GPS考试课件集合

1、卫星导航技术北京理工大学宇航学院第一章 卫星导航定位系统概论1.1基本定义卫星导航系统是一种星基的无线电导航定位系统。系统中，导航卫星作为动态已知点，接收机通过接收导航卫星发射的导航信号，实时地测定自己的位置、速度以及时间等导航信息 第一章 卫星导航定位系统概论1.2卫星导航系统的发展历程 第一代卫导航系统 有美国海军的子午仪卫星导航系统和苏联海军的CICADA卫星导航系统 第二代卫星导航系统 有美国GPS，苏联GLONASS、欧洲GALELIO、中国北斗 第一章 卫星导航定位系统概论1.3卫星导航系统的组成空间星座部分地面监控部分用户设备部分 空间部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航和

2、定位的基础 第一章 卫星导航定位系统概论1.3卫星导航系统的组成空间星座部分 GPS星座由24颗GPS卫星构成，均匀分布在6个轨道平面内，轨道平均高度为20200km，运行周期为11小时58分。整个星座保证用户在任何时刻都能见到4颗以上的卫星 第一章 卫星导航定位系统概论1.3卫星导航系统的组成地面监控部分 GPS地面监控部分分布在全球的多个地面站组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站，负责对GPS卫星轨道进行监控，测量GPS卫星的精确位置和其他一些修正补偿数据，并将这些数据编制成导航电文，定期向GPS卫星发送 第一章 卫星导航定位系统概论1.3卫星导航系统的组成GPS的用户设备 即指接

3、收机，完成GPS信号的捕获跟踪，伪距、多普勒频率和载波相位等GPS原始观测量的测量，导航电文的解调，用户位置、速度解算等最终的导航定位功能。第一章 卫星导航定位系统概论1.4卫星导航系统基本原理1.4.1基本定位原理第一章 卫星导航定位系统概论1.4卫星导航系统基本原理1.4.1基本定位原理222111122222222223333()()()()()()()()()sususususususususuxxyyzzxxyyzzxxyyzz第一章 卫星导航定位系统概论1.4卫星导航系统基本原理1.4.2测速原理(1)位置差分测速(2)多普勒频率测速surdTRTTvvvfffffcc1212)(

4、)(tttXtXV第一章 卫星导航定位系统概论1.5系统工作过程（1）地面控制部分监控卫星的轨道位置，并将其编制成导航电文，定期发送到卫星；（2）卫星将收到的电文进行处理，形成卫星信号，在严格的时间基准下向地面广播；（3）用户的接收机对卫星信号进行捕获跟踪，完成观测量(伪距、多普勒)测量、电文解调，并根据定位模型，最终计算出用户的PVT信息 第一章 卫星导航定位系统概论1.7 卫星导航技术的特点全球性全天候全天时三维定位、定速、定时高精度（95，30m, 0.1m/s, 0.34us)要求与卫星保持通视被动无源第一章 卫星导航定位系统概论1.7 卫星导航技术的特点卫星导航系统与INS系统的比较

5、系统性能卫星导航系统惯性导航系统提供的信息三维位置、速度、时间三维位置、速度、加速度、姿态、姿态变化率精度短期精度较高，长期精度高短期精度高，长期精度低信息更新率1-10Hz100-1000Hz自主性需要与卫星保持通视，接收卫星信号不需要外界信息成本低(10000)第二章 时空系统 坐标系统和时间系统是GPS的基本参考系统，是描述卫星运动、处理观测数据、表达用户位置的基础。 第二章 时空系统2.1 时间系统 时间参考时间系统地球自转世界时：太阳时、恒星时地球公转历书时：地球力学时TDT、质心力学时BDT原子振荡原子时：国际原子时TAI、协调世界时UTC卫星导航系统参考时GPST/BDT/GST

6、第二章 时空系统2.1时间系统 （1）世界时系统世界时系统是以地球自转周期为尺度而建立的一种时间系统，秒长为地球自转一周的1/86400。世界时是一个不均匀的时间系统，由于地球自转速度逐步减慢，其也逐步变慢。根据观察地球自转运动时所选空间参考点不同，世界时系统又有以下几种表述形式： 恒星时（sidereal times）、 太阳时（solar time）、 世界时(universal time,UT)，定义为平太阳相对格林尼治子午面的时角加12小时，秒长为一个平太阳日的1/86400。第二章 时空系统2.1时间系统 （2）原子时系统（atomic time, AT） 物质内部原子在两个能级之间

7、跃迁时，辐射或吸收的电磁波频率，具有极高的稳定性和复现性。原子钟以这种高稳定性的电磁波频率为基准振荡频率，形成原子时系统。国际制秒（SI）： 基于原子时的尺度标准(1967)。位于海平面上的铯133原子基态两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间，为一原子时秒。国际原子时(TAI)： 秒长采用SI,原点为1958年1月1日0时UT1。由国际上分布在50多个国家的200多座原子钟产生的原子时进行处理形成，是一个高度精确、均匀的时间系统。TAI的稳定度大约为1310第二章 时空系统2.1时间系统 （3）协调世界时(universal coordinate time,

8、 UTC) 1972年引入了世界协调时UTC。以国际原子时秒长为基础。为了保持与世界时的一致，当UTC与世界时UT1差距超过0.9s时，采用跳秒方式插入1秒，使协调时尽量接近世界时。一般在12月31日或6月30日末加入，具体日期由国际地球自转服务组织（IERS）安排并通告。到目前，最后一次跳秒发生在2012年6月30日最后一秒，跳秒累计数为35。TAIUTC跳秒数 /IERS/EN/Publication/Bulletins第二章 时空系统2.1时间系统（5）时间的计时方法累计日：儒略日(JD)，起点为公元前4713年1月1日12时 。简化儒略日(MJD)，以公元185

9、8年11月17日平子午夜作为计时起点 。年月日时分秒：儒略历和格里历(公历，公元1582年开始推行）。周数/周内秒：BD/GPS/GALILEO导航系统时间。累计日/日内秒：GLONASS导航系统时间。2400000.5M JD JD第二章 时空系统2.2坐标系统 在卫星导航定位中，采用两类坐标系，即天球坐标系与地球坐标系。天球坐标系：是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向空间保持不变，用于描述卫星运行位置和状态。地球坐标系：是与地球固联的坐标系，用于描述地面点的位置 第二章 时空系统2.2坐标系统 （1）天球坐标系（惯性坐标系）天极天球赤道面与天球赤道天球子午面与天球子午圈黄道：黄赤交角

10、(23.5)黄极春分点与秋分点第二章 时空系统2.2坐标系统 （1）天球坐标系（惯性坐标系） 在天球坐标系中，任一天体的位置可用天球空间直角坐标系和天球球面坐标系来描述。天球空间直角坐标系：原点位于地球的质心，z轴指向天球的北极Pn，x轴指向春分点，y轴与x、z轴构成右手坐标系。天球球面坐标系：原点位于地球的质心，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角，赤纬为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角，向径r为原点至天体的距离。第二章 时空系统2.2坐标系统 （1）天球坐标系（惯性坐标系） 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一天体的位置时是等价的，二者可相互转换。s

11、insincoscoscosrzyx22222yxzarctgxyarctgzyxr第二章 时空系统2.2坐标系统 （1）天球坐标系（惯性坐标系）真天球坐标系 真天球坐标系的原点位于地心，Z轴指向瞬时地球自转轴的方向，即真天极方向。x轴指向真春分点，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。真天球坐标系又称为瞬时天球坐标系。 由于受岁差、章动的影响，真天球坐标系的坐标轴指向是不断变化的，是一个不断旋转的非惯性系。第二章 时空系统2.2坐标系统 （2）地球坐标系 为了准确描述目标在地球上的位置，需要采用固连在地球上、随同地球自转的地球坐标系 第二章 时空系统2.2坐标系统 （2）地球坐标系 地球坐标系有两种

12、表达方式：直角坐标系和大地坐标系地心直角坐标系：原点与地球质心重合，z轴指向地球北极，x轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点E，y轴垂直于xoz平面构成右手坐标系。 地心大地坐标系：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。第二章 时空系统2.2坐标系统 （2）地球坐标系瞬时地球坐标系 瞬时地球坐标系以地球质心为原点，地球自转轴为Z轴，指向瞬时北地极，X轴在赤道面上指向格林威治子午面与赤道面的交点即经度零点，Y轴与X轴、Z轴构

13、成右手直角坐标系。 由于受极移影响，该坐标系的Z轴指向在随时变化，因此该系称为准地固坐标系 第二章 时空系统2.2坐标系统 （2）地球坐标系协议地球坐标系(CTS) 协议地球坐标系的原点位于地球质心，Z轴指向国际协议原点(CIO)，X轴在赤道面内指向经度零点。协议地球坐标系又称为地球固连坐标系(简称地固系ECEF)。 WGS-84坐标系就是一种以地球质心为原点的地球固连坐标系，坐标系的定向与BIH1984.0所定义的方向一致，Z轴指向BIH系统定义的协议地极(CTP)的方向，X轴指向BIH 1984,0的零度子午面与CTP赤道的赤道的交点，Y轴垂直与XOZ平面并构成右手坐标系。 第二章 时空系

14、统2.2坐标系统 （3）站心坐标系 站心坐标系是以测站的椭球法线方向为Z轴，以测站大地子午线北端与大地地平面的交线为Y轴，大地平行圈（东方向）与大地地平面的交线为Z轴，构成右手坐标系，又称东北天坐标系(ENU) 。 仰角：卫星与站心系原点的连线与站心系XY平面的夹角。 方位角：卫星在站心系XY平面的投影与站心系Y轴(北向)的夹角，顺时针为正。第二章 时空系统2.2坐标系统 （4）坐标变换1）坐标旋转 xyzXY1000)cos()sin(0)sin()cos()()cos(0)sin(010)sin(0)cos()()cos()sin(0)sin()cos(0001)(zyxRRR第二章 时空

15、系统2.2坐标系统 （4）坐标变换2）地固坐标 站心坐标 地固坐标(xe,ye,ze)与站心坐标(xs,ys,zs)的转换。其中(xe0,ye0,ze0)为站心系原点在地固系中的坐标，L0,B0为站心系原点在大地系中的经度和纬度。 sssssseeeeeesssyxzyxzzzyyxxBLBLBBLBLBBLLzyxarctanarcsinsinsincoscoscoscossinsincossincoscossin2220000000000000000方位角：仰角：第二章 时空系统2.2坐标系统 （4）坐标变换3）大地坐标系 地球地固坐标系BHeNzBLHNyBLHNxBeRNecefece

16、fecefasin1cossincoscossin1222NByxHNeHNyxHNzBxyLBeRNecefecefecefecefecefecefecefacos)()(arctanarctansin12222222Ra=6378137.0E2=6.69438e-33.导航卫星轨道 3.2 轨道描述 3.2.1 描述方式 直角坐标（x,y,z,vx,vy,vz） 开普勒轨道根数轨道根数符号描述半长轴a大小（能量）偏心率e形状倾角i轨道面相对于赤道面的倾斜度升交点赤经轨道相对于升交点位置的转角近地点幅角近地点相对于升交点的角度真近点角卫星相对于近地点的角度3.导航卫星轨道 3.2 轨道描述3

17、.导航卫星轨道 3.2 轨道描述 3.2.2 描述转换(轨道根数直角坐标、速度)1）轨道系直角坐标cos1)1 (0sincos2eearrrzyxorbit其中：xY近地点远地点r3.导航卫星轨道 3.3 轨道描述 3.3.2 描述转换2）坐标旋转)cos()sin(0)sin()cos(0001)(1000)cos()sin(0)sin()cos()()()()(iiiiiRRzyxRiRRzyxxzorbitzxzeci其中：1000)cos()sin(0)sin()cos()(zR3.导航卫星轨道 3.4 轨道摄动 摄动力： 大气阻力 地球形状非球形及质量分布不均匀引起非中心引力； 太

18、阳、月亮等其他星体的第三体引力； 太阳辐射光压； 地球潮汐（固体潮、海洋潮） 地球磁力 推力 各种摄动力的影响均小于地球引力场10-53.导航卫星轨道 3.4 轨道摄动3.GPS卫星轨道 3.5 GPS卫星星历1）开普勒轨道六参数: 卫星椭圆轨道长半轴平方根; e卫星椭圆轨道偏心率; i0参考时刻toe的轨道倾角; 0参考时刻toe的轨道升交点赤经; 轨道近地点角距; M0参数时刻toe的平近点角.a3.GPS卫星轨道 3.5 GPS卫星星历2)轨道摄动九参数:n卫星运动平均角速度的改正;dot升交点赤径的变化率;idot轨道倾角的变化率;Cuc ,Cus升交角矩的余弦和正弦摄动改正项系数;C

19、ic ,Cis轨道倾角的余弦和正弦摄动改正项系数;Crc ,Crs轨道半轴的余弦和正弦摄动改正项系数.3）时间二参数:Toe从星期日子夜时开始的星历参考时刻;IODE星历表的数据龄期4. 伪距测量 4.1 卫星广播信号 4.1.1构成 载波 伪码 导航电文11111() ()cos(2)() ()sin(2)jjjjjjjLPPLpccLcSAP t D tfAC t D tf4. 伪距测量4.1.4导航电文 GPS电文 导航电文是包含卫星星历、工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码）。 导航电文也是二进制码，依规定格式组成

20、，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。0 xE2C1593D2846A59D594002106243D3C699C4F120B9EAB9EEEBDF2BE1FA4E00009B7AE208AA94. 伪距测量 4.1.4导航电文 导航电文内容： （1）时间信息 （2）卫星钟信息 （3）本星星历 （4）所有卫星历书 （5）电离层延迟修正参数 （6）信号健康状态4. 伪距测量 4.1.5 信号的调制 （1）GPS信号的调制生成11111( )( )cos(2)( )( )sin(2)jjjjjjjLPPLpccLcSA Pt DtfA Ct Dtf4

21、. 伪距测量 4.1.5 信号的调制 （2）电文调制到伪码上4. 伪距测量 4.1.5 信号的调制 （3）调制到载波上4. 伪距测量 4.2 伪距测量4.2.1 伪距定义与伪距方程（1）物理意义()rtc tt4. 伪距测量 4.2 伪距测量4.2.1 伪距定义与伪距方程（2）伪距方程 sysssysrtropionoususussysssysrtropionosysssysrsysssysrsysssysssysrsysrsrttczzyyxxttcttcttcttttcttc222第五章 测量误差分析 在卫星导航定位中，观测量中所含有的误差将影响定位参数的精度。 影响测量结果的误差来源于导

22、航卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在高精度测量中，还应考虑与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等。第五章 测量误差分析5.1误差分类与卫星有关的误差星历误差卫星钟差与信号传播有关的误差电离层误差对流层误差地球自转效应误差相对论误差多路径效应误差与接收机有关的误差天线相位中心偏差接收机噪声接收机测量误差接收机导航解算误差 第五章 测量误差分析误差来源对伪距测量的影响/mP码C/A码星历误差4.24.2钟差与稳定性3.03.0卫星摄动1.01.0相位不确定性0.50.5其他0.90.9合计5.45.4电离层折射2.35.010.0对流层折射2.02.0多路径效应1.21.2其他

23、0.50.5合计3.35.5-10.3接受机噪声1.07.5其他0.50.5合计1.17.5总计6.410.8-13.8第五章 测量误差分析5.2误差修正（2）电离层误差 电离层，指地球上空距地面高度在50-1000km之间的大气层,电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射的影响，产生强烈的电离，形成大量的自由电子和正离子，形成电离层。离地面20000km的卫星发射的电波，必须穿过电离层。当电磁波信号穿过电离层时，信号路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，电波在电离层中传播速度会大于在真空中的传播速度，所以信号传播时间乘以真空中的传播速度C就不等于信号的实际传播距离，从而引起测距误差。

24、 对于导航卫星信号来讲，日间正午前后，当卫星接近地平线时，电离层折射的影响，可能超过150m；在夜间，当卫星处于天顶方向时，电离层折射的影响，将小于5m。第五章 测量误差分析5.2误差修正（2）电离层误差 修正措施： 对于双频接收机，利用双频观测加以修正，经双频观测改正后的距离残差为厘米级。 对于单频接收机，利用电离层模型加以修正，目前模型改正的有效性约为70%。第五章 测量误差分析5.2误差修正（2）电离层误差 klobuchar修正模型： klobuchar模型认为，夜间的电离层时延稳定不变，恒定为5ns；白天电离层时延的最大值出现在当地每天的14点；其他时间电离层时延按余弦函数的规律变化。 450400,10*5450400),250400cos(10*5*99TtTtTtAftiono第五章 测量误差分析5.2误差修正（2）电离层误差 klobuchar修正模型： 第五章 测量误差分析5.2误差修正（4）地球自转误差改正 ECEF坐标系随地球一起绕Z轴自转，卫星相对于ECEF的位置（坐标值），是相对历