GPS原理及其应用.ppt
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1、GPS原理及其应用,主讲 刘云,GPS定义,GPS的英文全称是:Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 测量用户的 PVT: Position(三维位置) Velocity (三维速度) Time(时间),日常生活中的GPS,3,日常生活中的GPS,车载 手机,4,日常生活中的GPS,Deray 的北京到巴黎 單車旅行 (http:/btp.deray.org/),GPS定位技术与应用,5,目前,拥有定位系统的国家或地区:,美国GPS(始建于1973年) 俄罗斯GLONASS(始建于1978年目前在轨道上只有
2、6颗星可用 ) 欧盟Galileo(伽利略计划)(始建于2002年) 日本准天顶卫星系(2008年投入使用) 中国北斗导航定位卫星(2002年已应用,07年5月25日,我国第三颗“北斗一号”卫星发射成功,6月1日,我国自主研发的“北斗运营服务平台”正式开通,这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统,北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。,GPS系统的特点:,1、全球,全天候工作,2、功能多,应用广,3、测站之间无需通视,4、定位精度高 ,隐蔽性好,5、观测时间短,6、提供三维坐标,7、操作简便,8、免费、容易,有人说过,只有我们想不到的,没有GPS做不到的。 有人预言, GPS将改
3、变我们的生活方式。,GPS系统的组成,由21颗工作卫星 和3颗备用卫星。,空间部分,空间部分,24颗卫星(21+3) 6个轨道平面(相互交角60) 55轨道倾角(相对于赤道面) 20200km轨道高度(地面高度) 11h58min(恒星时)轨道周期 5h7min出现在地平线以上(每颗星),GPS系统中卫星的作用,用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。 在卫星飞越注入站上空时,接收由地面注入站不断发送到卫星的导航电文和其它有关信息,并通过GPS信号电路,适时地和发送给广大用户。 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令,适时地改正运行偏差或启用备
4、用时钟等。,GPS地面监控部分,1个主控站,3个注入站,5个监测站,斯平士,阿松森岛,狄哥伽西亚,卡瓦迦兰,夏威夷岛,太平洋,印度洋,大西洋,单工,不断发出测距波,5个监控站,3个注入站,1个主控站,双工,单工,地面监控系统,地点:位于科罗拉多的斯平士(Colorado Springs)的 联合空间执行中心(CSOC),(1)主控站,设备:主控站拥有大型电子计算机,用作数据采集、 计算、传输、诊断、编辑等。,(2)注入站,地点:三个站分别设大西洋的阿松森(Ascension)岛、印度洋的狄哥伽西亚(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦迦兰(Kwajalein) 的三个美国军事基地上。,设备
5、: 一台直径3.6m的天线,一台S波段发射机和一台计算机。,作用: 主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站,定时将这些信息注入各个卫星,然后由GPS卫星发送给广大用户,这就是所用的广播星历。此外,注入站能主动向主控站发射信号,每分钟报告一次自己的工作状态。,(3)监测站,作用:对每颗卫星进行观测,精确测定卫星在空间的位置,并向 主控站提供观测数据。,设备:监控站有双频GPS接收机,对每颗卫星长年连续不断地进行 观测,每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测,采集气象要素等数据,监测站是一种无人值守的数据采集中心,受主控站的控制,定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和三大
6、洋的美军基地上,保证了全球GPS定轨的精度要求。由这五个监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。,地点:五个监测站:除一个主控站、三个注入站兼作外,还有一个在夏威夷岛,=,用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度,GPS用户部分,用户部分包括用户组织系统和根据要求安装相应的设备,但其中心设备是GPS接收机。它是一种特制的无线电接收机,用来接收导航卫星发射的信号,并以此计算出定位数据。,TOPCON产品,Leica GPS接收机,南方仪器厂,图片:导航型GPS机,手持型GPS机,车载型GPS机,图片:大地型GPS接收机,单频机,双频机,
7、1.GPS卫星信号的组成,GPS定位的基本原理,(1)载波信号 L1载波,波长=19.03cm,频率f1=1575.42MHZ L2载波,波长=24.42cm,频率f2=1227.6OMHZ。 (2)测距码 C/A码(粗码/捕获码):调制在L1载波上。结构公开,不同的卫星有不同的C/A码。 P码(精码):调制在L1和L2载波上。 (3)数据码(D码)(导航电文) 提供有关卫星位置,卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。,GPS的常用坐标系- WGS-84世界大地坐标系:,原点是地球的质心 Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球北
8、极(CTP)方向 X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP相对应的赤道的交点 Y轴垂直于ZOX平面且与Z、X轴构成右手坐标系,GPS定位原理,(X ,Y,Z),利用三个以上卫星的已知空间位置,交会出地面未知点(用户接收机)的位置。,测距的方法,码相位(伪距法)测距,测量载波相位差测距,通过导航电文解译出三颗卫星的坐标,通过测量求出三颗卫星到测站的距离,用距离交会即可求出测站点的坐标(X , Y,Z)。,距 离 测 定 原 理,距 离 测 定 原 理,距 离 测 定 原 理,距离 = 传播时间 x 光速,距 离 测 定 原 理,GPS采用的单程测距原理(单工通信)。这就要求卫星时钟与接收机时
9、钟要严格同步。但实际上,两者难于严格同步,因此存在不同步误差,另外,测距码在大气中传播还受到大气电离层折射及大气对流层的影响,产生延迟误差。因此,测距码所求得距离值并非真正的站星几何距离,习惯上称其为“伪距”。 由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响,可以通过导航电文中所给的有关参数加以修正,而接收机的钟差却难以预先准确地确定,所以把接收机的钟差当作一个未知数,与测站坐标一起解算。这样,在一个观测站上要解出4个未知参数,即3个点位坐标分量和1个钟差参数,所以至少同时观测4颗卫星。,伪距测量与载波相位测量,(1)伪距测量 伪距由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测
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- GPS 原理 及其 应用
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