GPS测量原理及应用,第一部分 GPS原理概要,发展简史 系统组成 工作原理 信号结构 误差来源 定位类型,第一章 GPS发展简史,“哪儿？”与“怎么去？”,现代卫星导航定位系统,TRANSIT 与CICADA 多普勒导航定位系统 GPS与GLONASS NAVSTAR-GPS: NAVigation System with Time And Ranging - Global Positioning System. （美国） GLONASS: GLObal NAvigation Satellite System. （俄罗斯）,第二章 GPS的系统及其信号,第一节 GPS的系统构成,空间部分 控制部分 用户部分 （地面部分）,一、GPS的空间部分,GPS的空间部分是由由GPS卫星所组成的卫星星座所构成。 GPS卫星的类型： Block （实验卫星） Block （正式工作卫星） Block A（正式工作卫星） Block R（正式工作卫星） Block F（正式工作卫星）,一、GPS的空间部分（续）,GPS卫星的组成： 原子钟 无线电发射器 计算机,一、GPS的空间部分（续）,Block 卫星,一、GPS的空间部分（续）,Block 卫星,一、GPS的空间部分（续）,Block R卫星,一、GPS的空间部分（续）,GPS星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 保证在15高度角以上，能够同时观测到4至8颗卫星 当前星座：26颗,一、GPS的空间部分（续）,GPS卫星星座（=35 ，=90）,一、GPS的空间部分（续）,作用 发送导航定位信息 其他特殊用途（如通讯、检测核暴等）,二、GPS的控制部分,组成：主控站、注入站和监测站。 主控站 作用： 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态 通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令 卫星维护与异常情况的处理,二、 GPS的控制部分（续）,数量：1 分布：美国克罗拉多州法尔孔空军基地 注入站 作用：将导航电文注入GPS卫星 数量：3 分布：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）,二、 GPS的控制部分（续）,监测站 作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站 数量：5 分布：夏威夷、主控站及三个注入站,二、 GPS的控制部分（续）,GPS的控制部分,二、 GPS的控制部分（续）,GPS的控制部分,三、GPS的用户部分,GPS信号接收机 采用石英钟 GPS信号接收机的类型 依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型 依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码 依接收伪距码的种类：P码与C/A码 依接收不同频率载波的数量：单频与双频,第二节 GPS的位置基准与时间基准,一、位置基准,概述 坐标系统 原点、坐标轴指向、长度基准 惯性系与非惯性系 地心系与参心系,一、位置基准（续）,类型 习/惯用天体参照系（Conventional Celestial Reference System） 例：ICRF，IERS (International Earth Rotation Service)制定，由500颗河外星系的天体所构成 习/惯用地面参照系（Conventional Terrestrial Reference System） 例：ITRF， IERS (International Earth Rotation Service)制定，由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成,一、位置基准（续）,GPS应用中所采用的位置基准 WGS84（World Geodetic System 1984） 广播星历 由美国国防部研制确定，其原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP），X轴指向BIH1984.0的零子午面与CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手系。椭球采用IUGG在第17届大会给出的推荐值：长半轴为6378137，扁率为1/298.257223563。大地水准面模型采用EGM。 ITRFyy IGS精密星历 Z轴指向CIO ，利用SLR、VLBI和GPS等技术维持。 提供站坐标及速度场信息,一、位置基准（续）,GPS应用中所采用的位置基准（续） WGS84与ITRF的关系 WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度 引力常数不同,一、位置基准（续）,GPS应用中所采用的位置基准（续） WGS84与ITRF的关系（续） 转换关系,二、时间基准（系统）,时间的起点和时间的长度 时间系统 太阳时与恒星时 力学时 原子时 GPS时 为原子时 1980年1月6日0时与UTC一致 GPS时用GPS周+一周内的秒数来表示,三、GPS信号的结构,1. GPS信号的组成,用于导航定位的GPS信号由三部分组成： 载波（L1和L2） 导航电文 测距码（C/A码和P(Y)码）,2. 载波,两种频率的正弦波 L1： L2：,3. 导航电文,方波 码速：50bps 内容： 广播星历（导航信息） 卫星钟改正 历书（概略星历） 电离层信息 卫星健康状况,4. 测距码,方波 伪随机噪声码 两种测距码： C/A码 - 粗码 码速：1.023MHz 码元长度：300m P(Y)码 - 精码 码速：10.23MHz 码元长度：30m,4. 测距码（续）,测距码的调制,5. GPS信号的构成示意图,美国降低普通用户导航定位精度的措施,SA - Selective Availability（选择可用性） -技术：轨道信息加绕（长周期，慢变化） -技术：卫星钟抖动（高频，短周期，快变化） AS - Anti-Spoofing（反欺骗） P码加密，成为Y码,第四节 GPS的工作原理,一、本质,距离后方交会,二、工作流程,三、距离测定方法,利用测距码测距（伪距测量） 利用载波测距（载波相位测量）,第五节 伪距测量与载波相位测量,伪距的测定,测定伪距的示意图,一、伪距测量,测距码 伪距的测定,1. 测距码,伪随机噪声码（PRN） 模二和 二进制信号 码元、时间周期（TP）与长度周期（LP） 运算规则： 相关系数 随机噪声的自相关性,1. 测距码（续）,伪随机噪声码（续） 伪随机噪声码 可复制性 生成方式 GPS的测距码 C/A码：码速1.023MHz, TP=1ms, LP=1023, 码元长度293.052m P码： 码速10.23MHz, TP=266天9小时45分55.5秒, LP=235469592765000, 码元长度29.3052m。 实际被截为7天一个周期，共38段，每一段赋予不同的卫星，卫星的PRN号也由此得到。,2. 利用测距码测距,测距原理,2. 利用测距码测距（续）,利用测距码测距的优点 精度高 无多值性 抗干扰 区分不同卫星,3. 伪距观测值,伪距观测值,二、载波相位测量,载波的结构 载波相位的测定 整周模糊度与周跳 载波相位观测值,1. 载波的结构,正弦波,2. 载波相位的测定,基本物理原理测定方法,3. 整周模糊度与周跳,整周模糊度 整周跳变（周跳）,4. 载波相位观测值,载波相位观测值,第六节 导航电文,导航电文的内容 导航电文的结构,一、导航电文（D码）的内容,卫星星历 时钟改正 电离层时延改正 卫星状态 转换码,二、导航电文的结构,基本构成 遥测码与转换码（交接字） 第一数据块 第二数据块 第三数据块,1. 基本构成,1. 基本构成（续）,2. 遥测码与转换码（交接字）,遥测码（字） 同步码：第18bit 遥测电文：第922bit 无意义连接比特：第2324bit 检校：第2530bit 转换码 Z计数：第117bit 特殊标识1：第18bit 特殊标识2：第19bit，同步标识，AS标识 子帧标识：第2022bit，第几子帧 无意义连接比特：第2324bit 检校：第2530bit,3. 第一数据块,第1子帧 URA系数N URA：用户测距精度 URA=2N(m) 卫星健康状态 钟龄（IODC）：IODC=toc-tl 群时延Tgd： (tsv)L1= tsv- Tgd 星钟改正参数：toc, a0 a1 a2 ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2,4. 第二数据块,第2、3子帧 星历参数 开普勒轨道根数（6个） 轨道摄动参数（9个） 星历参考时刻toe 星历龄期IODE,5. 第三数据块,第4、5子帧 历书（概略卫星轨道） 卫星健康状态,第七节 美国政府的GPS政策,原则 措施,一、原则,保障国家利益不受损害,二、措施,SA Selective Availability 对卫星轨道参数加扰的技术（低频） 对卫星基准频率加扰的技术（高频） 已于2000年5月1日停止。 AS Anti-Spoofing P+WY,第8节 卫星信号的调制,第9节 GPS接收机,定义 结构 类型 接收通道 天线,一、定义,能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备。,二、结构,天线前置放大器,信号处理器,微处理器,振荡器,控制、显示及存储设备,电源,二、结构（续）,天线（含前置放大器） 信号处理器 微处理器 显示、控制及存储设备 振荡器 电源,三、接收机的类型,根据工作原理： 码相关型 平方型 码相位型 混合型,根据信号通道类型： 多通道 序贯通道 多路复用通道,根据接收信号的频率： 单频 双频,根据测定测距码的类型： C/A码 P（Y）码,根据能否从信号中提取导航电文： 有码 无码,根据用途： 导航型 测量型 守（授）时型,四、GPS接收机的信号通道,什么是GPS接收机的信号通道 信号通道的类型 序贯通道、多路复用通道和多通道 码相关型通道、平方型通道和码相位型通道,1. 什么是GPS的信号通道,是GPS卫星信号经由天线进入接收机的路径 是软硬件的结合体 作用是跟踪、处理和量测卫星信号，获取工作所需的数据和信息,2. 信号通道的类型,根据跟踪方式 序贯通道 多路复用通道 多通道 根据工作原理 码相关型通道 平方型通道 码相位型通道,3. 序贯通道、多路复用通道和多通道,序贯通道 1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号 1个跟踪周期大于20ms 成本低，无通道间的延迟误差，无法提取导航电文，无法保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂 多路复用通道 1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号 一个跟踪周期小于20ms 成本低，无通道间的延迟误差，可提取导航电文，可保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂 多通道 1个通道跟踪1颗卫星/频率的信号 性能好 成本高、有通道间的延迟误差,4. 码相关型通道、平方型通道和码相位型通道,码相关型通道 优点：可以进行伪距和载波相位测量，信号质量好，可获取导航电文 缺点：要了解码的结构 平方型通道 优点：不需要了解码的结构 缺点：信号质量差，无法测定伪距，无法提取导航电文 码相位型通道 优点：不需要了解码的结构 确定：精度低,5. 全波与半波,五、GPS接收机的天线,作用 天线的相位中心,1. 作用,接收来自卫星的信号 放大 经（频率变换） 用于（跟踪、处理、量测）,2. 天线的相位中心,天线的几何中心与相位中心 几何中心 相位中心 相位中心偏差 天线相位中心的变化 与信号的高度角有关 与信号的方位角有关 相同类型的天线具有相同的相位中心特性,思考题,GPS由哪几部分组成，各部分的功能是什么？ GPS信号包括哪些成分？ 什么是伪随机噪声码，它有什么特性？ 采用测距码测距，有哪些优点？ 什么是伪距？ 什么是周跳，什么是整周模糊度？ GPS的导航电文中包括哪些内容？ 什么是GPS接收机，它由哪几部分构成？ 什么是信号通道？ 什么是SA，什么是AS？,第三章 GPS测量定位误差,概述 与卫星有关的误差 与传播途径有关的误差 与接收机有关的误差 其它误差,