武汉大学《GPS导航与应用》3

1、 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.1GPS导航应用导航应用 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.2第第3章章 基础知识基础知识 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.3大地坐标与大地坐标与WGS-844大地大地/椭球坐标系椭球坐标系 定义定义 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。 大地坐标大地坐标 大地纬度（B） 大地经度（L） 大地高/椭球高（H）5WGS 84 World Geodetic System 1984 1984年世界大地系统年世界大地系统 GPS

2、系统内部所采用坐标参照系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卫星所发送的广播星历基于此系统 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.6地图投影地图投影7地图投影的产生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8通俗的地图投影定义通俗的地图投影定义 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。9地图投影的定义地图投影的定义 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：12,xfB LyfB L式

3、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。10地图投影的类型地图投影的类型 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.11GPS时时12GPS时时 GPST 秒长：原子时秒长秒长：原子时秒长 起点：起点：1980年年1月月6日日0时时 特点：连续计时，无跳秒特点：连续计时，无跳秒 计时方法计时方法 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 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.13第第4章章

4、 GPS系统的组成与系统的组成与信号结构信号结构 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.14引子引子15GPS定位的基本原理定位的基本原理GPS定位的基本原理：距离交会定位的基本原理：距离交会 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.16第第1节节 GPS坐标和时间系统坐标和时间系统17GPS坐标和时间系统坐标和时间系统 GPS坐标系统坐标系统 1984年世界大地坐标系（WGS-84 World Geodetic System） GPS时间系统时间系统 GPS时（时（GPST） 秒长：原子时秒长 计时方法：GPS周（GPS Week

5、） + 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） 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.18第第2节节 GPS的组成的组成 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.19概况概况20GPS的组成的组成空间部空间部分分地面监地面监控部分控部分用户部用户部分分GPSGPSGPS 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.21空间部分空间部分22GPS的空间部分的空间部分 构成：由

6、构成：由GPS卫星所组成的卫星所组成的GPS卫星星座卫星星座卫星数量：卫星数量：21(工作卫星工作卫星)+3(活动的备用卫星活动的备用卫星)轨道面数量：轨道面数量：6平均轨道高度：平均轨道高度：20200km轨道倾角：轨道倾角：55 轨道周期：轨道周期：11h 58minGPS设计星座设计星座目前（目前（2012.02.29），），GPS星座由星座由32颗颗GPS工作卫星构成。工作卫星构成。23GPS卫星星座卫星星座注：摘编自注：摘编自/?Do=constellationStatus24GPS卫星的功能卫星的功能 接收、存储导航电文接收、存储导

7、航电文 生成用于导航定位的信号（测生成用于导航定位的信号（测距码、载波）距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采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用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测其他特殊用途，如通讯、监测核暴等核暴等 25GPS卫星卫星Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.26地面监控部分地面监控部分27GPS地面监控部分的组

8、成地面监控部分的组成 主控站：主控站：1个个 监测站：监测站：5个个 注入站：注入站：3个个 通讯与辅助系统通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站28GPS地面监控部分的分布地面监控部分的分布主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋29地面监控部分的功能地面监控部分的功能 跟踪跟踪GPS卫星卫星 确定卫星轨道及卫星钟改正数确定卫星轨道及卫星钟改正数 预报卫星轨道，建立卫星钟改预报卫星轨道，建立卫星钟改正模型正模型 编制成导航电文，并通过注入编制成导航电文，并通过注入站送往卫星站送往卫星 通过注入站向卫星发布各种指通过注入站向卫星发布各种指令令 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松

9、，武汉大学测绘学院.30用户部分用户部分31用户部分的组成用户部分的组成 用户用户 接收设备接收设备32用户部分的功能用户部分的功能 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 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.33第第3节节 GPS卫星的信号结构卫星的信号结构 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.34GPS卫星信号的成分卫星信号的成分35GPS卫星信号的成分卫星信号的成分 载波载波 可运载调制信号的高频振荡波 L1，L2 测距码测距码

10、 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）L2P2D L1C/A P1 D36GPS卫星信号的成分卫星信号的成分 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.37载波载波38载波的作用和类型载波的作用和类型 作用作用 搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移 类型类型 目前 L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2

11、 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm 现代化后 增加L5 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03c mL224.42c m39载波的作用和类型载波的作用和类型 选择两（多）个频率可以较好地消除信号选择两（多）个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟的电离层折射延迟 电离层折射延迟与信号的频率有关 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.40测距码测距码41测距码的作用和性质测距码的作用和性质 作用作用 测距 性质性质 为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise），既具有随机

12、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142C/A码码 名称名称 粗码/捕获码（Coarse/Acquisition Code） 码率码率 1.023MHz 周期周期 1ms 1周期含码元数周期含码元数 1023 码元宽度码元宽度 293.05m 调制载波调制载波 L143P码码 名称名称 精码（Precise Code） 码率码率 10.23MHz 周期周期 7天 1周期含码元数周期含码元数 6187104000000 码元宽度码元宽度 29.30m 调制载波调制载波 L1和L2

13、44现代化后测距码的变化现代化后测距码的变化 在在L2上调制上调制C/A码码 在在L1和和L2增加调制增加调制M码（军用码）码（军用码） 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.45导航电文导航电文46导航电文的作用及基本结构导航电文的作用及基本结构 形式形式 码率50Hz的比特流 作用作用 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47导航电文的作用及基本结构导航电文的作用及基本结构 组织方式组织方式 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一帧导航电文的结构 200

14、92012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.48第第5章章 GPS测量的基本原测量的基本原理和方法理和方法 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.49第第1节节 码伪距测量码伪距测量50距离交会与距离交会与GPS定位定位51测距方法测距方法离散脉冲信号测距离散脉冲信号测距连续测距码或载波信号测距连续测距码或载波信号测距在在GPS中采中采用的是此类用的是此类方法方法52卫星信号传播时间距离测定的基本思路距离测定的基本思路c t 基本思路：通过某种方式测定卫星信号基本思路：通过某种方式测定卫星信号从卫星至接收机的传播时间。从卫星至接收机的传播时间

15、。53信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定 卫星与接收机各自卫星与接收机各自根据自身的时钟产根据自身的时钟产生信号生信号54信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定 卫星经过一段时间卫星经过一段时间的传播到达接收机的传播到达接收机55信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定 接收机通过对本地接收机通过对本地信号在时间轴上平信号在时间轴上平移，直至与所接收移，直至与所接收到的卫星信号对齐，到的卫星信号对齐，所平移的时间即为所平移的时间即为所测定的信号传播所测定的信号传播时间时间56信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定1()(

16、)TRu Ttu TdtT相关系数：信号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57测距码测距的必要条件测距码测距的必要条件 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58测距码测距的特点测距码测距的特点 采用采用CDMA（码分多址）（码分多址）技术，可区分不同卫星信技术，可区分不同卫星信号号 易于捕获微弱的卫星信号易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度可提高测距精度 便于对系统进行控制和管便于对系统进行控制和管理（如理（如AS）每颗每颗GPS卫星都采用特定的卫星都采用特定的伪随机噪声码伪随机噪声码微弱信号的捕获微弱信号的捕获59()()(

17、)()()()SRSSSRRRSRRRSSRSRSRSRSctttTtTcttcTTcTTccRcTTRcc伪距观测值：设：；则：站星真实距离：故：接收机钟差接收机钟差卫星钟差卫星钟差信号离开卫星信号离开卫星的时刻（由卫的时刻（由卫星钟测定）星钟测定）信号到达接收信号到达接收机的时刻（由机的时刻（由接收机钟测定）接收机钟测定）码伪距的观测方程码伪距的观测方程222()()()iiiRXXYYZZ信号离开卫星信号离开卫星的时刻（系统的时刻（系统时间）时间）信号到达接收信号到达接收机的时刻（系机的时刻（系统时间）统时间） 20092012. 黄劲松，武汉大学测绘学院黄劲松，武汉大学测绘学院.60第

18、第2节节 单点定位单点定位与测时与测时61单点定位的定义单点定位的定义 单点定位单点定位 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单点定位62测时测时 单点测时（位置未知）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）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卫星接收机接收机1接收机接收机263单点定位精度与用户等效距离误差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，定位精度越高当卫星分

19、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（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。64单点定位精度与卫星分布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65DOP值值 DOP 精度衰减因子（Dilution of Precision） DOP值与定位精度值与定位精度 DOP值的性质值的性质 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mUERE xDOPmUERE其中：为定位（测时）精度；为用户等效距离误差。66DOP值值 DOP值的类型值的类型 GDOP Geometry Dilution of Precision（几何精度衰减因子） PDOP Position Dilution of Precision （位置精度衰减因子） TDOP Time Dilution of Preci