GPS全球定位系统认识和设备使用概论(共79页).ppt

1、工程四工程四 GPS全球定位系统认识全球定位系统认识和设备使用和设备使用任务一、认识GPS系统的组成一、任务内容 1964 年，美国海军建成了第一个卫星导航系统子午仪卫星导航系统。 1967 年，前苏联也发射了自己的导航卫星宇宙 192。 1973年，美国国防部批准其海陆空三军联合研制新一代卫星导航系统，即授时和测距导航卫星，或者称全球定位系统Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System，NAVSTAR/GPS，简称 GPS 系统。 2000 年 10 月，我国成功发射了第一颗北斗导航卫星，开始北斗卫星导航试

2、验系统建设工作。2021年12月27日，北斗卫星导航系统已正式提供区域效劳，一全球定位系统简介二 GPS 系统的组成图图4-1-1 GPS4-1-1 GPS系统组成系统组成1GPS 卫星星座和 GPS 卫星 图图 4-1-2 Block I4-1-2 Block I卫星卫星 图图 4-1-3 Block II4-1-3 Block II卫星卫星1GPS 卫星星座和 GPS 卫星图图 4-1-4 Block IIA 4-1-4 Block IIA 卫星卫星 图图 4-1-5 Block IIR 4-1-5 Block IIR 卫星卫星图图 4-1-6 GPS 4-1-6 GPS 卫星导航载荷结构

3、框图卫星导航载荷结构框图 GPS卫星可分为试验卫星和工作卫星两大类。 试验卫星 Block I也叫原型卫星。其任务主要是满足方案论证和整个系统试验、改进的需要。最后一颗 Block I 卫星于1985年10月9日发射升空，1995年11月18日退役。 工作卫星 Block II：与试验卫星 Block I 相比 Block II 卫星能够存储14天的导航电文并具有实施选择可用性(SA)和反电子欺骗AS功能。最后一颗 Block II 卫星于2007年3月15日退役。 Block IIA 中大写字母 A 代表Advanced更先进的。该系列卫星的质量和设计寿命与 Block II 系列卫星根本相

4、同。但是却增加了相互通信的能力，并且存储导航电文 的能力也增至180天。 Block IIR 系列，R 代表 replenishment 补充。目前有12颗成功发射。 Block IIR-M 系列卫星是 Block IIR 系列的升级版，M 代表modernized现代化的。 Block IIF 系列由波音公司研制开发，F 代表 follow-on继任者。GPS 卫星的主要功能为： 接收和储存由地面监控站发来的导航信息 接收并执行监控站的控制指令 通过星载高精度原子钟产生基准信号和提供精确的时间标准 向用户连续不断地发送导航定位信号。 接收地面主控站通过注入站发送给卫星的调度命令，如调整卫星的

5、姿态、启用备用时钟或启用备用卫星等。GPS卫星的测距码信号GPS卫星发射两种测距码信号，即C/A码和P码，两者都是伪随机噪声码C/A码有如下2个特点： 1) C/A码的码长很短，易于捕获。 2) C/A码的码元宽度较大。GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码的信息。导航电文同样以二进制码的形式播送给用户，因此又叫数据码，或称D码。GPS卫星星历GPS系统通过两种方式向用户提供卫星星历，一种方式是通过导航电文中的数据块直接发射给用户接收机，通常称为预报星历；另一种方式是由GPS系统的地面监控站，通过磁带、网络、

6、电传向用户提供。称为后处理星历。2. 地面监控系统图图4-1-7 4-1-7 地面监控地面监控3. GPS 用户接收机图图 4-1-8 GPS 4-1-8 GPS 接收机原理图接收机原理图4.GPS定位方法分类1)静态定位和动态定位 如果在定位过程中，用户接收机天线处于静止状态，或者更明确地说。待定点在协议地球坐标系中的位置，被认为是固定不动的，那么确定这些待定点位置的定位测量就称为静态定位。 相反，如果在定位过程中，用户接收机天线处在运动状态，这时待定点位置将随时间变化。确定这些运动着的待定点的位置，称为动态定位。2)绝对定位和相对定位根据参考点的不同位置，GPS定位测量又可分为绝对定位和相

7、对定位。绝对定位是以地球质心为参考点，测定接收机天线(即待定点)在协议地球坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需使用一台接收机，所以又称为单点定位。如果选择地面某个固定点为参考点，确定接收机天线相位中心相对参考点的位置，那么称为相对定位。 5.GPS 静态定位原理图图4-1-9 GPS4-1-9 GPS静态定位原理静态定位原理 6.GPS动态定位原理GPS动态测量是利用GPS卫星定位系统实时测量物体的连续运动状态参数。如果所求的状态参数仅仅是三维坐标参数，就称为GPS动态定位。如果所求的状态参数不仅包括三维坐标参数，还包含物体运动的三维速度，以及时问和方位等参数，这样动态测量就称为导航。7.GP

8、S定位的误差来源及对策1)与GPS卫星有关的误差卫星星历误差卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差，由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的，所以又称为卫星的轨道误差。卫星钟差所谓时钟误差是指卫星钟误差，以及接收机钟误差。2)卫星信号传播误差卫星信号传播误差包括：信号穿过地球上空电离层和对流层时所产生的误差，以及信号到达地面时产生反射信号而引起的多路径干扰误差。电离层传播误差 电离层是指地球上空501000km之间的大气层。对流层传播误差 从地面起向上到距地面40km的大气层称为对流层。多路径效应影响 所谓多路径效应，是指接收机天线除直接收到卫星的信

9、号外，尚可能收到经天线周围物体反射的卫星信号，两种信号叠加将会引起天线相位中心位置的变化。3)与接收设备有关的误差在GPS定位测量中，与用户接收设备有关的误差主要包括：观测误差、接收机钟差、天线相位中心偏移误差。4)其它误差来源在GPS定位中，除了上述各种误差外，卫星钟和接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信号传播的相对论效应等都会对观测量产生影响。 1.GLONASS 系统的组成 GLONASS系统同样由卫星、地面测控站和用户设备三局部组成，目前的系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度1万9000公里，运

10、行周期11小时15分。三 GLONASS 系统 2. GLONASS 系统与 GPS 系统的差异在技术方面，GLONASS与GPS有以下几点不同之处： 卫星发射频率不同。 坐标系不同。 时间标准不同。 北斗卫星导航系统BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System包括北斗一号和北斗二号两代系统，是中国研发的卫星导航系统。北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号那么是一个正在建设中的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统和美国GPS、俄罗斯GLONASS系统、欧盟Galileo定位系统被联合国一起确认为全球四个卫星导航系统核心供给商。四 北斗卫

11、星导航系统 1.北斗一号卫星导航系统工作原理 由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向效劳区内的用户播送。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请效劳内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。 由于中心控制系统和两颗卫星的位

12、置均是的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。 2.北斗一号与GPS系统比较 覆盖范围： 卫星数量和轨道特性： 定位原理： 定位精度： 用户容量： 生存能力： 实时性: 3北斗二号和未来开展 2021年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。 正在建设的北斗二号卫星

13、导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供开放效劳和授权效劳。 1.Galileo 卫星星座 方案中的 Galileo 卫星星座由 30 颗 工作卫星组成，还有 3 颗卫星为备用卫星，轨道高度为 23222km，轨道倾角为 56，卫星运行周期为 14h4min。系统提供全球连续覆盖，地面最多可见卫星数达 13 颗。每颗卫星(包括卫星平台、导航载荷和搜救载荷等)的在轨重量约为 650kg，设计寿命 20 年。五 Galileo 系统 2. Galileo 系统效劳方式Galileo系统将提供 5 种根本的效劳方式：开放效劳OS：商业效劳CS：生命平安效劳SoL：公共管理效

14、劳PRS：搜救效劳SAR： 与现有市场上的GPS导航车载终端相比较，采用北斗/GPS导航的智能车载终端具有以下优势： 1)北斗导航系统同时具备定位与通讯功能，不需要其他通讯系统支持。而GPS只能定位。 2)北斗导航系统覆盖范围大，没有通讯盲区。北斗导航系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家效劳。 3)北斗导航系统特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用。 4)北斗导航系统融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，与GPS定位相结合后，应用更加丰富。 5)北斗导航系统自主系统，平安、可靠、稳定，保密性强，适合国防、军工等保密部门应用，同时也适合在交通运输

15、、测绘等国家战略产业中应用。六 北斗系统在智能车载终端的应用任务一、认识GPS系统的组成二、复习与思考 1、GPS有哪几个组成局部？简述每个局部的具体内容及其功能。 2、GPS定位的根本原理如何？ 3、试写出测码伪距观测方程和测相伪距观测方程并说明各符号的实际意义。 4、GPS误差影响的因素有哪些？ 5、简述北斗一号导航系统的工作原理。任务二、用GPS模块进行定位一、任务内容一硬件连接图图4-2-1 RS2324-2-1 RS232与与GPSGPS模块连接模块连接图图4-2-2 4-2-2 天线位置天线位置图图4-2-3 4-2-3 连接好的连接好的GPSGPS模块模块1.翻开u-center

16、软件二软件设置图图4-2-4 4-2-4 翻开翻开u-centeru-center软件位置软件位置图图4-2-5 u-center4-2-5 u-center软件界面软件界面2.参数设置 图图4-2-6 4-2-6 串口号与波特率的设置串口号与波特率的设置3.接收定位信号 4.定位路径的录制与轨迹回放图图4-2-8 4-2-8 按下录制键按下录制键图图4-2-11 4-2-11 保存过程保存过程图图4-2-12 4-2-12 按下停止键按下停止键图图4-2-13 4-2-13 按下播放键按下播放键图图4-2-15 4-2-15 播放录制好的轨迹播放录制好的轨迹 定位成功，那么可在u-cente

17、r软件界面上看见接收到的卫星的颗数，位置的经纬度、高度及速度。 如果定位不成功，最大可能接收卫星的信号不好。 可按照以下步骤逐一检查排除故障： 硬件接线检查：首先检查天线的信号是否良好，可把天线伸出窗外，其次检查模块设备串口端口是否连接正确。 软件设置检查：模块端口参数波特率是否设置正确，特别是使用哪个串口要设置好。 以上均检查无异，那么可见实训结果。三实训结果任务二、用GPS模块进行定位二、相关知识图图4-2-16 u-center4-2-16 u-center软件界面软件界面 图图4-2-21 4-2-21 具体意义解释具体意义解释 图图4-2-22 4-2-22 不同工作界面选择按钮不同

18、工作界面选择按钮任务二、用GPS模块进行定位三、复习与思考 如果定位信号很不好，如何查询故障原因？任务三、在地图上添加GPS模块定位数据一、任务内容 用RS232串口将GPS终端模块与计算机连接。 将模块上的天线与电源连接好。注意天线位置调整到信号接收比较强的位置一般要靠近窗口位置，不要有高大建筑物遮挡。 通电，翻开计算机。一硬件连接二软件设置图图4-3-4 4-3-4 翻开地图翻开地图图图4-3-6 4-3-6 地图导入地图导入图图4-3-8 4-3-8 选择选择MCFMCF文件文件图图4-3-9 4-3-9 文件修改文件修改图图4-3-10 4-3-10 显示添加数据的位置显示添加数据的位

19、置 4.误差分析图图4-3-11 4-3-11 误差点显示误差点显示图图4-3-12 4-3-12 误差分析误差分析 数据添加成功，那么可在相应地图上看见添加的点。 如果添加不成功，那么重新检查程序是否正确。 可按照以下步骤逐一检查排除故障： 修改的程序是否与显示地图的文件扩展名前名称一致。 程序修改是否在英文状态下进行，特别是标点符号注意要在英文状态下。 程序语法是否正确。 以上均检查无异，那么可见实训结果。三实训结果任务三、GPS模块定位数据使用二、相关知识 1GPS接收机的根本结构 GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部组成。天线单元的主要功能是将GPS卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流，并对这种信号电流进行放大和变频处理。而接收机单元的主要功能是对经过放大和变频处理的信号电源进行跟踪、处理和测量。一GPS接收机的结构原理信号通道变频 器电源频率综合基准频率前置放大 器频率变换 器信号解扩解调D(t)伪码 测量载波相位 测量显示器C/A码发生器P码发生器控制信号GPS天线存储器CPU数据输出2