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第5章 全球定位技术,昆明理工大学国防科技大学,2023/7/5,3S,2,主要内容,5.1 什么是GPS5.2 GPS系统的组成和性能 5.3 GPS定位的相关概念5.4 定位原理5.5 其他相关定位概念5.6 GPS定位技术的应用5.7 小结,2023/7/5,3S,3,5.1 什么是GPS,GPS的名称？Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System（NAVSTAR GPS）导航星测时与测距全球定位系统全球定位系统建立美国开始筹建时间：1973年完全建成时间：1995年,2023/7/5,3S,4,5.1 什么是GPS-常规定位,常规的地面定位方法不足需要事先布设大量的地面控制点/地面站观测受气候、环境条件限制观测点之间需要保证通视,2023/7/5,3S,5,5.1 什么是GPS-子午卫星系统,什么是子午卫星系统？NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制、建立，1964年1月建成，1967年7月解密供民用。,2023/7/5,3S,6,5.1 什么是GPS-子午卫星系统,NNSS的系统组成卫星星座：由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分：多普勒接收机应用领域海上船舶的定位大地测量单点定位精度：10m；联测定位：0.5m。,2023/7/5,3S,7,5.1 什么是GPS-子午卫星系统,2023/7/5,3S,8,5.1 什么是GPS-子午卫星系统,系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务导航定位精度低卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低，难以进行精密定轨,2023/7/5,3S,9,5.2 GPS系统的组成,GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分,2023/7/5,3S,10,5.2 GPS系统的组成-GPS的空间部分,1.GPS的空间部分GPS卫星星座6个轨道面，每个轨道4颗星21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星平均轨道高度20200km轨道倾角55 周期11h 58min保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：28颗,2023/7/5,3S,11,5.2 GPS系统的组成-GPS的空间部分,2023/7/5,3S,12,5.2 GPS系统的组成-GPS的空间部分,2023/7/5,3S,13,5.2 GPS系统的组成-GPS的空间部分,GPS卫星 作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通信、监测核暴等 主要设备太阳能电池板原子钟信号生成与发射装置,2023/7/5,3S,14,5.2 GPS系统的组成-GPS的空间部分,Block IIR,Block IIA,Block IIF,2023/7/5,3S,15,5.2 GPS系统的组成-GPS的地面监控部分,2.GPS的地面监控部分 组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通信与辅助系统,2023/7/5,3S,16,5.2 GPS系统的组成-GPS的地面监控部分,2023/7/5,3S,17,5.2 GPS系统的组成-GPS的地面监控部分,2023/7/5,3S,18,5.2 GPS系统的组成-GPS的地面监控部分,监测站（5个）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。主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作；收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。,2023/7/5,3S,19,5.2 GPS系统的组成-GPS的地面监控部分,注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。,监控站,主控站,注入站,2023/7/5,3S,20,5.2 GPS系统的组成-GPS的用户组成,3.GPS的用户部分组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备,2023/7/5,3S,21,5.2 GPS系统的组成-GPS的用户组成,GPS信号接收机组成天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源,2023/7/5,3S,22,5.3 GPS定位的相关概念,卫星星历 GPS卫星信号 GPS接收机及其类型,2023/7/5,3S,23,5.3 GPS定位的相关概念-卫星星历,什么是卫星星历？卫星星历是描述卫星运动轨道的信息一组对应于某一时刻的卫星轨道参数及其变率根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度GPS卫星星历分为：预报星历后处理星历,2023/7/5,3S,24,5.3 GPS定位的相关概念-卫星星历,预报星历：又称广播星历。用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历。后处理星历：又称精密星历。是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料计算的卫星星历。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息。,2023/7/5,3S,25,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（Ranging Code）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成关键设备 原子钟,2023/7/5,3S,26,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,2023/7/5,3S,27,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,1.载波作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1 频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2 频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5 频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm,2023/7/5,3S,28,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,载波频率的选择？所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）,2023/7/5,3S,29,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,2.测距码作用：测距为伪随机噪声码PRN（Pseudo Random Noise）：具有一定周期的0、1离散码元信号相关性：不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1,2023/7/5,3S,30,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,C/A码（Coarse/Acquisition Code）粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上。C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差，为码元宽度的1/100，则相应的测距误差达2.9m，以因此也称粗码。P（Y）码（Precise Code）精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上。,2023/7/5,3S,31,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,3.GPS导航电文什么是GPS导航电文？包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正等导航信息的数据码(或D码)。是用户用来定位和导航的数据基础。不归零制（NRZ）的二进制码、数据率为50bit/s。调制在载频上。,2023/7/5,3S,32,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,4.卫星信号的调制,2023/7/5,3S,33,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,调制的基本原理？,相位调制 频率调制 幅度调制,2023/7/5,3S,34,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,模二和运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”。,2023/7/5,3S,35,5.3 GPS定位的相关概念-GPS卫星信号,二进制信号的相位调制,2023/7/5,3S,36,5.3 GPS定位的相关概念-GPS接收机类型,按接收机的用途分类：导航型接收机：用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。单点实时定位精度较低，一般为25m，有SA影响时为100m。车载型；航海型；航空型；星载型。测量型接收机：用于精密大地测量和精密工程测量。采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。授时型接收机：主要用于天文台、地面监控站和无线通信，进行时频同步测定。,2023/7/5,3S,37,5.3 GPS定位的相关概念-GPS接收机类型,按接收机的用途分类：单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，不能有效消除电离层延迟影响，精度较差。双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。,2023/7/5,3S,38,5.3 GPS定位的相关概念-GPS接收机类型,根据接收机信号通道类型划分：多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。序贯通道接收机：只有1-2个信号通道。在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道。在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。可保持对卫星信号的连续跟踪。,2023/7/5,3S,39,5.3 GPS定位的相关概念-GPS接收机类型,按工作原理划分：码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用码相关技术得到伪距观测值。平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。,2023/7/5,3S,40,5.4 定位原理,如何定位？测距交会原理卫星定位涉及的两个关键数据卫星的位置接收站与卫星的距离,？,已知：卫星坐标S（Xs,Ys,Zs）和站星距离Dn，求站点的坐标。,2023/7/5,3S,41,5.4 定位原理-测距方法,双程测距用于电磁波测距仪单程测距用于GPS,2023/7/5,3S,42,5.4 定位原理-测距方法,测距码,C/A码（测距时有模糊度）,P码,2023/7/5,3S,43,5.4 定位原理-伪距的概念及伪距测量,伪距的概念？利用测距码测定距离的基本思路：其中c为信号传播速度（光速）；为站星观察距离。但由于传播时间t中包含有卫星时钟与接收机时钟不同步的误差，测距码在大气中传播的延迟误差等等，因此求得的距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称之为“伪距”，用 表示。与之相对应的定位方法称为伪距法定位。,2023/7/5,3S,44,5.4 定位原理-伪距的概念及伪距测量,伪距的测量？单程测距。GPS卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码。测距码经过时间传播，达到接收机。接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码：复制码。两组信号进行相关计算。调整接收机复制信号的时延，直到相关系数最大。这时，接收机所产生的复制码与接收到的GPS卫星测距码完全对齐。那么此时延迟时间即为卫星信号传播到接收机的时间。,2023/7/5,3S,45,5.4 定位原理-伪距的概念及伪距测量,传播时间的确定,信号传播时间的测定,2023/7/5,3S,46,5.4 定位原理-伪距的概念及伪距测量,测距中的模糊问题？如果已知待测距离大于测距码的波长（例如C码测距），那么就会出现模糊问题。如果已知待测距离小于测距码的波长（例如P码测距），那么就不会出现模糊问题。问题的产生：相关度计算中，伪随机码周期重复。如何考虑电离层的延迟和大气对流层的延迟？大气中电离层折射改正数I，对流层折射改正数为T.设站星几何距离为。那么：,2023/7/5,3S,47,5.4 定位原理-伪距的概念及伪距测量,接收机钟和卫星钟的钟差的问题？设卫星钟差改正数为Va，接收机的钟差改正数Vb。那么钟差为：Va Vb。考虑钟差后：最终的伪距测量的模型：Va可由导航电文中给出的有关时间信息求得。用户接收机中仅配备一般的石英钟，在接收信号的瞬间，Vb不可能预先精确求得。以上公式中，有4个未知数，需要4个观测方程！,2023/7/5,3S,48,5.4 定位原理-载波相位测量,1.伪距测量的问题伪距测量的问题基于测距码的码元对齐，精度不高。能否采用载波作为测量信号？载波波长短：L1=19cm,L2=24cm.载波相位的测量精度高：1mm-2mm。问题：载波信号是周期信号，相位测量只能测定一个波长内的相位，因而存在整周期数不确定性的问题。,2023/7/5,3S,49,5.4 定位原理-载波相位测量,2.载波相位的测量的思路,2023/7/5,3S,50,5.4 定位原理-载波相位测量,3.载波重建问题？接收的GPS信号是已用相位调制的方法在载波上调制了测距码和导航电文方案：在进行载波相位测量以前，先进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获得载波，这一工作称为重建载波。如何重建载波？码相关法平方法,2023/7/5,3S,51,5.4 定位原理-载波相位测量,载波调制了电文之后变成了非连续的波,2023/7/5,3S,52,5.4 定位原理-载波相位测量,码相关法,平方法,2023/7/5,3S,53,5.4 定位原理-载波相位测量,4.载波测量原理利用测量的相位差即可计算出距离。在tk时刻，假设接收机收到的卫星载波信号的相位为s(tk)，接收机产生的本地参考信号的相位值为r(tk)。相位差为(tk)r(tk)s(tk)理想情况下：(tk)问题：通常测得的相位值或相位差只能是一周内的值。,2023/7/5,3S,54,5.4 定位原理-载波相位测量,理想情况,实际情况,2023/7/5,3S,55,5.4 定位原理-载波相位测量,载波相位观测值,2023/7/5,3S,56,5.4 定位原理-载波相位测量,即ti时刻实际的相位差为:那么，不考虑其他影响下的观测方程：考虑钟差、电离层和大气影响后，根据：有：,2023/7/5,3S,57,5.4 定位原理-载波相位测量,或已知相位差测量值和卫星位置的情况下，接4组方程，就可以得到接收站的位置。还有一个需要解决的问题：整周未知数N的确定！,2023/7/5,3S,58,5.5 其他相关定位概念,按用户接收机天线在测量中的状态分类：静态定位动态定位 按定位的模式分类：绝对定位相对定位差分定位,2023/7/5,3S,59,5.5 其他相关定位概念-静态和动态定位,静态定位在定位过程中，GPS定位接收机始终处于静止接收状态的定位方法。应用：普通测量和工程测量。动态定位在定位过程中，GPS定位接收机始终处于运动接收状态的定位方法。应用：车、船、飞机和航天器的导航。什么是导航？测得运动载体的实时位置、运动速度、时间和方位等状态参数，从而引导该物体向预定方位运动，称为导航。GPS导航实质上也是动态定位。,2023/7/5,3S,60,5.5 其他相关定位概念-绝对定位,绝对定位（单点定位）在未知点上用GPS定位仪（单机）测定站星距离，从而独立解算测点WGS-84坐标的过程。特点：精度较低（米级精度）。应用：低精度导航、资源普查等领域。手持和车载GPS接收机。精密单点定位PPP（Precise Point Positioning)：一种利用载波相位观测值以及由IGS等组织提供的高精度的卫星钟差来进行高精度单点定位的方法。,2023/7/5,3S,61,5.5 其他相关定位概念-相对定位,相对定位在一定距离内，用两台以上GPS定位仪同时测定站星距离，通过求差的方法解算测点间基线向量的过程。方法举例：用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，固定不动。同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在WGS-84坐标系中的相对位置或基线向量由于在测量过程中，通过重复观测取得了充分的多余观测数据，从而改善了GPS定位的精度。,2023/7/5,3S,62,5.5 其他相关定位概念-相对定位,相对定位,2023/7/5,3S,63,5.5 其他相关定位概念-差分定位,差分定位（Differential GPS）问题：绝对定位精度不能满足要求。原因：误差及其美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）。,SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化,2023/7/5,3S,64,5.5 其他相关定位概念-差分定位,1.什么是差分定位？利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法影响绝对定位精度的主要误差?卫星轨道误差卫星钟差大气延迟（对流层延迟、对流层延迟）多路径效应误差的空间相关性以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。,2023/7/5,3S,65,5.5 其他相关定位概念-差分定位,2.差分定位的原理利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果。差分改正数的类型距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。,2023/7/5,3S,66,5.5 其他相关定位概念-差分定位,位置差分,坐标改正,2023/7/5,3S,67,5.5 其他相关定位概念-差分定位,距离差分,距离改正,2023/7/5,3S,68,5.5 其他相关定位概念-差分定位,3.差分定位的分类根据时效性实时差分事后差分根据观测值类型伪距差分载波相位差分根据差分改正数位置差分（坐标差分）距离差分根据工作原理和差分模型局域差分（LADGPS Local Area DGPS）单基准站差分多基准站差分广域差分（WADGPS Wide Area DGPS）,2023/7/5,3S,69,5.5 其他相关定位概念-差分定位,4.单基准站局域差分结构基准站（一个）、数据通讯链和用户.特点优点：结构、模型简单缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低,2023/7/5,3S,70,5.5 其他相关定位概念-差分定位,5.多基准站局域差分结构基准站（多个）、数据通讯链和用户原理：加权平均、最小方差法特点优点：差分精度高、可靠性高，差分范围增大缺点：差分范围仍然有限，模型不完善,2023/7/5,3S,71,5.5 其他相关定位概念-差分定位,5.广域差分结构基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）与普通差分不相同普通差分是考虑的是误差的综合影响广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型用户根据自身的位置，对观测值进行改正特点优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大缺点：系统结构复杂、建设费用高,2023/7/5,3S,72,5.6 GPS定位技术的应用,美国政府的GPS政策应用举例北斗-1导航系统,2023/7/5,3S,73,5.6 GPS定位技术的应用-GPS政策,什么是SPS与PPS？SPS 标准定位服务使用C/A码，民用2DRMS水平=100 m2DRMS垂直=150-170 m2DRMS时间=340 nsPPS 精密定位服务可使用P码，军用2DRMS水平=22 m2DRMS垂直=27.7 m2DRMS时间=200 ns,2023/7/5,3S,74,5.6 GPS定位技术的应用-GPS政策,美国政府的GPS政策SA技术（）Selective Availability 选择可用性人为降低普通用户的测量精度。方法:技术：降低星历精度（加入随机变化）技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）AS技术（1994.1.31至今）Anti-Spoofing 反电子欺骗P码加密，P+WY,2023/7/5,3S,75,5.6 GPS定位技术的应用-应用举例,GPS在军事中的应用,2023/7/5,3S,76,5.6 GPS定位技术的应用-应用举例,GPS在交通运输业中的应用,2023/7/5,3S,77,5.6 GPS定位技术的应用-应用举例,GPS在测量中的应用,2023/7/5,3S,78,5.6 GPS定位技术的应用-应用举例,GPS在测量中的应用,航空测量,2023/7/5,3S,79,5.6 GPS定位技术的应用-应用举例,GPS在其他领域中的应用,2023/7/5,3S,80,5.6 GPS定位技术的应用-北斗-1导航系统,卫星导航系统BD1。2000年10月31日和12月20日。两颗北斗导航试验卫星从西昌卫星发射中心升空。地球同步轨道（东经80和140的赤道上空）。一颗备用卫星（东经110.5的赤道上空）。组成空间卫星地面控制中心站北斗用户终端,2023/7/5,3S,81,5.6 GPS定位技术的应用-北斗-1导航系统,2023/7/5,3S,82,5.6 GPS定位技术的应用-北斗-1导航系统,空间部分两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。用户终端分为定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等,2023/7/5,3S,83,5.6 GPS定位技术的应用-北斗-1导航系统,2023/7/5,3S,84,5.4 小结,GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS接收机。GPS系统涉及的重要概念有：卫星星历描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。卫星信号由载波（L1和L2）、测距码（C/A码和P码）和数据码（导航电文）构成。GPS接收机分导航型、测量型、授时型三种。,2023/7/5,3S,85,5.4 小结,GPS卫星定位基本原理：空间距离交会法，以GPS卫星和用户接收机天线之间距离的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬间坐标，来确定用户接收机所对应点的三维坐标(x，y，z)。按定位的模式，GPS卫星定位可分绝对定位（单点定位）、相对定位和差分定位。按用户接收机天线在测量中的运动状态，可分为静态定位和动态定位。按GPS定位测量的技术手段，可分为伪随机码相位测量与载波相位测量两类。,
