GPS导航定位原理系统组成.ppt

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1、GPS定位与导航,测绘工程学院 王继刚,课程信箱：,上一节内容要点,1.坐标的表现形式（World Geodetic System）2.时间系统（UTC 原子时）3.电子地图4.导航,第4章GPS系统组成及信号,4.1.1 GPS的系统组成,GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成,4.1.2 GPS的空间部分,GPS卫星星座,6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h 58min,设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星,保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星当前星座：28颗,GPS卫星 作用：发送用于导航定

2、位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置,类型 试验卫星：Block 工作卫星：Block Block Block A Block R Block F（新一代的GPS卫星）,第一代卫星现已停止工作。,第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。Block A的功能比Block 大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。Block 只能存储供45天用的导航电文，而Block A则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。,第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自

3、己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。,Block 卫星,Block 卫星,Block R卫星,GPS卫星星座（=35，=90）,4.1.3 地面监控部分,GPS的地面控制部分（地面监测系统）组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个）作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。,地面监控系统工作流程,主控站（1个）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

4、指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。,跟踪站（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。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。,注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。,4.1.3 用户设备部分,用户设备部分-GPS信号接收机及相关设备接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备多数采用石英钟GPS接收机:,能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备,(1)导航型接收机 此类型接收机主要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

5、低，一般为25m,有SA影响时为100m。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：,1.按接收机的用途分类可分为：,车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/秒以上，因此对接收机的要求更高。,(2)测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。,(3)授时型接收机 这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中

6、时间同步。,2.按接收机的载波频率分类,(1)单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。,(2)双频接收机 双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。,3.按接收机通道数分类 GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：,多通道接收机 序贯通道接收

7、机(3)多路多用通道接收机,4.按接收机工作原理分类,(1)码相关型接收机 码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距 观测值。,(2)平方型接收机 平方型接收机是利用载波信号的平方技术去 掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过 相位计测定接收机内产生的载波信号与接收 到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。,(3)混合型接收机 这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相 位观测值。,(4)干涉型接收机 这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。,天线单元,存储器计算与显控电源,接收单元（频率维持通常采用石英钟）,接收单元（频率维持

8、通常采用石英钟）信号通道类型：多路复用，序惯，多通道；码相关通道，平方通道,GPS信号接收机组成天线单元带前置放大器接收天线,天线单元,接收单元,接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源,天线单元类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线,GPS天线,特点单极天线单频获双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单,微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛,背腔平面盘旋天线,锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线 单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线 双频、增益特性好、侧视

9、角高、非方位对称,相位中心天线的平均相位中心与几何中心天线平均相位中心的偏差天线平均相位中心偏差的消除：归心改正、消去法天线高 标志至平均相位中心所在平面的垂直距离,天线特性相位中心、增益方式、带宽、极化,接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等,存储器微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源,基本结构,天线前置放大器,信号处理器,微处理器,振荡器,控制、显示及存储设备,电源,GPS接收机的天线,作用,接收来自卫星的信号放大经（频率变换）用于（跟踪、处理、量测）,天线的几何中心与相位中心几何中心相位中心相位中心偏差,天线的相位中心,天线相位中心的变化与信号的高度角有关与信号的方位角有关相同类型的天线具有相同的相位中心特性,重要的物理与几何特性,天线相位中心,接收钟差,接收机信号通道间的延迟,