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第三章 GPS 的构成

第三章 GPS 的构成. 第三章 GPS 的构成. 一、本章学习目的： 了解 GPS 的全球定位系统的组成和相关概念、定位原理、信号、接收机 二、本章学习内容： 全球定位系统概述 GPS 的定位原理. 第一节 全球定位系统概述. GPS 定位系统由三部分组成，即空间星座部分、地 面监控部分和用户设备部分。. 空间部分. 用户部分. 控制部分. GPS 定位系统组成示意图. 第一节 全球定位系统概述. 一、空间星座部分 （一） GPS 卫星星座的构成

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第三章 GPS 的构成

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  1. 第三章GPS的构成

  2. 第三章GPS的构成 一、本章学习目的： • 了解GPS的全球定位系统的组成和相关概念、定位原理、信号、接收机 二、本章学习内容： • 全球定位系统概述 • GPS的定位原理

  3. 第一节全球定位系统概述 • GPS定位系统由三部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。 空间部分 用户部分 控制部分 GPS定位系统组成示意图

  4. 第一节全球定位系统概述 一、空间星座部分 （一）GPS卫星星座的构成 GPS卫星星座由24颗卫星构成（其中3颗备用卫星）。轨道面相对赤道面倾角为55度，卫星轨道为圆形，平均高度20200km，运行周期11小时58分，每颗卫星对地球可见面积为地表面积的37.92%，且发射信号达到地表较平均。每颗卫星每天约有5小时在地平线以上，而且位于地平线以上的卫星数目是随时间和地点而异，最少为4颗、最多可达11颗。3颗备用卫星可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，以保证GPS空间部分正常高效地工作。

  5. 第一节全球定位系统概述 一、空间星座部分 （二）GPS卫星发展 第一代 BlockⅠ，1978.2.22-1985.10.9，11颗，命名BlockⅠ-1至BlockⅠ-11。目前已完成试验任务，全部停止了导航定位服务 第二代 BlockⅡ和BlockⅡA，1989.2.14-1997.6.17 ，28颗，命名BlockⅡ-1 至BlockⅡ-9， BlockⅡA-10至BlockⅡA-28。 BlockⅡ和BlockⅡA的主要差别在于BlockⅡA增强了军用功能，扩大了数据存储容量。对于存储导航电文的时间，BlockⅡ存储14天，而BlockⅡA存储180天

  6. 第一节全球定位系统概述 一、空间星座部分 （二）GPS卫星发展 第三代 BlockⅡR和BlockⅢ，1997.6.17-2003.1.29，8颗BlockⅡR，命名BlockⅡR-1至BlockⅡR-8，BlockⅡR后续卫星及BlockⅢ尚在研制中。

  7. GPS空间卫星分布

  8. 第一节全球定位系统概述 （三）GPS卫星及其功能 GPS卫星主体呈圆柱形，直径1.5m，重774kg (其中包括310kg燃料)，两侧设有两块7㎡双叶太阳能板，能自动对日定向，保证卫星正常工作用电。卫星体底部装有由12个单元构成的多波束天线，面向地球发射导航定位信号。卫星体两端面上还装有遥测遥控天线，用于与地面监控系统的通信

  9. 第一节全球定位系统概述 （三）GPS卫星及其功能 卫星体内的主要设备包括：原子时钟，导航电文存储器、导航定位信号发射器，地面监控指令与信息接收器微处理器，以及卫星姿态与轨道控制系统。每颗卫星上装备了4台高精度的原子钟(2台铷钟2台铯钟，稳定度为10-13～10-14)，是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号。计算机、无线电收发两用机设计寿命为7.5年。

  10. 第一节全球定位系统概述 GPS-Block IIA Satellite (Credits: NASA) GPS-Block I Satellite (Credits: NASA)

  11. GPS-Block IIF Satellite (Credits: NASA)

  12. 第一节全球定位系统概述 • GPS卫星的基本功能是： (1)接收和储存由地面监控站发来的导航信息、执行监控站的控制指令； (2)由星载微处理机进行部分必要的数据处理； (3)通过星载的高精度原子钟提供精密的时间标准； (4)向用户发送定位信息； (5)在地面监控站指令下调整卫星姿态和启用备用卫星。

  13. 第一节全球定位系统概述 二、 地面监控部分 一个主控站 三个注入站 五个监测站

  14. 夸贾林岛 迪戈加西亚

  15. 第一节全球定位系统概述 （一） 主控站 主控站设在科罗拉多（Colorado）。其任务是协调和管理所有地面监控系统的工作。除此之外，其主要功能是： （1）收集5个监测站所监测的所有数据。 （2）编发导航电文。根据所有观测资料推算编制各卫星 的星历，卫星钟差、大气层的修正参数等。提供全球定位系统的时间基准。 （3）监控系统状态。包括地面监控系统和空间卫星的状态。 （4）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 （5）启用备用卫星以代替失效的卫星。

  16. 第一节全球定位系统概述 （二） 注入站 南太平洋的阿松森岛(Ascension) 三个注入站设在 印度洋的迭戈加西亚(Diogo Garcia) 南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein) 每个注入站有一台直径3．6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机。 注入站其主要任务是：在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令每天一次地注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。存储器具备长达14天的预报能力。

  17. 第一节全球定位系统概述 （三） 监测站 监测站有5个，前面的主控站、注入站同时又是监测站，并在夏威夷还设有一个监测站。监测站是在主控站的直接控制下的数据自动采集中心，站内设有P码GPS接收机、精密铯钟、计算机、环境数据传感器等，对所接收的卫星进行连续的P码伪距跟踪测量，并将每隔1.5s的观测结果、电离层和气象数据，采取平滑方法，获得每15min的结果数据，传送到主控站。 整个GPS监控系统除主控站外均无人值守，各站间采用现代化的通讯网络联系，在原子钟和计算机的精确控制下，各项工作实现高度的自动化和标准化。

  18. 第一节全球定位系统概述 三、用户部分 主要由GPS接收机构成。 (一) GPS接收机的基本结构： 天线：带前置放大器，将接收到的GPS 卫星无线电信号进行放大； 信号处理器：用于信号识别和处理； 微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算 用户信息传输：包括操作板、显示板、数据存储器； 振荡器：用于产生精密的标准频率； 电源：为接收机工作提供电源

  19. 第一节全球定位系统概述 三、用户部分 主要由GPS接收机构成。 (二) GPS接收机的分类： 按用途分类： 导航型：用于运动目标的导航，精度是米级，如RTD（实时差分）GPS 测量型：用于高精度的定位测量和位移监测，精度可达厘米甚至更高，如RTK（实时相位差分）GPS 授时型：专用于时间测定和频率控制

  20. 第一节全球定位系统概述 三、用户部分 主要由GPS接收机构成。 (二) GPS接收机的分类： 按载波频率分类： 单频接收机：只能接收载波L1对应的调制波 双频接收机：能同时接收载波L1， L2对应的调制波 其他分类： 按信号波道跟踪GPS信号方式分为平行、序贯、多重跟踪式 按照处理信号的方式分为平方型、码相位型和相关型。

  21. 第一节全球定位系统概述 三、用户部分 主要由GPS接收机构成。 (三) 常用国内外GPS接收机一览

  22. 麦哲伦315手持GPS

  23. 第二节GPS定位原理 • 本世纪初，随着无线电技术的出现，各种无线电导航、定位系统相继出现，如欧米伽(omega)系统，罗兰-C(loran-C)系统、台卡(Tacan)系统和微波着陆系统(MLS)等。无线电导航定位的基本原理实质上就是测量学中的多点测距前方交会，由于定位过程中存在着信号传播路径、气象元素覆盖面小等问题，难以获得理想精度。

  24. 第二节GPS定位原理 • 受无线电导航定位系统的启发，1957年苏联发射第一颗卫星后，人们立刻把目光投向了以卫星为发射无线电波源的卫星定位系统。 • 1958年，美国海军武器实验室着手实施为美国海军舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”(Navy Navigation Satellite System—NNSS)，历时8年，1964年系统建成，1967年，美国政府批准系统解密，提供民用。

  25. 第二节GPS定位原理 • 由于NNSS采用多普勒原理定位，因此又称卫星多普勒定位。由于NNSS系统卫星数少(5～6颗)，运行较低(平均约1000km)。定位时间长(平均1～2天)，因此无法提供实时、三维导航，难以满足高动态目标(如飞机、导弹)导航的要求，精度也低(单点3～5m，相对1m)，因而，在地球定位中受到很大限制，但NNSS导航定位思想方法基础却是划时代的。

  26. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 1、高电平：在数字逻辑电路中，将电路输出电压在5V并维 持一个单元时间，定义为“1”。 2、低电平：在数字逻辑电路中，将电路输出电压在0.35～ 0.00V并维持一个单元时间，定义为“0”。 3、二进制数字码序列：将高、低电平按照时间顺序连续排列构成的离散数字序列，也称为码。

  27. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 4、码元（也称比特，即bit）：二进制数字码序列中的一个 电平二进制数。 每秒传送的码元个数称为数码率。 5、调制：将低频信号（不仅是二进制数字码序列信号，也可以是不规则的人的声音信号、音乐信号）“装载”到高 频电磁波的过程。 6、解调：从带有高频电磁波载波信号中解译释放出原信号的过程。

  28. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 7、二进制随机序列有3个特点： （1）该序列是非周期性序列，不能预先确定，不能复制。 （2）每一码元的二进制值非“0”即“1”完全随机，换句话说，序列中“1”和“0”出现的概率为1/2。这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机码序列，也称随机噪声码序列。 （3）具有良好的相关性。其相关函数定义为：

  29. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 • 8、随机码：凡是具有3个特点的二进制数字码序列的码。 • 根据自相关函数的值，可以判断结构与码元值完全相同的两个随机序列是否已经对齐。 • 利用随机码自相关函数值判断卫星至接收机之间的信号延迟的码元数量是确定卫星至接收机之间距离的理论基础。

  30. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 9、伪随机码：凡是具有周期性的而又有良好自相关特性的数字码。 10、伪距(Pseudo range)：将接收机中GPS复制码对准所接收的GPS码所需要的时间偏移并乘以光速化算的距离。此时间偏移是信号接收时刻(接收机时间系列)和信号发射时刻(卫星时间系列)之间的差值。

  31. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 11、测距码：GPS发射两种测距码：C/A码和P码（或y码） ，它们均为伪随机码。 C/A码由两个10级反馈移位寄存器的组合产生。又称粗码，其结构公开，主要是民用。 P码（或y码）由两个12级反馈移位寄存器产生的随机码的乘积码经过截短后的码。又称精码，受到美国军方的控制使用和严格保密。

  32. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 12、导航电文：由GPS地面监控系统监测、编算，并按一定时间间隔注入到GPS卫星，再由GPS卫星播发给用户的导航定位数据码（亦称D码）。 导航电文以二进制码形式，按规定格式组成。基本单位是帧，每帧由5个子帧组成，每个子帧含有10个字，每个字长30bit。

  33. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 13、GPS信号：通过GPS卫星传播给用户的信号，是在一个基本频率f0=10.23MHz的控制下，以调制在频率为L1与L2载波上的两种调制波方式，包括数据码（导航电文，亦称D码），测距码（ C/A码和P码或y码），载波（ L1，L2）三种成分的信号。

  34. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 14、卫星星历：指的是卫星运行轨道和状态的一组数据。它由理论推算和实际观测确定，是计算卫星空间位置的依据。根据卫星星历来源不同，分为预报星历和后处理星历。 预报星历：指的是由地面注入站注入到卫星，经卫星广播发射的导航电文传递到用户接收机，再经用户解码后所得到的卫星星历，亦称广播星历或外推星历。包含2个时间参数，6个轨道参数，9个摄动参数共17个参数。

  35. 第二节GPS定位原理 • 一、基本概念 14、后处理星历：根据观测的实际卫星位置资料，计算出各观测历元t的实际星历，可以避免星历外推的误差，精确确定卫星实际位置，故称为精密星历，还由于是事后计算提供的亦称为后处理星历。 后处理星历不是通过GPS的导航电文向用户传递，而是通过网络、磁盘、通讯等方式从有关机构或单位获取。

  36. 第二节GPS定位原理 • 二、GPS定位的特点 • (1)全球地面连续覆盖，24颗均匀分布的卫星保证地面上任何地点，任何时刻最少可以接收4颗以上的卫星，最多可以接收11颗卫星，从而保障全球、全天候连续、实时、动态导航、定位。 • (2)功能多，精度高，可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维航速和时间信息。目前，单点实时定位精度为±15～100m，静态相对定位为10-6～10-8，测速0.1m/s，授时10纳秒。

  37. 第二节GPS定位原理 • 二、GPS定位的特点 • (3)实时定位速度快，可在1秒内完成。 • (4)抗干扰性能好，保密性强。 • (5)操作简单。 • (6)两观测点间不需通视，对于等级大地点节省了造标费用，此项费用可占总测量费用的30%～50%。 • (7)可同时提供三维坐标。 • (8)全天候作业。

  38. 第二节GPS定位原理 三、GPS定位原理： 这里主要说明单点定位原理。设有i=1,2,3,4四颗卫星，在某一时刻tj的瞬时坐标为i(Xi,Yi,Zi)，欲确定地面上某点P的三维坐标(Xp,Yp,Zp)，通过GPS接收机测得P点到各卫星的空间距离Si(i=1,2,3,4)，由于接收机钟为质量较低的石英钟，故其测时误差σT不可忽略，至于卫星钟，均配有原子钟，其测时精度较高，在阐述单点定位原理时可忽略，另外，对流层、电离层对测距的影响，卫星星历等误差对测距的影响可以忽略。

  39. 第二节GPS定位原理 三、GPS定位原理： 因而， Si=［(Xp-Xi)2+(Yp-Yi)2+(Zp-Zi)2］1/2＋C·δT (1) (i=1,2,3,4)式中有Xp、Yp、Zp、δT共计4个未知数，4颗卫星测距恰好能确定，解上式4个四元二次方程可得之，当多于4颗卫星或观测历元tj更多时，可用最小二乘原理解之。上式中C为光速。

  40. GPS卫星接收机的定位原理示意图

  41. 第二节GPS定位原理 四、GPS定位误差： 四大类： 卫星相关误差（卫星星历误差、卫星钟误差、相对论效应） 信号传播误差（电离层和对流层折射、多路径效应和多路径误差） 接收机相关误差（包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心位置偏差，整周未知数） 其他误差：包括地球自转引起的误差和地球潮汐引起的误差。

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