GSP原理及现代化.ppt

全球定位系统概述 一 全球定位系统及现代化二 GPS系统及信号三 GPS测量原理四 GPS测量定位误差五 GPS测量中常见的几种坐标系统 一 全球卫星定位系统及GPS现代化 GPS GlobalPositionSystem 的基本概念 全球定位系统 GPS 是一个空基全天侯导航系统 它由美国国防部开发 用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置 速度和时间信息的要求 GPS的英文全称是NavigationSatelliteTimingAndRanging GlobalPositionSystem 导航星测时与测距全球定位系统 简称GPS有时也被称NAVSTARGPS GPS是美国继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三大空间工程 GPS的发展简史 子午卫星系统 一 1957年10月4日第一颗人造卫星SputnikI发射成 1958年12月开始设计NNSS NavyNavigationSatelliteSystem TRANSIT 即子午卫星系统 1964年1月该系统正式运行 1967年7月系统解密以供民用 1 6颗卫星 太少2 地面监控站不能实时的提供卫星星历 所以不能实时定位 2 轨道高度10100公里 太低 因为地球引力 摄动影响 卫星难以精密定轨 3 频率低 难以补偿电离层折射的影响 4 定位精度低 GPS发展简史 方案论证和初步设计阶段 二 1973年12月 美国国防部批准它的陆海空三军联合研制一种新的军用卫星全球导航系统 GPS 1978年2月22日 第1颗GPS试验卫星发射功 从1973年到1979年 共发射了4颗试验卫星 研制了地面接收机及建立地面跟踪网 从硬件和软件上进行了试验 试验结果令人满意 从1979年到1984年 又陆续发射了7颗试验卫星 这一阶段称之为BlockI 与此同时 研制了各种用途的接收机 主要是导航型接收机 同时测地型接收机也相继问世 试验表明 GPS的定位精度远远超过设计标准 利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级 达到14m 由此证明 GPS计划是成功的 GPS的发展简史 全面研制和试验阶段 三 GPS的发展简史 实用组网阶段 四 1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功 宣告了GPS系统进入工程建设阶段 1991年 在海湾战争中 GPS首次大规模用于实战 1995年7月17日 GPS达到FOC 完全运行能力 FullOperationalCapability 1999年1月25日 美国副总统戈尔宣布 将斥资40亿美圆 进行GPS现代化 1999年8月21 22日子夜 GPS发生GPS周结束翻转问题 2000年1月1日 Y2K问题 2000年5月1日 美国总统克林顿宣布 GPS停止实施SA GPS的发展简史 GPS现代化 五 在L2频道上增加第二民用码 即CA码 这样用户就可以有更好的多余观测 以提高定位精度 并有利于电离层的改正 增加L5民用频率 这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性 GLONASS卫星导航定位系统 GLONASS 俄 GlobalNavigationSatelliteSystem卫星 21 3轨道高度 19100km信号频率 1602 1616MHz 1246 1256MHz远行周期 11h15min 建设中的Galileo卫星导航定位系统 27颗工作卫星 3颗在轨备用卫星轨道高度23616km 轨道倾角56 欧洲宇航局将于2005年底利用俄 联盟 火箭发射 伽利略 卫星定位系统的首批两枚卫星该系统将于2008年后投入使用 中国北斗导航定位系统 3颗地球同步卫星快速定位 北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候 高精度 快速实时定位服务简短通信 北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力 可以一次传送超过100个汉字的信息 精密授时 北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能 根据不同的精度要求 利用授时终端 完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步 可提供数十纳秒级的时间同步精度 二 GPS系统及信号 系统构成信号结构变化中的美国GPS政策 GPS的系统组成 系统组成 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 GPS的系统组成 空间部分 GPS卫星星座设计星座 21 321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11h58min 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 30颗 GPS的系统组成 空间部分 GPS卫星1 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 采用双向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 如通讯 监测核暴等 2 主要设备太阳能电池板原子钟 2台铯钟 2台铷钟 信号生成与发射装置 类型 1 试验卫星 Block 2 工作卫星 Block Block 存储星历能力为14天 具有SA和AS地能力Block A Advanced 卫星间可相互通讯 存储星历能力为180天 SV35和SV36带有激光反射棱镜Block R Replacement Replenishment 卫星间可相互跟踪相互通讯Block F FollowOn 新一代的GPS卫星 增设第三民用频率 GPS的系统组成 空间部分 GPS的系统组成 地面控制部分 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 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 阿森松群岛 大西洋 迪戈加西亚 印度洋 和卡瓦加兰 太平洋 接收机 调制解调器 铯钟 气象传感器 监测站 观测星历与时钟 主控站 计算误差 编算注入导航电文 调制解调器 高功率放大器 指令发生器 数据存储器和外部设备 注入站 数据处理机 数据处理机 L1L2 S波段 GPS卫星GPS卫星 GPS地面监控系统的流程图 GPS的系统组成 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的信号结构 GPS信号的基本组成部分 信号分量 载波 CarrierPhase 测距码 RangingCode 导航电文 NavigationMessage DataMessage 载波作用 搭载其它信号 也可用于测量 测距 类型目前L1 频率 1575 43MHz 波长 19cmL2 频率 1227 60MHz 波长 24cm现代化后增加L5 1176 45MHz 波长 26cm GPS的信号结构 二 测距码伪随机噪声码 PRN码目前C A C1 码速 1 023MHz码元长度 300m码元数 1023bitP Y 1 P Y 2码速 10 23MHz码元长度 30m码元数 6 19 10E12bit现代化后C2M1 M2军用码 GPS的信号结构 三 导航电文码速 50bps形式 以帧的形式发送 每帧 5个子帧 1500bit 需30秒 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 变化中的美国GPS政策 SPS与PPSSPS 标准定位服务 使用C A码 民用PPS 精密定位服务 可使用P码 军用SA 已于2000年5月1日取消 SelectiveAvailability 选择可用性 人为降低普通用户的测量精度 方法 技术 轨道加绕 长周期 慢变化 技术 星钟加绕 高频抖动 短周期 快变化 AS Anti Spoofing反电子欺骗 P码加密 P W YGPS现代化提高信号质量在L2上增加C A码增加第三民用频率L5增加2个军用码 M1 M2局部关闭 三 GPS测量原理 依定位时的状态动态定位静态定位依定位模式绝对定位 单点定位 相对定位差分定位 依定位采用的观测值伪距测量 伪距法定位 载波相位测量依时效实时定位事后定位依确定整周模糊度的方法及观测时段的长短常速静态或动态定位快速静态或动态定位 GPS测量定位的分类 GPS单点定位原理 r X Y X x y z r x X y Y z Z 2 2 2 2 r c t GPS相对定位原理 相对定位的原理相对定位是用两台 或多台 接收机分别安置在一条 或多条 基线的两端 同步观测相同的GPS卫星 以确定基线端点的相对位置或基线向量在相对定位时 通过对观测量求差 可以消除卫星钟差 接收机钟差 削弱电离层和对流层折射的影响 消去整周模糊度参数等 使基线精度提高到10 6 10 7 甚至达到10 8 10 9 差分GPS定位属于GPS相对定位差分GPS定位是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测 根据基准站的精密坐标计算出基准站到卫星的距离改正数 并由基准站实时地将这一改正数发送出去 用户接收机在与基准站接收机进行同步观测的同时 也接收到基准站的改正数 用此对其定位结果进行改正 从而提高用户站的定位精度 差分GPS定位原理 四 GPS测量定位误差 误差的分类与卫星有关的误差与传播途径有关的误差与接收设备有关的误差 1 误差的分类 粗差偶然误差 观测噪声 Noise一般优于波长 码元长度的1 100偏差 系统误差 Bias与卫星有关的误差与传播途径有关的误差与接收设备有关的误差其它软件 模型误差 地球潮汐GPS控制系统 粗差 1 量错了天线高 2 测量了错误的点3 输入了错误的点名4 输入了错误的坐标 2 与卫星有关的误差 卫星星历误差 轨道误差广播星历 预报星历 与精密星历 后处理星历 应对方法精密定轨轨道松驰相对定位卫星钟差钟差 钟速 频漂应对方法钟差多项式 t a0 a1 t t0 a2 t t0 2参数物理同步误差与数学同步误差相对论效应狭义相对论效应 与钟的运动速度有关 使星钟变慢广义相对论效应 与钟所处位置的重力位有关 使星钟变快应对方法 事先调整钟速 根据卫星轨道进行修正 3 与传播途径有关的误差 电离层延迟电离层 自由电子与信号的频率有关 与信号频率的平方成反比 色散效应 与信号传播途径上的电子密度有关 而电子密度又与高度 时间 季节 地理位置 太阳活动等有关电离层对载波和测距码的影响 大小相等 符号相反应对方法模型改正 单层电离层模型双频改正相对定位对流层延迟对流层对流层延迟的干分量与湿分量相对于GPS信号 与信号的频率无关 非色散 应对方法相对定位模型改正气象元素 干温 湿温 气压Hopefield模型 Saastamoinen模型等 多路径效应多路径效应应对方法 观测地点的选择 接收设备的性能 长时间观测 数据处理方法 4 与接收设