，道路，地物，地貌，圖示icon等構成。導航時，由GPS接收的經緯度資料可顯示在層，透過覆蓋其上的道路資料圖層，可得知車輛位置。,2.3電子地圖(E-Map),回目錄,27,2.4無線通信系統(信號調變方式),28,29,30,31,陀螺儀的工作原理,陀螺儀由三個幾乎沒有模擦力的軸承支持的圓環構成，中心結構的質量較重，故在XYZ三個方向移動時，中心仍然維持在穩