南理工导航4-2014

1、1导航技术基础（导航技术基础（4）教师：李 胜E-mail:2上节课内容复习上节课内容复习nGPS、GLONASS、GALILEO三个全球导三个全球导航系统概况、工作原理航系统概况、工作原理n北斗卫星、北斗卫星、IRNSS、QZSS三个区域导航系三个区域导航系统概况、工作原理统概况、工作原理nGPS接收器使用方法。接收器使用方法。3本节课内容大纲本节课内容大纲nGPS坐标系坐标系nGPS时间时间4GPS25LVS输出数据输出数据n串口串口1NMEA0183 2.0版本的版本的ASCII语句，包括：语句，包括：NMEA标准语句：标准语句：GPALM，GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC

2、，GPVTG； GARMIN定义语句：定义语句：PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，LVGLL，LCVTG；n串口串口2包括包括GPS载波相位数据的二进制数据；载波相位数据的二进制数据；5GPS25LVS串口串口1输出数据示例输出数据示例n$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,0000*77 n$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,A*54n$GPVTG,359.95,T,M,15.15,N,28.

3、0,K,A*04n$GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,2.1,1.2,1.7*3Dn$GPGSV,3,1,10,18,84,067,23,09,67,067,27,22,49,312,28,15,47,231,30*706GPS固定数据输出语句固定数据输出语句($GPGGA)n$GPGGA ，世界时间，纬度，纬度半球，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分位，大地水准面高度，高度单位，差分GPS数据期限，差分

4、参考基站标号，校验数据期限，差分参考基站标号，校验和结束标记。和结束标记。n$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,0000*777GPRMC推荐定位信息推荐定位信息n$GPRMC，UTC时间（时间（hhmmss），定位），定位状态，纬度，纬度半球，经度，经度半球，状态，纬度，纬度半球，经度，经度半球，地面速率，地面航向，地面速率，地面航向，UTC日期日期（ddmmyy），磁偏角，磁偏角方向，模），磁偏角，磁偏角方向，模式指示式指示*hhn$GPRMC，121252.000，A，3958.3032，N，

5、11629.6046，E，15.15，359.95，070306，A*548地面速度信息地面速度信息(GPVTG)n$GPVTG,T,M,N,K,*hh 以真北为参考基准的地面航向以真北为参考基准的地面航向(000359度，前面度，前面的的0也将被传输也将被传输) 以磁北为参考基准的地面航向以磁北为参考基准的地面航向(000359度，前面度，前面的的0也将被传输也将被传输) 地面速率地面速率(000.0999.9节，前面的节，前面的0也将被传输也将被传输) 地面速率地面速率(0000.01851.8公里公里/小时，前面的小时，前面的0也将也将被传输被传输) 模式指示模式指示(仅仅NMEA018

6、3 3.00版本输出，版本输出，A=自主自主定位，定位，D=差分，差分，E=估算，估算，N=数据无效数据无效n$GPVTG,359.95,T,M,15.15,N,28.0,K,A*049当前卫星信息（当前卫星信息（$GPGSA）n$GPGSA,1,2,3,4,18n1：定位模式，：定位模式，A=自动手动自动手动2D/3D，M=手动手动2D/3D;n2：定位类型，：定位类型，1=未定位，未定位，2=2D定位，定位，3=3D定位定位;ni：PRN码（伪随机噪声码），第码（伪随机噪声码），第12信道正在使用的卫星信道正在使用的卫星PRN码编号（码编号（00）（前导位数不足则补）（前导位数不足则补0）

7、;n15：PDOP综合位置精度因子（综合位置精度因子（0.5 - 99.9）;n16：HDOP水平精度因子（水平精度因子（0.5 - 99.9）;n17：VDOP垂直精度因子（垂直精度因子（0.5 - 99.9）;n18：校验值：校验值 ;n$GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,2.1,1.2,1.7*3D10可视卫星状态输出语句可视卫星状态输出语句($GPGSV) n$GPGSV，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(4)，(5)，(6)，(7)*hh(CR)(LF) n(1)总的总的GSV语句电文数；语句电文数；2;n(2)当前当前GSV语句号语句号

8、:1; n(3)可视卫星总数可视卫星总数:08; n(4)卫星号卫星号:06; n(5)仰角仰角(0090度度):33度度; n(6)方位角方位角(000359度度):240度度; n(7)信噪比信噪比(0099dB):45dB(后面依次为第后面依次为第10，16，17号卫星的信息号卫星的信息); n*总和校验域总和校验域11天球及天球坐标系天球及天球坐标系n天球坐标系是以天天球坐标系是以天球及天球上的点线球及天球上的点线圈为基础所建立的圈为基础所建立的坐标系。坐标系。n作用：用于描述作用：用于描述天天空中物体位置的坐空中物体位置的坐标系标系12天球坐标系中的几个概念天球坐标系中的几个概念n天

9、赤道天赤道：天球上假设的一个大圆，位：天球上假设的一个大圆，位于地球赤道的正上方，理论上有无穷于地球赤道的正上方，理论上有无穷半径；半径；n黄道面黄道面：地球绕太阳公转的轨道平面：地球绕太阳公转的轨道平面n黄道黄道：黄道面和天球相交的大圆；：黄道面和天球相交的大圆；n春分点春分点：当太阳在天球上从南向北移：当太阳在天球上从南向北移动，运行到天球赤道和黄道的交点；动，运行到天球赤道和黄道的交点；13黄道面黄道面N14天球坐标系的分类天球坐标系的分类n根据坐标原点位置来划分：根据坐标原点位置来划分：地心坐标系地心坐标系站心坐标系站心坐标系参心坐标系参心坐标系n根据天球基本面来划分：根据天球基本面来

10、划分：赤经赤纬坐标系赤经赤纬坐标系黄道坐标系黄道坐标系时角赤道坐标系时角赤道坐标系15天体位置的表示方法天体位置的表示方法n恒星位置恒星位置采用赤经和赤纬表示；采用赤经和赤纬表示；n人造卫星：人造卫星：采用赤经、赤纬和与原点之间的采用赤经、赤纬和与原点之间的距离距离r来表示；来表示；16地球的基本参数地球的基本参数n赤道半径：赤道半径：ae = 6378136.49 米米 n通过两级的半径：通过两级的半径：ap=6356755米米 n重力加速度：重力加速度：ge = 9.780327 米米/秒秒2 2n扁率扁率: f = 0.003352819 n地球引力常数：地球引力常数： GM=3.986

11、005GM=3.98600510101414m m3 3/s/s2 20.60.610108 8m m3 3/s/s2 217地球坐标系的定义地球坐标系的定义直角坐标系的定义直角坐标系的定义 原点原点O O与地球质心重合，与地球质心重合，Z Z轴指向地球北极，轴指向地球北极，X X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，点，Y Y轴在赤道平面里与轴在赤道平面里与XOZXOZ构成右手坐标构成右手坐标系。系。大地坐标系大地坐标系是由大地经度、纬度和高度构成的坐标系是由大地经度、纬度和高度构成的坐标系空间点位置在该坐标系中表述为（空间点位置在该坐标系中表述为（L，

12、B，H）右手坐标系右手坐标系19v早期的经度零点早期的经度零点18841884年美国华盛顿国际经年美国华盛顿国际经度会议定义：通过英国度会议定义：通过英国GreenwichGreenwich天文台天文台AiryAiry仪仪中心的子午线为全球统一中心的子午线为全球统一的起始子午线。起始子午的起始子午线。起始子午线与赤道的交点称为天文线与赤道的交点称为天文经度零点。经度零点。受板块运动、局部地壳运受板块运动、局部地壳运动和极移的影响动和极移的影响经度零点的问题经度零点的问题20格林尼治平均子午线格林尼治平均子午线由多个天文台共同维持由多个天文台共同维持可减少板块运动、局部地壳运动和观测误差的可减少

13、板块运动、局部地壳运动和观测误差的影响影响21常用地理坐标系常用地理坐标系n国际地球参考框架国际地球参考框架(ITRF)(ITRF)n北京北京5454旧坐标系旧坐标系n北京北京5454新坐标系新坐标系n20002000国家大地坐标系国家大地坐标系nWGS-84WGS-84坐标系坐标系GPSGPS坐标系坐标系22国际地球参考架国际地球参考架 （ITRFITRF）n国际地球参考架国际地球参考架 (ITRF)(ITRF)是是IERS IERS (International Earth Rotation (International Earth Rotation Service)Service)制定，

14、由全球数百个人造卫制定，由全球数百个人造卫星激光测距站（星激光测距站（SLRSLR）、）、甚长基线干涉测甚长基线干涉测量量 （VLBIVLBI）和）和GPSGPS站所构成。站所构成。IGSIGS精密星历精密星历Z Z轴指向轴指向CIOCIO，利用，利用SLRSLR、VLBIVLBI和和GPSGPS等技术维持等技术维持. .提供站坐标及速度场信息提供站坐标及速度场信息2006年年10月月23日中阿合建的卫星测距站日中阿合建的卫星测距站 2419541954年北京坐标系年北京坐标系n坐标原点：前苏联的普尔科沃坐标原点：前苏联的普尔科沃n参考椭球：克拉索夫斯基椭球。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。n平差

15、方法：分区分期局部平差。平差方法：分区分期局部平差。n存在的问题：存在的问题：椭球参数有较大误差。椭球参数有较大误差。参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。系统性倾斜。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。定向不明确。定向不明确。2519801980年国家大地坐标系（年国家大地坐标系（GDZ80GDZ80）n坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。n参考椭球：参考椭球：19751975年国际椭球年国际椭球n平差方法：天文大地网整体平差。平差方法：天文大地网

16、整体平差。n特点：特点：大地高程基准采用大地高程基准采用19561956年黄海高程。年黄海高程。定向明确。定向明确。椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。定位。大地原点地处我国中部。大地原点地处我国中部。26新新19541954年北京坐标系（年北京坐标系（BJ54BJ54新）新）n坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。n参考椭球：克拉索夫斯基椭球。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。n平差方法：天文大地网整体平差。平差方法：天文大地网整体平差。n特点：特点：大地高程基准采用大地高程基准采用19561956年黄海高程。年黄

17、海高程。定向明确定向明确, ,与与GDZ80平行平行。综合综合GDZ80和旧和旧BJ54建立起来建立起来。采用多点定位，但椭球面与大地水准面在我国采用多点定位，但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合境内不是最佳拟合。272000国家大地坐标系国家大地坐标系n随着科学技术的进步，越来越多的实际应用要求随着科学技术的进步，越来越多的实际应用要求建立和采用建立和采用“地心地心”坐标系。坐标系。n空间定位技术的发展，使得建立高精度的空间定位技术的发展，使得建立高精度的“地心地心”坐标系称为可能。坐标系称为可能。nCGCS2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点位

18、于地球质心；原点位于地球质心；Z轴与轴与IERS参考极（参考极（IRP）方向一致，方向一致，X轴为轴为IERS参考子午面（参考子午面（IRM）与垂）与垂直于直于Z轴的赤道面的交线，轴的赤道面的交线，Y轴与轴与Z轴、轴、X轴垂直并轴垂直并最终形成右手正交系。最终形成右手正交系。n参考椭球采用参考椭球采用2000参考椭球参考椭球28WGS-84WGS-84坐标系坐标系nWGS-84WGS-84坐标系的原点在地球质心，坐标系的原点在地球质心，Z Z轴轴指向指向BIH1984.0BIH1984.0定义的协定地球极定义的协定地球极（CTPCTP）方向，）方向，X X轴指向轴指向BIH1984.0BIH1

19、984.0的零的零度子午面和度子午面和CTPCTP赤道的交点，赤道的交点，Y Y轴和轴和Z Z、X X轴构成右手坐标系。是一个地心地固轴构成右手坐标系。是一个地心地固坐标系。坐标系。 29直角位置坐标与极坐标系坐标转换直角位置坐标与极坐标系坐标转换n公式（公式（1）n公式（公式（2）30直角坐标系和大地坐标系之间的相互转换直角坐标系和大地坐标系之间的相互转换公公式式三三公公式式四四31时间概念时间概念n什么是时间？什么是时间？n时间是指宏观一切具有不停止的持续性和时间是指宏观一切具有不停止的持续性和不可逆性的物质状态的各种变化过程，其不可逆性的物质状态的各种变化过程，其有共同性质的连续事件的度

20、量衡的总称。有共同性质的连续事件的度量衡的总称。其本意是指四季的更替或太阳在黄道上的位置其本意是指四季的更替或太阳在黄道上的位置轮回。轮回。时：宏观的，粗狂的、慢节奏的。时：宏观的，粗狂的、慢节奏的。间：瞬时、快速对象的间：瞬时、快速对象的32计时仪器（一）计时仪器（一）日晷日晷沙漏沙漏钟摆钟摆机机械械表表33计时仪器（二）计时仪器（二）NIST-F134时间系统的分类时间系统的分类n力学时力学时用一种反复的周期运动来度量的。用一种反复的周期运动来度量的。n世界时世界时世界时是以地球自转运动为标准的时间计量系统。世界时是以地球自转运动为标准的时间计量系统。n原子时原子时由原子钟导出的时间，简称

21、由原子钟导出的时间，简称AT。它是以物质内部原子。它是以物质内部原子运动的特征为基础的运动的特征为基础的 n协调世界时协调世界时采用了以原子时秒长为尺度，时刻上接近于世界时的采用了以原子时秒长为尺度，时刻上接近于世界时的一种折衷时间系统一种折衷时间系统 nGPS时时GPS专用时间系统，由专用时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。主控站的原子钟控制。 35力学时力学时n地球力学时地球力学时(Terrestial Dynamical Time,TDT)地心坐标系地心坐标系n质心力学时质心力学时 (Barycentric Dynamical Time,TDB)太阳系质心坐标系太阳系质心坐标系n两者差

22、别主要为：两者差别主要为：地球环绕太阳公转运行所有关之相对论效应地球环绕太阳公转运行所有关之相对论效应 两个时间最大相差两个时间最大相差0.0017秒秒36世界时世界时Universal Time-UT n由于观察地球自转运动所选的空间参考点不同，由于观察地球自转运动所选的空间参考点不同，世界时系统包括：世界时系统包括：恒星时恒星时n由春分点的周日视运动确定的时间称为恒星时。春分点连续两由春分点的周日视运动确定的时间称为恒星时。春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含24个恒星小时。个恒星小时。 平太阳时平太阳时n以平太阳连续两次经过本地子午

23、圈的时间间隔为一个平太阳日，以平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一个平太阳日，含含24个平太阳小时。个平太阳小时。 世界时世界时n以子夜零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时，以子夜零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时， 37原子时原子时Atomic Time-AT n由于世界时存在不均匀性和历书时的测定由于世界时存在不均匀性和历书时的测定精度低，自精度低，自1967年起，原子时已取代历书年起，原子时已取代历书时作为基本的时间计量系统。时作为基本的时间计量系统。 n原子时秒长的定义是：铯原子基态的两个原子时秒长的定义是：铯原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射超精细能级间在零磁场下跃

24、迁辐射 9,192,631,770周所持续的时间周所持续的时间 n把在海平面上实现的上述原子时秒，规定把在海平面上实现的上述原子时秒，规定为国际单位制时间单位为国际单位制时间单位 38协调世界时协调世界时 Universal Time Coordinated -UTCn从从1972年起，采用了以原子时秒长为尺度，年起，采用了以原子时秒长为尺度，时刻上接近于世界时的一种折衷时间系统，时刻上接近于世界时的一种折衷时间系统，称为协调世界时。称为协调世界时。 n协调世界时秒长等于原子时秒长，采用闰协调世界时秒长等于原子时秒长，采用闰秒的办法使协调世界时的时刻与世界时接秒的办法使协调世界时的时刻与世界时

25、接近。近。 n目前，几乎所有国家时号的播发，均以目前，几乎所有国家时号的播发，均以UTC为基准。时号播发的同步精度约为为基准。时号播发的同步精度约为0.2ms 关于闰秒的新闻关于闰秒的新闻n中科院国家授时中心近日宣布，我国将在中科院国家授时中心近日宣布，我国将在北京时间北京时间2012年年7月月1号的号的7点点59分分59秒和秒和全球同步进行闰秒调整，届时会出现全球同步进行闰秒调整，届时会出现7：59：60的特殊现象。的特殊现象。 n从从1972年到现在，这四十年里已经调过年到现在，这四十年里已经调过25次了。最近这几年没调，但是前面几年，次了。最近这几年没调，但是前面几年，2005年、年、2

26、008年，全都有过闰秒。年，全都有过闰秒。n闰秒不会对日常生产和生活产生影响！闰秒不会对日常生产和生活产生影响！40GPS时时nGPS时属原子时系统，其秒长与原子时相同。原时属原子时系统，其秒长与原子时相同。原点定义为点定义为1980年年1月月6日零时与协调世界时的时刻日零时与协调世界时的时刻一致。一致。nGPS时与国际原子时的关系为：时与国际原子时的关系为：IAT-GPST=19(s) nGPS时与协调世界时的关系为：时与协调世界时的关系为：GPST=UTC+1n -19s n值由国际地球自转服务组织公布。值由国际地球自转服务组织公布。n如：如：1987年年n=23，GPS时比协调世界时快时

27、比协调世界时快4秒，即秒，即GPST=UTC+4s， nhttp:/ 用于导航定位的用于导航定位的GPS卫星信号是复杂卫星信号是复杂的，主要有以下三部分组成：的，主要有以下三部分组成：n载波（载波（L1和和L2）n伪噪声码伪噪声码粗粗/捕获码（捕获码（C/A码）码）精密码（精密码（P码）码）n导航电文导航电文44载波载波n类型类型目前目前nL1：频率：频率：1575.43MHz=154*10.23MHz，波长：，波长：19cmnL2：频率：频率：1227.60MHz=120*10.23MHz，波长：，波长：24cm现代化后现代化后n增加增加L5：1176.45MHz，波长：，波长：26cmn作

28、用作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）搭载其它信号，也可用于测量（测距）减小传输中的噪声；减小传输中的噪声；频分复用，即同一时间同一信道传输多路信号而不混频分复用，即同一时间同一信道传输多路信号而不混叠。叠。 可传播更远距离，有利于接收。可传播更远距离，有利于接收。 45伪噪声码伪噪声码n定义：全称伪随机噪声码，一个具有一定定义：全称伪随机噪声码，一个具有一定周期的取值周期的取值0和和1的离散符号串，具有类似的离散符号串，具有类似于白噪声的自相关函数。于白噪声的自相关函数。n方波方波n类型类型粗粗/捕获码（捕获码（C/A码）码）n码速：码速：1.023MHz，长度：，长度：1023码元码元精密码（精密码（P码）码）n码速：码速：10.23MHz