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GPS卫星定位基本原理,中国农业大学信电学院刘峻明,GPS全称:Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System卫星测时测距导航 / 全球定位系统简称:GPS,定位是GPS的基本功能。,GPS的广泛应用,GPS如何实现 定位?,一个福尔摩斯探案的故事本故事纯属虚构, 如有雷同,实属巧合,Big Ben,伦敦,1859年建立,整点报时,每4秒1响,广播电台同步向全英国播报钟声,一天,一个富家女孩被一伙劫匪绑架, 送往某处藏匿,木制楼梯吱吱响,可能是个旧楼。 该到10楼了吧?,劫匪打开收音机,听听收音机,缓解一下紧张,午夜,开始播送Big Ben的报时钟声,当、当,跟着数羊睡觉吧,1,2,3,11,12,13! 一定是数错了!,过了很久,劫匪要她录音, 以向她爸妈索要赎金,爸、妈,有人劫持了我,他们索要一百万英镑,送到指定地点。我被藏在一幢很旧的房子里,老旧得走楼梯地板都会吱吱作响!爬了10楼后又听见电台播放的午夜报时钟声响了13下,我好害怕!求求你们照他们的话做,我想回家!,录音很快被快递送到她爸妈手中,无巧不成书, 大侦探福尔摩斯恰巧是女孩父母的好朋友, ,我来搞定它!,Yeah, I GET IT !,英国有成千上万的10层以上的老旧建筑,她藏哪呢?,思考中,请勿打扰 ,根据福尔摩斯的推断, 警察如神兵天降,将女孩解救出来!,你们怎么找到这的? 让我死个明白!,广播信号:光速传播,约300,000,000m/s。 钟声:音速传播,约340m/s。,13响的构成: 第1响: 来自收音机 第2-12响:来自Big Ben和收音机 第13响:来自Big Ben,从奇怪的13响出发推断。,福尔摩斯的破案逻辑,推断女孩藏身地点: 距离Big Ben足够近的地方(能听到钟声) 距离Big Ben约1360m(4s后听到钟声) 10层以上的旧楼,1360m = 340m/s 4s,很幸运,满足条件的只有一个楼!,下班后摸彩票去!,原理:利用同步发出的信号达到接收信号地点的时间延迟推算距离。距离 = 音速 钟声时间延迟量信号源:Big Ben,广播(同步发出) 接收器:女孩的耳朵。广播信号快速到达(光速,延迟时间可忽略),声音信号延迟到达(音速)。,GPS定位是以星站距离测量为基础的,同样利用了时间延迟求算距离的方法。(星站距离:GPS卫星到接收机的距离),卫星信号是电磁波,以光速传播。,卫星距地面很远,轨道高度为20200km。,x 公里? t 秒?,如何求算信号传播时间?,t0: 卫星发出码信号 (Big Ben),t0: 接收机同步产生相同的码信号 (电台广播复制钟声),t1: 接收机接收到卫星信号 (女孩听到Big Ben钟声),伪随机码( Pseudo Random Noice ): 以等概率产生0和1。 具有良好的自相关性。编码信号移位后与原信号进行异或运算,产生新序列,自相关函数R判定自相关性:,R = (N0 - N1) / (N0 + N1),完全对齐时,R=1,未对齐时,R0。,GPS基于电路产生的伪随机码相位对齐方式实现时间延迟量的计算。,完全对齐:,未对齐:(错开1位),R = (15 - 0) / (15 + 0) = 1,R = (7 - 8) / (7 + 8) = -1/15 -0.067,接收机接收到GPS卫星信号后,通过若干次移位,最终可与自身复制的码对齐(R=1)。,R,复制信号,GPS信号,GPS信号时间延迟t = 码元宽度tu 移位数,星站距离 = 光速 码元宽度tu 移位数,传输一个bit所需要的时间。tu=1 / ff是信号传输频率,已知数。,原理:利用同步发出的信号达到接收机的时间延迟推算距离。星站距离 = 光速 GPS信号时间延迟量信号源:GPS卫星,接收机自身同步复制 接收器:接收机自身。复制信号快速到达(自身复制,无延迟),GPS信号延迟到达(光速)。,得到了星站距离后 如何定位?,如果距Big Ben约1360m的10层以上旧楼很多,1360m,如果有两个Big Ben ,如果有三个Big Ben ,没有三个Big Ben,但有很多GPS卫星!,黑色 = 可见, 红色 = 不可见, 绿色 = 视线,总共24颗GPS卫星。地球任意一点可以看到5-12颗卫星。任一卫星的瞬时位置可根据星历计算得到。,d1,d2,空间距离交会法定位,d3, 在太空中!,距离交会法观测方程,(x,y,z)为待求的接收机位置, d为卫星到接收机的距离, (xi,yi,zi)为卫星瞬时位置(由星历计算得到)。,d1,d2,d3,P1,P2,P3,结论:接收机观测到3颗以上卫星即可实现定位。,总结,星站距离计算 以码相位对齐测出GPS信号时延 以时延计算距离GPS定位 空间距离交会法定位 同步观测3颗以上卫星,谢 谢 !,
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