第八章GPS卫星导航系统

1、第一章第一章 卫星导航系统卫星导航系统 （Satellite navigation）第一节第一节 卫星导航系统概述卫星导航系统概述一、卫星导航系统简介一、卫星导航系统简介卫星导航系统由卫星导航系统由导航卫星导航卫星、地面站地面站、用户设备用户设备组成。组成。 GPS定位精度：定位精度： P 码码1 m；CA 码码20 30 m CA码定位精度受码定位精度受SA和和AS政策影响。政策影响。 GPS特点：特点： 全球全球、全天候全天候、高精度高精度、连续连续、近于、近于实时实时的的三维三维 定位与导航功能。定位与导航功能。1、GPS卫星导航系统（美国）卫星导航系统（美国） Navigation S

2、atellite Timing and Ranging/ Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS。 1973年开始研制，年开始研制，1995年进入全部运作。年进入全部运作。 GPS卫星卫星： 24（21工作卫星工作卫星+3备用卫星）备用卫星）颗颗高轨高轨卫星，分布在卫星，分布在 6个轨道面内，个轨道面内， 轨道倾角约轨道倾角约55，双频双频发射，全球发射，全球 范围内可视性良好。范围内可视性良好。2、GLONASS卫星导航系统（前苏联）卫星导航系统（前苏联） 1978年开始研制，年开始研制，1982年开始部署，年开始部署，1995年底全年底全 部星座部署完毕。

3、部星座部署完毕。 Global Navigation Satellite SystemGLONASS GLONASS定位精度：定位精度： P 码码1 m；CA 码码20 30 m 无任何政策影响，不限制民用。无任何政策影响，不限制民用。 GLONASS特点：特点： 全球全球、全天候全天候、高精度高精度、连续连续、近于、近于实时实时的的三维三维 定位与导航功能。定位与导航功能。 GLONASS卫星卫星： 25（24+1）颗颗中轨中轨卫星，分布卫星，分布3个轨道面，轨道个轨道面，轨道 倾角约倾角约64，双频发射，全球范围内可视性良好。，双频发射，全球范围内可视性良好。3、“北斗北斗”卫星导航系统（

4、中国）卫星导航系统（中国） 2000年发射年发射 2 颗颗“北斗北斗”地球静止卫星地球静止卫星（GEO） ， 2003年年5月月25日又发射了第三颗备份星，日又发射了第三颗备份星，2003年年6 月正式运营。月正式运营。 特点：特点： 区域性、全天候、高精度、连续、快速、近于实区域性、全天候、高精度、连续、快速、近于实 时的定位导航系统时的定位导航系统。 “北斗北斗”卫星卫星： 2+1 颗地球同步轨道（颗地球同步轨道（36 000 km）卫星。）卫星。 定位精度：定位精度： 在在1s内完成定位，精度内完成定位，精度优于优于 20 m。4、INMARSAT卫星导航系统卫星导航系统（国际海事卫星组

5、织（国际海事卫星组织IMO） 利用带有利用带有导航舱导航舱的的INMARSAT的中轨道卫星，的中轨道卫星， 发射发射GPS信号、信号、DGPS校正值等信息，为全球校正值等信息，为全球 提供通信、定位、导航及完善性监测提供通信、定位、导航及完善性监测。 5、伽利略卫星导航系统（欧洲、伽利略卫星导航系统（欧洲 + 中国）中国） 1999由欧盟提出计划，由欧盟提出计划，2004下半年开始发射实下半年开始发射实 验卫星，验卫星，2008年全面投入使用。年全面投入使用。 卫星：卫星： 27+3 颗卫星颗颗卫星颗中中轨卫星，分布轨卫星，分布3个轨道面，轨个轨道面，轨 道倾角约道倾角约 55 ，运行周期，运

6、行周期52 810.10 s。 3 颗覆盖的颗覆盖的GEO卫星，辅以卫星，辅以GPS和本地差分增和本地差分增 强系统，定位精度达强系统，定位精度达几米。几米。 特点：特点： 全球、全天候、高精度、连续、近于实时的三全球、全天候、高精度、连续、近于实时的三 维定位和导航维定位和导航； 是针对商业和军用的高精度卫星导航系统。是针对商业和军用的高精度卫星导航系统。6、GNSS卫星导航系统卫星导航系统（国际民航组织（国际民航组织ICAO） 组组合合系系统统（INMARSAT）（GPS）（GLONASS）（GAIT）地面增强和完善性系统地面增强和完善性系统（RAIM）机载独立完善性监控系统机载独立完善性

7、监控系统GNSS 是是 为全球提供定位、导航、通信、授时为全球提供定位、导航、通信、授时 的全球卫星导航系统的总称。的全球卫星导航系统的总称。地球同步卫星地球同步卫星二、卫星导航系统的特点与分类二、卫星导航系统的特点与分类1、卫星导航系统的特点、卫星导航系统的特点：（：（P112）2、卫星导航系统的分类、卫星导航系统的分类：（：（P112）l优点：优点：l(1)卫星不受地理、气象或其他条件限制，可按需要在各种轨道上配置。卫星不受地理、气象或其他条件限制，可按需要在各种轨道上配置。 l(2)覆盖效率高：只要有少数几颗卫星就可覆盖全球。覆盖效率高：只要有少数几颗卫星就可覆盖全球。l(3)范围广：卫

8、星导航范围可从地面、水面、近地空间延伸到外层空间。范围广：卫星导航范围可从地面、水面、近地空间延伸到外层空间。l(4)全天候导航：卫星导航不受气象及时间限制。全天候导航：卫星导航不受气象及时间限制。l(5)选择方便：用户选择最好的一组卫星进行高精度三维定位与导航。选择方便：用户选择最好的一组卫星进行高精度三维定位与导航。l(6)使用简便：直接显示经、纬度船位和其他导航数据，不需特种图表。使用简便：直接显示经、纬度船位和其他导航数据，不需特种图表。l(7)接收效果好：卫星发射的平均功率小。接收效果好：卫星发射的平均功率小。l(8)系统功能多：系统功能多： (定位、导航、通信、识别、授时定位、导航

9、、通信、识别、授时)抗干扰，保密性强。抗干扰，保密性强。l(9)卫星导航仪体积小、重量轻、操作简便，减轻工作强度。卫星导航仪体积小、重量轻、操作简便，减轻工作强度。l缺点：缺点：l(10)卫星轨道有飘移，需改进卫星上的设备，增加扰动补偿系统，需地面卫星轨道有飘移，需改进卫星上的设备，增加扰动补偿系统，需地面 站精确测定卫星的轨道参数和精确地预报。站精确测定卫星的轨道参数和精确地预报。l(11)地面工程庞大，设备昂贵，维修费用高，卫星寿命短，有些卫星导航地面工程庞大，设备昂贵，维修费用高，卫星寿命短，有些卫星导航 系统不能连续、实时导航定位或只能区域导航定位。系统不能连续、实时导航定位或只能区域

10、导航定位。l(12)卫星导航系统还卫星导航系统还不能为水下运载体提供导航不能为水下运载体提供导航。l(13)卫星导航系统易受少数国家的垄断和控制，服务于所设国家的最高利卫星导航系统易受少数国家的垄断和控制，服务于所设国家的最高利 益；在战争中不能为全球提供可靠的导航。益；在战争中不能为全球提供可靠的导航。1、卫星导航系统的特点、卫星导航系统的特点：（：（P112）2、卫星导航系统的分类、卫星导航系统的分类：（：（P112） 按测量的导航定位参量分：按测量的导航定位参量分：测角、测距、测速、测多种参测角、测距、测速、测多种参量量 系统系统 按工作原理分：按工作原理分：多普勒型、距离型、多普勒和距

11、离混合型多普勒型、距离型、多普勒和距离混合型 按卫星运行轨道的高度分：按卫星运行轨道的高度分：低轨（低轨（9002 700 km）中轨（中轨（13 00020 000 km）高轨（高轨（20 00048 000 km） 按获得定位数据的及时性分：按获得定位数据的及时性分：间断和连续、实时和非实时间断和连续、实时和非实时 按工作区域分：按工作区域分：全球覆盖系统、区域覆盖系统、连续性全全球覆盖系统、区域覆盖系统、连续性全球覆盖系统、连续性地带覆盖系统和连续性区域覆盖系统。球覆盖系统、连续性地带覆盖系统和连续性区域覆盖系统。 按工作方式分：按工作方式分：无源系统和有源系统无源系统和有源系统同步轨道

12、：公转速度与自转速度同步的轨道；静止卫星：同同步轨道：公转速度与自转速度同步的轨道；静止卫星：同步轨道面和地球赤道面重合时，卫星相对不动。步轨道面和地球赤道面重合时，卫星相对不动。三、卫星轨道参数三、卫星轨道参数1、开普勒定律：、开普勒定律： 说明卫星在地球中心引力场作用下的运动说明卫星在地球中心引力场作用下的运动卫星轨道：导航卫星绕地球运行的路径卫星轨道：导航卫星绕地球运行的路径卫星轨道参数：卫星轨道参数：描述卫星轨道的描述卫星轨道的形状形状、大小大小、轨道面轨道面 在空间的位置在空间的位置 和和卫星卫星在轨道上的位置在轨道上的位置。1）卫星卫星（行星）（行星）在不同的椭圆轨道上围绕在不同的

13、椭圆轨道上围绕地球地球（太阳）（太阳） 运动，运动，地球（地球（太阳太阳）是这些椭圆的一个是这些椭圆的一个焦点焦点2）卫星卫星（行星）（行星）的向径（的向径（地球地球/太阳太阳和和卫星卫星/行星行星的连线）的连线） 在相等的时间内扫过相等的在相等的时间内扫过相等的面积面积3）卫星卫星（行星）（行星）绕绕地球（地球（太阳太阳）运行周期的平方和其运行周期的平方和其 椭圆轨道长半轴的三次方成正比（椭圆轨道长半轴的三次方成正比（T 2 a3）卫星卫星赤道赤道卫星轨道参数卫星轨道参数VS2、卫星无摄动运行的轨道参数、卫星无摄动运行的轨道参数1）升交点赤经）升交点赤经：2）轨道倾角）轨道倾角i ：3）近地

14、点幅角）近地点幅角 :4）轨道长半径）轨道长半径a:5）轨道偏心率）轨道偏心率e:6）平近点角）平近点角M :i 春分点投影春分点投影近地点近地点P远地点远地点AM轨道轨道投影投影NN升交点升交点及其投影及其投影Ox卫星卫星轨道轨道轨道平面的轨道平面的空间取向空间取向长半轴在轨道长半轴在轨道平面内的方向平面内的方向椭圆的大小椭圆的大小和形状和形状计算卫星在轨道计算卫星在轨道上的瞬时位置上的瞬时位置l右手坐标系：右手坐标系： 过定点过定点O，作三条互相垂直的数轴，它们都以，作三条互相垂直的数轴，它们都以O为原点为原点且一般具有相同的长度单位且一般具有相同的长度单位.这三条轴分别叫做这三条轴分别叫

15、做x轴轴(横横轴）、轴）、y轴轴(纵轴纵轴)、z轴轴(竖轴竖轴)；统称坐标轴；统称坐标轴.通常把通常把x轴轴和和y轴配置在水平面上，而轴配置在水平面上，而z轴则是铅垂线；它们的正轴则是铅垂线；它们的正方向要符合右手规则，即以右手握住方向要符合右手规则，即以右手握住z轴，当右手的四轴，当右手的四指从正向指从正向x轴以轴以/2角度转向正向角度转向正向y轴时，大拇指的指向轴时，大拇指的指向就是就是z轴的正向，这样的三条坐标轴就组成了一个空间轴的正向，这样的三条坐标轴就组成了一个空间直角坐标系，点直角坐标系，点O叫做坐标原点。叫做坐标原点。l判断方法：判断方法：在空间直角坐标系中，让右手拇指指向在空间

16、直角坐标系中，让右手拇指指向x轴轴的正方向，食指指向的正方向，食指指向y轴的正方向，如果中指能指向轴的正方向，如果中指能指向z轴的正方向，则称这个坐标系为轴的正方向，则称这个坐标系为右手直角坐标系右手直角坐标系同同理左手直角坐标系理左手直角坐标系 。复习：复习：3、卫星的地心直角坐标系、卫星的地心直角坐标系GPS 采用采用 WGS84 坐标系坐标系格林经线零度格林经线零度S（x, y, z）Oxzy东东 90 度度GPS 定位计算时必须进行定位计算时必须进行坐标系的转换。坐标系的转换。（WGS84 坐标系转换成地坐标系转换成地理坐标系）理坐标系）地轴地轴H4、卫星覆盖区、卫星覆盖区OROH卫星

17、卫星R观测者观测者卫星卫星若卫星的高度越高、最小仰若卫星的高度越高、最小仰角越小，则卫星的覆盖区越大。角越小，则卫星的覆盖区越大。但升到一定高度时，覆盖面积但升到一定高度时，覆盖面积几乎不再增加。几乎不再增加。卫星可观测时间，与测者位卫星可观测时间，与测者位置及速度，卫星临空路径及运置及速度，卫星临空路径及运转速度有关。转速度有关。卫星路径长，运转速度慢，测卫星路径长，运转速度慢，测者纬度高，移动距离小，卫星者纬度高，移动距离小，卫星可观测时间较长。可观测时间较长。第二节第二节 GPS导航系统设置导航系统设置一、一、GPS地面站地面站1. 跟踪站跟踪站：接收包括环境数据在内的卫星的各种信息，：

18、接收包括环境数据在内的卫星的各种信息， 并将测定的信息传送到主控站；并将测定的信息传送到主控站； 所测伪距所测伪距1.5 s更新一次，电离层气象数据更新一次，电离层气象数据 15 min平滑一次。平滑一次。2. 主控站主控站：收集、评价数据，计算各卫星原子钟的校正：收集、评价数据，计算各卫星原子钟的校正 参量、卫星历书、卫星星历、系统状态并形参量、卫星历书、卫星星历、系统状态并形 成导航信息码，送注入站；成导航信息码，送注入站； 控制和调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星。控制和调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星。3. 注入站注入站：地面站或地面天线，将导航信息送给卫星。：地面站或地面天线，将导航信

19、息送给卫星。GPS卫星导航系统由卫星导航系统由GPS导航卫星导航卫星、地面站地面站及及用户设备用户设备组成。组成。二、二、GPS导航卫星网导航卫星网1、GPS导航卫星导航卫星 24（21+3）颗高轨）颗高轨20200km） 卫星，分布在卫星，分布在6 个轨道面上，个轨道面上， 轨道倾角约轨道倾角约 55 度，地平线度，地平线 7.5 度以上至少可以看到度以上至少可以看到4颗，颗， 地平线上至少看到地平线上至少看到5颗，最多颗，最多 11颗；运行周期约颗；运行周期约11 h 58 m （717.88 min），约），约12 h。 双频发射：双频发射： L 1 波段（波段（1 575.42 MHz

20、），）， P码、码、CA码和码和导航数据码导航数据码调制；调制； L 2 波段（波段（1 227.60 MHz），）， P码和码和导航数据码导航数据码调制；调制； 以后增加以后增加L 5 （1 176 MHz） 电源：太阳能、镉镍电池电源：太阳能、镉镍电池 卫星钟：原子钟卫星钟：原子钟1980.1.6.UTC0000 微处理器、存储器、收发机、微处理器、存储器、收发机、 监测传感器、应急通信转发监测传感器、应急通信转发 器、器、 30度波束圆极化天线度波束圆极化天线l卫星导航电文由L1和L2两种载波频率播发。lL1由导航数据码、伪随机噪声码P、CA码调制。lL2仅由导航数据码、P码调制。2、G

21、PS卫星导航电文（卫星发射的导航信息）卫星导航电文（卫星发射的导航信息）1）P码和码和CA码码CA 码码：低速、短周期的伪随机二进制序列码，：低速、短周期的伪随机二进制序列码， （1.023 MHz、1ms），测距精度低，协助捕获），测距精度低，协助捕获P码码P 码码：快速、长周期的伪随机二进制序列码，：快速、长周期的伪随机二进制序列码， （10.23 MHz、7 day），测距精度高，难于捕获），测距精度高，难于捕获优点优点:a. 抗干扰抗干扰 CA（P）码有良好的自相关函数，使其易于在噪声背）码有良好的自相关函数，使其易于在噪声背 景中被识别；不同的景中被识别；不同的CA（P）码间有良好的

22、互相关函）码间有良好的互相关函 数，则不同的卫星信号间的相互干扰很小。数，则不同的卫星信号间的相互干扰很小。b. 用码分多址识别卫星：用码分多址识别卫星： CA码：码：1025 种种 ；P码：码：1444 种种c. 伪码（伪码（CA码与码与P码）加密码）加密 GPS数据经过数据经过CA （P）码扩频发射，又需经解扩提取）码扩频发射，又需经解扩提取d. 精确测时和测距精确测时和测距2）GPS卫星导航电文（导航信息）卫星导航电文（导航信息）a、卫星导航电文的内容、卫星导航电文的内容各有关系统的工作状态、系统时间、卫星钟偏差校正参各有关系统的工作状态、系统时间、卫星钟偏差校正参量、卫星历书、卫星星历

23、、卫星识别标志等，主要用于量、卫星历书、卫星星历、卫星识别标志等，主要用于计算卫星的位置及卫星钟差校正。计算卫星的位置及卫星钟差校正。b、卫星导航电文的传输过程、卫星导航电文的传输过程导航数据码导航数据码 （电文）（电文）50HZCA码、码、P码调制码调制L1（或（或L2）载波调制载波调制发射发射计算卫星位置计算卫星位置识别卫星、测量识别卫星、测量信号传播时间信号传播时间运载并发射运载并发射信号信号c、卫星导航电文的接收过程、卫星导航电文的接收过程L1（或（或L2）高频信号高频信号本机本机CA码码或或P码码（相关输出）（相关输出）解调（滤波）解调（滤波）导航数据导航数据（电文）（电文）50Hz

24、可同时测伪距可同时测伪距可计算出可计算出卫星的位置卫星的位置GPS卫星导航仪将接收到的GPS卫星信号变为中频信号后，经过锁相环路相关检测，解调出伪随机码、载波及导航数据。 TLM HOW 数据块数据块I（卫星钟校正）（卫星钟校正） TLM HOW 数据块数据块II（星历）（星历） TLM HOW 数据块数据块II（星历）（星历） TLM HOW 数据块数据块III（历书）（历书） TLM HOW 数据块数据块III（历书）（历书） 本星本星 更更新新 /h 所有星所有星更新更新 / 注入后注入后6 s，10 字，字，30 码码 / 字字子帧子帧30 s50 字字1 500 码码d、卫星导航电文

25、的结构、卫星导航电文的结构54123214365871096 s0.6 s0.02 s30 s 1 帧帧5个子帧个子帧1个子帧个子帧10个字个字1个字个字30 bit4、5子帧分子帧分25页页1、2、3子帧全相同子帧全相同历书历书完整历书完整历书帧结构帧结构三三 、GPS的定位原理的定位原理用户用户地面站地面站卫星卫星1、定位原理、定位原理GPS 属球面导航系统属球面导航系统卫星的位置根据卫星历书卫星的位置根据卫星历书计算可得计算可得(x,y,z)用户连续测到用户连续测到 3 颗卫星的颗卫星的距离，即可得到三个球面，距离，即可得到三个球面，其交点即为用户的位置其交点即为用户的位置2323233

26、22222222121211)()()()()()()()()(sssssssssZZYYXXrZZYYXXrZZYYXXr2、伪测距、伪测距由于由于卫星钟误差卫星钟误差、用户钟误差用户钟误差、信号传播误差（电离层信号传播误差（电离层折射误差和对流层折射误差）折射误差和对流层折射误差）等的影响，等的影响， GPS接收机测接收机测得的用户到卫星的距离不是真实距离，称为得的用户到卫星的距离不是真实距离，称为伪距离伪距离。)(*siAiuiittCtCrr颗卫星的钟差。第颗卫星信号传播延时；第用户钟差；电磁波传播速度；颗卫星的真实距离；用户到第伪距离；itittCirrsiAiuii*用户到第用户到

27、第 i 颗卫星的真实距离颗卫星的真实距离:：222)()()(sisisiiZZYYXXrX、Y、Z 及及 Xsi、Ysi、Zsi 分别是用户和卫星分别是用户和卫星在空间三维坐标。在空间三维坐标。4 , 3 , 2 , 1)()()()(222*ittCtCZZYYXXrsiAiusisisiit tAiAit ut tAiAit u3、定位计算、定位计算1）导航仪根据其内存储的）导航仪根据其内存储的GPS历书，计算卫星的概略位置历书，计算卫星的概略位置2）导航仪根据键入的推算船位、时间、精度几何因子数值）导航仪根据键入的推算船位、时间、精度几何因子数值 选择仰角选择仰角5、几何配置最好的、几

28、何配置最好的 4 颗或颗或 3 颗卫星颗卫星3）导航仪对）导航仪对GPS卫星进行频率和伪码的二维搜索，码同步卫星进行频率和伪码的二维搜索，码同步 后转入载波相位跟踪、检测和存储导航电文；后转入载波相位跟踪、检测和存储导航电文；4）导航仪根据所测的伪距、从卫星星历算出的卫星位置、）导航仪根据所测的伪距、从卫星星历算出的卫星位置、 及传播延时的计算和修正，计算出用户的位置及传播延时的计算和修正，计算出用户的位置GPS导航仪可以同时接收导航仪可以同时接收4颗卫星的信号进行定位；颗卫星的信号进行定位； 也可以用一个接收通道依次选择不同的卫星进也可以用一个接收通道依次选择不同的卫星进 行时序接收卫星信号

29、定位。行时序接收卫星信号定位。定位计算过程如下：定位计算过程如下：三维定位需选四颗卫星三维定位需选四颗卫星 伪测距伪测距伪测距伪测距即为即为测量伪距测量伪距，GPS 通常采用通常采用伪码法伪码法进行测距。进行测距。伪码法：伪码法：又称码相关法，即用户设备产生一组与卫星又称码相关法，即用户设备产生一组与卫星 相同的相同的伪码伪码，二者进行比相，求得用户到卫，二者进行比相，求得用户到卫 星的伪距离的方法。星的伪距离的方法。伪距测量示意图：伪距测量示意图：t全全“1”状态状态发射发射伪码伪码全全“1”状态状态t收到的带收到的带噪声伪码噪声伪码t本地跟踪本地跟踪伪码伪码t第三节第三节 GPS卫星导航仪

30、卫星导航仪一、定义：一、定义：用用GPSGPS卫星信号进行定位和导航的接卫星信号进行定位和导航的接收设备。收设备。二、组成：二、组成：硬件、机内软件、硬件、机内软件、GPSGPS数据的后处理数据的后处理软件包。软件包。三、电源：三、电源：采用机内、机外两种直流电源采用机内、机外两种直流电源机外电源自动向机内电源充电机外电源自动向机内电源充电更换外电源时，用机内电源定位更换外电源时，用机内电源定位关机后，内存储器由机内电源供电关机后，内存储器由机内电源供电四、四、GPS接收机对信号的接收处理接收机对信号的接收处理CA码、单频码、单频GPS接收机接收机变频与中放变频与中放相关检测相关检测伪码、载波

31、跟伪码、载波跟踪锁相环路踪锁相环路数据检测数据检测伪码与多普勒伪码与多普勒频率测量频率测量微处理器微处理器五、五、CA码单频码单频GPS接收机的主要技术性能和功能接收机的主要技术性能和功能1. 主要技术指标主要技术指标（P118）2. 主要功能主要功能1）显示定位和导航数据）显示定位和导航数据2）设置参数：）设置参数：HDOP等等3）位置更新约）位置更新约 1 s，导航数据更新，导航数据更新 3 5 s4）显示卫星信息：编号、仰角等）显示卫星信息：编号、仰角等5）存储、设计航线和航路点）存储、设计航线和航路点6）报警功能：偏航、锚位监视、故障等）报警功能：偏航、锚位监视、故障等7）接口：输入输

32、出）接口：输入输出l(1)接收频率为1 57542 MHz1 MHz（L），接收码为CA码。l(2)接收通道：接收通道必须能跟踪4颗以上的卫星。l(3)接收灵敏度小于130 dBm(仰角5以上的卫星)， 跟踪速度为100 kn左右。l(4) 精度（视美国的政策确定）：定位20 m，(HDOP3，CA码)，速度01 kn。六、六、GPS接收机的安装接收机的安装（P118） 0.5 m 1 m 4 m 1.5 m 3 m 5 m 避开雷达波束（避开雷达波束（30 或或 40 ） 1 m 距离视钢柱直径距离视钢柱直径大小而定大小而定 （若（若 10 cm,则则 1.5 m；若；若 30 cm，则，则

33、 3 m）七、七、GPS接收机的操作方法接收机的操作方法1、启动的方法、启动的方法1）日常启动：）日常启动：日常的关机后的启动称为日常启动。日常的关机后的启动称为日常启动。 2）热启动：）热启动：船位变化不大于船位变化不大于100英里或英里或3个月以内进行过通电个月以内进行过通电接收，卫星导航仪已收集历书，进行启动，称为热启动。接收，卫星导航仪已收集历书，进行启动，称为热启动。 3）冷启动：）冷启动： 冷启动的初始化输入：冷启动的初始化输入： 输入时间输入时间 输入概略船位输入概略船位 设置设置HDOP值，一般置值，一般置10 输入天线高度输入天线高度 设置测地系设置测地系 设置区时设置区时

34、设置各种报警数值设置各种报警数值2、GPS定位：定位：3、GPS卫星跟踪状态显示：卫星跟踪状态显示：可见卫星编号、仰角、方位、可见卫星编号、仰角、方位、所接收的卫星编号与信号强度、导航仪工作状态及所接收的卫星编号与信号强度、导航仪工作状态及DOP值。值。定位分类：定位分类：5、使用使用 GPS 的注意事项的注意事项： （P120）定位显示：定位显示：4、GPS导航仪显示方式：导航仪显示方式：1）标绘显示：航迹标绘、船位、航向、航速等）标绘显示：航迹标绘、船位、航向、航速等2）航路显示：三维意向图、导航数据等）航路显示：三维意向图、导航数据等3）操舵显示：方位标尺、航路点方位和距离等）操舵显示：

35、方位标尺、航路点方位和距离等4）导航数据显示：船位、航向、航速、时间等）导航数据显示：船位、航向、航速、时间等5）用户显示：用户选择的区域）用户显示：用户选择的区域最佳选星原则最佳选星原则 5 85 4 颗或颗或 3 颗颗1）静态定位和动态定位）静态定位和动态定位2）单点定位和相对（差分）定位）单点定位和相对（差分）定位经度、纬度、高度、航迹向、航速等参数经度、纬度、高度、航迹向、航速等参数l(1)GPS(1)GPS卫星导航仪，根据卫星电文定时更新历书。若提供的历书卫星导航仪，根据卫星电文定时更新历书。若提供的历书的时间已隔很久，或定位误差明显偏大，则应按操作步骤清除历书的时间已隔很久，或定位

36、误差明显偏大，则应按操作步骤清除历书及内存，并且进行初始化操作。及内存，并且进行初始化操作。l(2)(2)不同的不同的HDOPHDOP值，有不同的定位精度。若值，有不同的定位精度。若HDOPHDOP的实际值超限，则的实际值超限，则GPSGPS导航中断。当导航中断。当HDOPHDOP太大时，误差有发散趋势。太大时，误差有发散趋势。l(3)(3)当有多颗卫星定位或当有多颗卫星定位或HDOPHDOP、PDOPPDOP超限时，可自动或人工选择超限时，可自动或人工选择GPSGPS星座。最佳选星原则是选择仰角在星座。最佳选星原则是选择仰角在5 5和和8585之间的之间的4 4颗颗(3D)(3D)或或3 3

37、颗颗(2D)GPS(2D)GPS卫星，并且使卫星，并且使GPSGPS卫星和测者所构成的空间几何图形卫星和测者所构成的空间几何图形, ,使使精度几何因子精度几何因子GDOPGDOP值为最小的一组值为最小的一组GPSGPS卫星。卫星。l(4)(4)尽量采用所使用海图的测地系。尽量采用所使用海图的测地系。GPSGPS卫星导航仪自动选择卫星导航仪自动选择WGS- WGS- 8484坐标系。坐标系。l(5)(5)选择合适的运动状态。定点定位时，工作状态置于选择合适的运动状态。定点定位时，工作状态置于“静止静止”；慢速航行时，置于慢速航行时，置于“低状态低状态”；高速航行或摇摆剧烈时，置于；高速航行或摇摆

38、剧烈时，置于“高高动态动态”。工作状态不同，滤波作用各异。工作状态不同，滤波作用各异。l(6)(6)利用卫星状态显示利用卫星状态显示( (例如：信号强度例如：信号强度) )可自动或人工启用或停用可自动或人工启用或停用某颗卫星。某颗卫星。l（7 7）卫星每天约提前）卫星每天约提前4 min4 min经过某一地区上空。经过某一地区上空。 第四节第四节 GPS卫星导航仪定位误差卫星导航仪定位误差一、伪测距误差：一、伪测距误差：1、卫、卫 星星 误误 差：差：2、信、信 号号 传传 播播 误差：误差：3、卫星导航仪误差：、卫星导航仪误差：导航仪通道间误差导航仪通道间误差导航仪噪声导航仪噪声量化误差量化

39、误差电离层折射误差电离层折射误差对流层折射误差对流层折射误差多径效应多径效应星历表误差星历表误差 卫星钟剩余误差卫星钟剩余误差群延迟误差群延迟误差 mPmCAmmPmCA2 .11 .3 4 .04 .04 .6：应应效效径径多多对流层误差：对流层误差：电离层误差：电离层误差：信号传播误差信号传播误差 伪测距误差伪测距误差 时：时：延延群群卫星钟剩余误差：卫星钟剩余误差：差：差：误误表表历历星星差差误误星星卫卫7 .2mm1 .3 ：差差误误化化量量：声声噪噪机机本本通道间偏差：通道间偏差：差差误误仪仪导导卫卫 15.06 .0mPmCAmPmCA24.044.2 mPmCA3 .46 .8

40、多多 径径 效效 应应二、几何误差二、几何误差若测距误差为定值，用户与卫星的空间几何图形不同时，若测距误差为定值，用户与卫星的空间几何图形不同时，定位的误差也不相同。定位的误差也不相同。精度几何因子精度几何因子（GDOP）用来描述用户与卫星的几何关系对定位误差影响的大小。用来描述用户与卫星的几何关系对定位误差影响的大小。443322112222ggggGDOPtzyxGDOP值越小，选用的卫星的几何图形配置越理想，位置和值越小，选用的卫星的几何图形配置越理想，位置和时间的偏差值也越小。时间的偏差值也越小。当当 = 1 时，则：时，则：2222tzyxGDOP22)()(TDOPPDOPGDOP

41、22)()(VDOPHDOPPDOPGDOP 精度几何因子；精度几何因子；PDOP三维位置精度几何因子；三维位置精度几何因子；HDOP水平方向精度几何因子；水平方向精度几何因子； TDOP时钟偏差几何因子；时钟偏差几何因子；VDOP高程精度几何因子高程精度几何因子船上船上 HDOP = 10 时，定位值可用时，定位值可用三、测速误差三、测速误差四、海图标绘误差四、海图标绘误差：大地坐标系不同引入的误差：大地坐标系不同引入的误差水平水平 0.03 0.13 m/s垂直垂直 0.05 0.21 m/sGDOP 同样适用同样适用若若 P 4.3 m HDOP = 1.5 6.5 m 误差误差 CA

42、8.6 m HDOP = 1.5 12.9 m 误差误差误差表达式：误差表达式： 伪测距误差伪测距误差() PDOP=位置误差位置误差 伪测距误差伪测距误差()TDOP时钟误差时钟误差 伪测距误差伪测距误差()VDOP高程误差高程误差 伪测距误差伪测距误差()HDOP水平位置误差水平位置误差 结束第五节第五节 DGPS 卫星导航系统卫星导航系统差分差分GPS（Differential GPS）DGPS 组成：组成： GPS卫星网、基准站、数据链、用户。卫星网、基准站、数据链、用户。lDGPS基准站是位置已知的基准站是位置已知的GPS固定监测站。固定监测站。lDGPS基准站跟踪、测量卫星的伪距、

43、载波相基准站跟踪、测量卫星的伪距、载波相位和差分校正数据，并格式化为标准的信号格位和差分校正数据，并格式化为标准的信号格式播发给用户。式播发给用户。lDGPS基准站用基准站用GPS卫星导航仪定位后，与其卫星导航仪定位后，与其已知位置比较，计算出修正量（伪距或位置修已知位置比较，计算出修正量（伪距或位置修正量），经数据链双向或单向通信，对用户测正量），经数据链双向或单向通信，对用户测量的数据进行修正，使用户获得高精度定位。量的数据进行修正，使用户获得高精度定位。一、一、DGPS基准站基准站l基准站将每颗卫星的伪距修正值、伪距修基准站将每颗卫星的伪距修正值、伪距修正值变化率和星历数据龄期正值变化率

44、和星历数据龄期AODE用上行数用上行数据播发给作用区内的用户，对用户观测伪据播发给作用区内的用户，对用户观测伪距进行修正，求出用户的位置；距进行修正，求出用户的位置；(隐蔽隐蔽,用户用户无限无限) l用户传送选用的卫星和位置数据，由基准用户传送选用的卫星和位置数据，由基准站修正，将修正后的定位数据传输给用户，站修正，将修正后的定位数据传输给用户，求出用户的位置（求出用户的位置（GPS基准站与用户必须同基准站与用户必须同步观测相同的卫星）步观测相同的卫星） 。二、二、DGPS分类分类1. 伪距差分伪距差分（米级）（米级）2. 位置差分位置差分（米级）（米级）3. 相位平滑差分相位平滑差分（亚米级

45、）（亚米级）4. 载波相位差分载波相位差分（厘米级）（厘米级）5. 局域差分局域差分6. 广域和广域增强差分广域和广域增强差分伪距修正值及其变化率（双向）伪距修正值及其变化率（双向）位置修正值及其变化率（双向）位置修正值及其变化率（双向）多普勒计数或载波相位辅助伪距测量多普勒计数或载波相位辅助伪距测量基准站载波相位和坐标送用户处理基准站载波相位和坐标送用户处理若干基准站组成局域网若干基准站组成局域网基准站网和主控台（组合处理）基准站网和主控台（组合处理）局域局域DGPSl局域局域DGPS(Local Area, DGPS)是在局域区是在局域区(150 km)内设置内设置DGPS基准站，将基准站

46、，将DGPS修正修正电文，发送给用户，使用户获得高精度定位。电文，发送给用户，使用户获得高精度定位。l若由若干基准站组成局域差分网，用户用最若由若干基准站组成局域差分网，用户用最近的基准站或者用多个基准站加权差分定位。近的基准站或者用多个基准站加权差分定位。三、三、DGPS数据链数据链 载波频率：无线电信标频率载波频率：无线电信标频率（RTCM 104 推荐）推荐）范围：范围：285 kHz 325 kHz；常用；常用291.5 kHz 318.5 kHz 导航电文：差分校正相关信息导航电文：差分校正相关信息 （P126）格式：格式：与与GPS格式基本相同，区别子帧长度不固定格式基本相同，区别

47、子帧长度不固定我国沿海我国沿海DGPS基准站：基准站： 信息格式：信息格式：RTCM SC-104 电文类型：电文类型：1、3、5、7、9、16 信息速率：信息速率：200 bit/s 发射总功率发射总功率 ：200 W ，其中，其中DGPS为为140 W，RBN为为60 WBeacon Information： Station name Frequency MSK rate Location Transmitting ID Reference station ID Field Strength Operating notes www.csi-黄、渤海黄、渤海海区无线海区无线电指向标及电指向标

48、及差分差分全全球定位系统分布图球定位系统分布图如如 ： DASAN SHAN 38 51 .8N 121 49 .5E RANGE：160 n mile ID：DS BEACON：301 kHz，A1 DGPS：301.5 kHz REF1：602 REF2：603 BRD：601 INF：3,7,9-3,16,59 差分信息调制方式：差分信息调制方式： 采用最小频移键控（采用最小频移键控（MSK） 播发类别：播发类别： 调相单信道数据传输（调相单信道数据传输（G1D） 信号格式：信号格式： RTCM SC-104信号格式标准信号格式标准 差分数据传输率：差分数据传输率： 200波特波特 工作

49、时间：工作时间：昼夜工作昼夜工作四、四、DGPS初始化输入初始化输入1、选择无线电信标信号搜索方式：、选择无线电信标信号搜索方式：INT、EXT、OFF2、选择无线电信标（、选择无线电信标（BEACON）：）：AUTO、MANUAL3、选择无线电信标信号的发射速率和频率：、选择无线电信标信号的发射速率和频率： RATE： 50、100、200 bit/s FREQ：信标台发射频率，如：信标台发射频率，如 301.5 kHz五、五、 DGPS的定位精度的定位精度 DGPS只能消除只能消除和和削弱削弱基准站和用户基准站和用户GPS卫星导航仪卫星导航仪 的的公共测距误差公共测距误差，包括：卫星钟剩余

50、误差、星历表误差、，包括：卫星钟剩余误差、星历表误差、 电离层和对流层折射误差、电离层和对流层折射误差、SA与与AS误差误差 对于对于非公共误差非公共误差：多径效应、导航仪噪声、量化误：多径效应、导航仪噪声、量化误 差、差、 通道间偏差，通道间偏差，DGPS不能消除不能消除和削弱和削弱 DGPS的差分效果随着用户与的差分效果随着用户与DGPS基准站之间的距离基准站之间的距离增大而逐渐变差增大而逐渐变差第六节第六节 GPS 在导航中的应用在导航中的应用一、用一、用GPS卫星导航仪导航卫星导航仪导航1. 航路点（航路点（WAYPOINT）导航）导航2. 定点导航定点导航 3. 航线（航线（ROUT

51、E）导航：）导航：4. 编辑航线：编辑航线：添加、删除等添加、删除等5. 航迹线标绘：航迹线标绘：自动、定时自动、定时第六节第六节 GPS 在导航中的应用在导航中的应用一、用一、用GPS卫星导航仪导航卫星导航仪导航1. 航路点（航路点（WAYPOINT）导航）导航船舶欲到达的地理位置称为航路点船舶欲到达的地理位置称为航路点航路点的作用是：航路点的作用是： A. 编制航线编制航线 B. 作为船舶导航的目标作为船舶导航的目标 先将航路点键入先将航路点键入GPS卫星导航仪，编制好航路点表后卫星导航仪，编制好航路点表后; 再选中一个航路点再选中一个航路点,导航时，导航时，GPS卫星导航仪将引导船卫星导

52、航仪将引导船 舶驶向此航路点。舶驶向此航路点。第六节第六节 GPS 在导航中的应用在导航中的应用一、用一、用GPS卫星导航仪导航卫星导航仪导航2. 定点导航定点导航 （抛锚、丢锚、人落水、特殊事件（抛锚、丢锚、人落水、特殊事件 的位置）的位置） 将船舶将船舶定点位置定点位置键入键入GPS卫星导航仪卫星导航仪; 设定设定偏航界线；偏航界线； 船舶超界时发出船舶超界时发出导航报警导航报警，第六节第六节 GPS 在导航中的应用在导航中的应用一、用一、用GPS卫星导航仪导航卫星导航仪导航3. 航线（航线（ROUTE）导航：）导航：航线设计航线设计：1）用航路点表中的航路点）用航路点表中的航路点 2）用

53、航线菜单上的航路点）用航线菜单上的航路点 3）用游标（简单）用游标（简单） 4）航迹线作为返航航线）航迹线作为返航航线（MARK/MOB人工）人工）实质相同实质相同GPS卫星导航仪存储一组包括起点、中点和终点的坐标值。船舶在航行过程中，逐个驶过各个航路点，显示导航参数，到达目的地，这种导航为：_A.GPS定点导航B.GPS航路点导航C.GPS航线导航第六节第六节 GPS 在导航中的应用在导航中的应用一、用一、用GPS卫星导航仪导航卫星导航仪导航3. 航线（航线（ROUTE）导航：）导航： GPS卫星导航仪存储一组包括起点、中点和终点卫星导航仪存储一组包括起点、中点和终点的坐标值。的坐标值。 船

54、舶在航行过程中，逐个驶过各个航路点，显示船舶在航行过程中，逐个驶过各个航路点，显示导航参数，到达目的地，这种导航为导航参数，到达目的地，这种导航为GPS航线导航航线导航.第六节第六节 GPS 在导航中的应用在导航中的应用一、用一、用GPS卫星导航仪导航卫星导航仪导航3. 航线（航线（ROUTE）导航：）导航：航线设计航线设计：1）用航路点表中的航路点）用航路点表中的航路点 2）用航线菜单上的航路点）用航线菜单上的航路点 3）用游标（简单）用游标（简单） 4）航迹线作为返航航线）航迹线作为返航航线（MARK/MOB人工）人工）实质相同实质相同第六节第六节 GPS 在导航中的应用在导航中的应用一、

55、用一、用GPS卫星导航仪导航卫星导航仪导航4. 编辑航线：编辑航线：添加、删除等添加、删除等 从航路子菜单中，选择航线从航路子菜单中，选择航线-航路点航路点-CHANGE?-命名航路点，在航线上进行命名航路点，在航线上进行置换航路点置换航路点操作。操作。 从航路子菜单中，选择航线从航路子菜单中，选择航线-地点地点-“INSERT?”-航路点，在航线上进行航路点，在航线上进行插入航插入航路点路点操作操作第六节第六节 GPS 在导航中的应用在导航中的应用一、用一、用GPS卫星导航仪导航卫星导航仪导航4. 编辑航线：编辑航线：添加、删除等添加、删除等 从航路子菜单中，选择航线从航路子菜单中，选择航线

56、-“CMNT”-注入注释，在航线上进行注入注释，在航线上进行改变改变航线注释航线注释(名称名称)操作操作 从航路子菜单中，选择航线从航路子菜单中，选择航线-航路点航路点-SKIP? -航路点，在航线上进行航路点，在航线上进行临时从航线中临时从航线中删除航路点删除航路点操作操作第六节第六节 GPS 在导航中的应用在导航中的应用一、用一、用GPS卫星导航仪导航卫星导航仪导航5. 航迹线标绘：航迹线标绘：自动、定时自动、定时 GPS卫星导航仪进行航迹线标绘时，采样卫星导航仪进行航迹线标绘时，采样航迹点主要用来航迹点主要用来: A. 绘画航迹线绘画航迹线(计算机下载航迹线计算机下载航迹线) B. 用于

57、设计返航航线用于设计返航航线二、用二、用GPS卫星导航仪报警卫星导航仪报警到达警、锚更警、偏航警、速度警、到达警、锚更警、偏航警、速度警、 DGPS警、警、 时间警和距离警时间警和距离警DGPS信标信号丢失信标信号丢失报警类型：报警类型：短、长、固定短、长、固定 设置报警的种类和报警范围（报警的半径、设置报警的种类和报警范围（报警的半径、报警带的宽度及限定的时间等）报警带的宽度及限定的时间等） 。 报警时，用字符、音响和视觉示警。报警时，用字符、音响和视觉示警。三、用三、用GPS卫星导航仪标绘卫星导航仪标绘四、用四、用GPS卫星导航仪计算方位与距离卫星导航仪计算方位与距离1. 缩放图象缩放图象

58、2. 游标状态和数据游标状态和数据3. 移动显示移动显示4. 改变航迹标绘间隔、停止标绘改变航迹标绘间隔、停止标绘5. 删去航迹删去航迹6. 方位基准方位基准1. 两航路点之间两航路点之间2. 始点和终点之间始点和终点之间的距离、方位、预计航行时间和到达时间的距离、方位、预计航行时间和到达时间真北（真北（TRUE）：电罗经；经纬度补偿）：电罗经；经纬度补偿磁北（磁北（MAG）：磁罗经；磁差补偿（自动、手动）：磁罗经；磁差补偿（自动、手动）第七节第七节 GPS 在测量中的应用在测量中的应用一、一、 GPS用于船舶等载体的姿态测定用于船舶等载体的姿态测定1. 载体姿态的确定载体姿态的确定载体坐标系

59、相对于地平坐标系之载体坐标系相对于地平坐标系之间的空间取向，即为间的空间取向，即为载体姿态载体姿态。航向角航向角横摇角横摇角纵摇角纵摇角首向首向OXYZ第七节第七节 GPS 在测量中的应用在测量中的应用一、一、 GPS用于船舶等载体的姿态测定用于船舶等载体的姿态测定1. 载体姿态的确定载体姿态的确定利用三副利用三副GPS天线构成两条独天线构成两条独立基线，通过立基线，通过 6 个观测方程可个观测方程可求解载体姿态。求解载体姿态。O第七节第七节 GPS 在测量中的应用在测量中的应用O一、一、 GPS用于船舶等载体的姿态测定用于船舶等载体的姿态测定 载体姿态测量精度与基线载体姿态测量精度与基线测量

60、精度及基线长度成正向关测量精度及基线长度成正向关系。系。 基线越长，基线长度测定基线越长，基线长度测定精度越高，求解姿态角精度越精度越高，求解姿态角精度越高高但基线越长，相位模糊度也越大。但基线越长，相位模糊度也越大。 GPS/DGPS罗经是一种以罗经是一种以GPS/DGPS为基准的罗经，能提供为基准的罗经，能提供 GPS/DGPS定位、定位、导航信息及航向信息导航信息及航向信息 GPS罗经与罗经与DGPS罗经的性能不受航速、罗经的性能不受航速、航向、纬度以及地磁等变化的影响航向、纬度以及地磁等变化的影响2. GPS/DGPS 罗经罗经2. GPS/DGPS 罗经罗经 3 个个GPS天线天线单