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GPS 测量原理及应用

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）.

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GPS 测量原理及应用

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Presentation Transcript

  1. GPS测量原理及应用

  2. 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

  3. 第一章 GPS发展简史

  4. “哪儿？”与“怎么去？”

  5. 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）

  6. 第二章 GPS的系统及其信号

  7. 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）

  8. 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 Ⅰ（实验卫星） • Block Ⅱ（正式工作卫星） • Block ⅡA（正式工作卫星） • Block ⅡR（正式工作卫星） • Block ⅡF（正式工作卫星）

  9. 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

  10. 一、GPS的空间部分（续） Block Ⅰ卫星

  11. 一、GPS的空间部分（续） Block Ⅱ卫星

  12. 一、GPS的空间部分（续） Block ⅡR卫星

  13. 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

  14. 一、GPS的空间部分（续） GPS卫星星座（=35  ，=90）

  15. 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）

  16. 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

  17. 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）

  18. 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

  19. 二、 GPS的控制部分（续） GPS的控制部分

  20. 二、 GPS的控制部分（续） GPS的控制部分

  21. 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

  22. 第二节 GPS的位置基准与时间基准

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. 三、GPS信号的结构

  30. 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）

  31. 2. 载波 • 两种频率的正弦波 • L1： • L2：

  32. 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

  33. 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

  34. 4. 测距码（续） • 测距码的调制

  35. 5. GPS信号的构成示意图

  36. 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

  37. 第四节 GPS的工作原理

  38. 一、本质 • 距离后方交会

  39. 二、工作流程

  40. 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）

  41. 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

  42. 一、伪距测量 • 测距码 • 伪距的测定

  43. 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

  44. 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。

  45. 2. 利用测距码测距 • 测距原理

  46. 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

  47. 3. 伪距观测值 • 伪距观测值

  48. 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

  49. 1. 载波的结构 • 正弦波

  50. 2. 载波相位的测定 • 基本物理原理 • 测定方法

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