GS全球定位系统认识和设备使用概论

项目四GPS全球定位系统认识和设备使用任务一、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（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem，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验系统建设工作。2012年12月27日，北斗卫星导航系统已正式提供区域服务，（一）全球定位系统简介（二） GPS系统的组成图4-1-1GPS系统组成 1）GPS卫星星座和GPS卫星

图4-1-2BlockI卫星图4-1-3BlockII卫星1．GPS卫星星座和GPS卫星图4-1-4BlockIIA卫星图4-1-5BlockIIR卫星图4-1-6GPS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BlockI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BlockI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BlockII：与试验卫星BlockI相比BlockII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BlockII卫星于2007年3月15日退役。BlockIIA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BlockII系列卫星基本相同。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。BlockIIR系列，R代表replenishment（补充）。目前有12颗成功发射。BlockIIR-M系列卫星是BlockIIR系列的升级版，M代表modernized（现代化的）。BlockIIF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，如调整卫星的姿态、启用备用时钟或启用备用卫星等。GPS卫星星的测测距码码信号号GPS卫星星发射射两种种测距距码信信号，，即C/A码和和P码码，两两者都都是伪伪随机机噪声声码C/A码有有如下下2个个特点点：1)C/A码码的码码长很很短，，易于于捕获获。2)C/A码码的码码元宽宽度较较大。。GPS卫星星的导导航电电文GPS卫星星的导导航电电文主主要包包括：：卫星星星历历、时时钟改改正、、电离离层时时延改改正、、卫星星工作作状态态信息息以及及由C/A码捕捕获P码的的信息息。导导航电电文同同样以以二进进制码码的形形式播播送给给用户户，因因此又又叫数数据码码，或或称D码。。GPS卫星星星历历GPS系统统通过过两种种方式式向用用户提提供卫卫星星星历，，一种种方式式是通通过导导航电电文中中的数数据块块Ⅱ直直接发发射给给用户户接收收机，，通常常称为为预报报星历历；另另一种种方式式是由由GPS系系统的的地面面监控控站，，通过过磁带带、网网络、、电传传向用用户提提供。。称为为后处处理星星历。。2.地面监监控系系统图4-1-7地面监监控3.GPS用户接接收机机图4-1-8GPS接收机机原理理图4.GPS定位方方法分分类1)静态定定位和和动态态定位位如果在在定位位过程程中，，用户户接收收机天天线处处于静静止状状态，，或者者更明明确地地说。。待定定点在在协议议地球球坐标标系中中的位位置，，被认认为是是固定定不动动的，，那么么确定定这些些待定定点位位置的的定位位测量量就称称为静静态定定位。。相反，，如果果在定定位过过程中中，用用户接接收机机天线线处在在运动动状态态，这这时待待定点点位置置将随随时间间变化化。确确定这这些运运动着着的待待定点点的位位置，，称为为动态态定位位。2)绝对定位和和相对定位位根据参考点点的不同位位置，GPS定位测测量又可分分为绝对定定位和相对对定位。绝绝对定位是是以地球质质心为参考考点，测定定接收机天天线(即待待定点)在在协议地球球坐标系中中的绝对位位置。由于于定位作业业仅需使用用一台接收收机，所以以又称为单单点定位。。如果选择地面面某个固定点点为参考点，，确定接收机机天线相位中中心相对参考考点的位置，，则称为相对对定位。5.GPS静态定位原理理图4-1-9GPS静态定位原理理6.GPS动态定位原理理GPS动态测量是利利用GPS卫星定位系统统实时测量物物体的连续运运动状态参数数。如果所求求的状态参数数仅仅是三维维坐标参数，，就称为GPS动态定位。如如果所求的状状态参数不仅仅包括三维坐坐标参数，还还包含物体运运动的三维速速度，以及时时问和方位等等参数，这样样动态测量就就称为导航。。7.GPS定位的误差来来源及对策1)与GPS卫星星有关的误差差卫星星历误差差卫星星历误差差是指卫星星星历给出的卫卫星空间位置置与卫星实际际位置间的偏偏差，由于卫卫星空间位置置是由地面监监控系统根据据卫星测轨结结果计算求得得的，所以又又称为卫星的的轨道误差。。卫星钟差所谓时钟误差差是指卫星钟钟误差，以及及接收机钟误误差。2)卫星信号传播播误差卫星信号传播播误差包括：：信号穿过地地球上空电离离层和对流层层时所产生的的误差，以及及信号到达地地面时产生反反射信号而引引起的多路径径干扰误差。。电离层传播误误差电离层是指地地球上空50～1000km之间的的大气层。对流层传播误误差从地面起向上上到距地面40km的大大气层称为对对流层。多路径效应影影响所谓多路径效效应，是指接接收机天线除除直接收到卫卫星的信号外外，尚可能收收到经天线周周围物体反射射的卫星信号号，两种信号号叠加将会引引起天线相位位中心位置的的变化。3)与接收设备有有关的误差在GPS定位位测量中，与与用户接收设设备有关的误误差主要包括括：观测误差差、接收机钟钟差、天线相相位中心偏移移误差。4)其它误差来源源在GPS定位位中，除了上上述各种误差差外，卫星钟钟和接收机钟钟震荡器的随随机误差、大大气折射模型型和卫星轨道道摄动模型误误差、地球潮潮汐以及信号号传播的相对对论效应等都都会对观测量量产生影响。。1.GLONASS系统的的组成GLONASS系统同样由卫星、地面测控站和用户设备三三部分组成，，目前的系统统由21颗工作星和3颗备份星组成成，分布于3个轨道平面上上，每个轨道道面有8颗卫星，轨道道高度1万9000公里，运行周周期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有以下几点不不同之处：卫星发射频率率不同。坐标系不同。。时间标准不同同。北斗卫星导航航系统（BeiDou(COMPASS)NavigationSatelliteSystem）包括北斗一一号和北斗二二号两代系统统，是中国研研发的卫星导导航系统。北北斗一号是一一个已投入使使用的区域性性卫星导航系系统，北斗二二号则是一个个正在建设中中的全球卫星星导航系统。。北斗卫星导导航系统和美美国GPS、俄罗斯GLONASS系统、欧盟Galileo定位系统被联联合国一起确确认为全球四四个卫星导航航系统核心供供应商。（四） 北斗斗卫星导航系系统1.北斗一号卫星星导航系统工工作原理由中心控制系系统向卫星I和卫星II同时发送询问问信号，经卫卫星转发器向服务区内的的用户广播。。用户响应其其中一颗卫星星的询问信号号，并同时向向两颗卫星发发送响应信号号，经卫星转转发回中心控控制系统。中中心控制系统统接收并解调调用户发来的的信号，然后后根据用户的的申请服务内内容进行相应应的数据处理理。对定位申请，，中心控制系系统测出两个个时间延迟：：即从中心控控制系统发出出询问信号，，经某一颗卫卫星转发到达达用户，用户户发出定位响响应信号，经经同一颗卫星星转发回中心心控制系统的的延迟；和从从中心控制发发出询问信号号，经上述同同一卫星到达达用户，用户户发出响应信信号，经另一一颗卫星转发发回中心控制制系统的延迟迟。由于中心控制制系统和两颗颗卫星的位置置均是已知的的，因此由上上面两个延迟迟量可以算出出用户到第一一颗卫星的距离，以及用户到到两颗卫星距距离之和，从从而知道用户户处于一个以以第一颗卫星星为球心的一一个球面，和和以两颗卫星星为焦点的椭椭球面之间的的交线上。另外中心心控制系统从从存储在计算机内的数字化地地形图查寻到到用户高程值值，又可知道道用户处于某某一与地球基基准椭球面平平行的椭球面面上。从而中中心控制系统统可最终计算算出用户所在在点的三维坐标，这个坐标经经加密由出站站信号发送给给用户。2.北斗斗一一号号与与GPS系统统比比较较覆盖盖范范围围：：卫星星数数量量和和轨轨道道特特性性：：定位位原原理理：：定位位精精度度：：用户户容容量量：：生存存能能力力：：实时时性性:3．北北斗斗二二号号和和未未来来发发展展2020年左左右右，，建建成成覆覆盖盖全全球球的的北北斗斗卫卫星星导导航航系系统统。。正在在建建设设的的北北斗斗二二号号卫卫星星导导航航系系统统空空间间段段将将由由5颗静静止止轨轨道道卫卫星星和和30颗非非静静止止轨轨道道卫卫星星组组成成，，提提供供开开放放服服务务和和授授权权服服务务。。1.Galileo卫卫星星星星座座计划划中中的的Galileo卫星星星星座座由由30颗工工作作卫卫星星组组成成，，还还有有3颗卫星为备备用卫星，，轨道高度度为23222km，轨道倾角角为56°，卫星运行行周期为14h4min。系统提供供全球连续续覆盖，地地面最多可可见卫星数数达13颗。每颗卫卫星(包括卫星平平台、导航航载荷和搜搜救载荷等等)的在轨重重量约为为650kg，设计寿寿命20年。（五）Galileo系统2.Galileo系统服务务方式Galileo系统将提提供5种基本的的服务方方式：开放服务（OS）：商业服务（CS）：生命安全服务务（SoL）：公共管理服务务（PRS）：搜救服务（SAR）：与现有市场上上的GPS导航车载终端端相比较，采采用北斗/GPS导航的智能车车载终端具有有以下优势：：1)北斗导航系统统同时具备定定位与通讯功功能，不需要要其他通讯系系统支持。而而GPS只能定位。2)北斗导航系统统覆盖范围大大，没有通讯讯盲区。北斗斗导航系统覆覆盖了中国及及周边国家和和地区，不仅仅可为中国、、也可为周边边国家服务。。3)北斗导航系统统特别适合于于集团用户大大范围监控管管理和数据采采集用户数据据传输应用。。4)北斗导航系统统融合北斗导导航定位系统统和卫星增强强系统两大资资源，与GPS定位相结合后后，应用更加加丰富。5)北斗导航系统统自主系统，，安全、可靠靠、稳定，保保密性强，适适合国防、军军工等保密部部门应用，同同时也适合在在交通运输、、测绘等国家家战略产业中中应用。（六） 北斗斗系统在智能能车载终端的的应用任务一、认识识GPS系统统的组成二、复习与思思考1、GPS有哪几个组成成部分？简述述每个部分的的具体内容及及其功能。2、GPS定位的基本原原理如何？3、试写出测码码伪距观测方方程和测相伪伪距观测方程程并说明各符符号的实际意意义。4、GPS误差影响的因因素有哪些？？5、简述北斗一一号导航系统统的工作原理理。任务二、用GPS模块进进行定位一、任务内容容（一）硬件连连接图4-2-1RS232与GPS模块连接图4-2-2天线位置图4-2-3连接好的GPS模块1.打开u-center软件（二）软件设设置图4-2-4打开u-center软件位置图4-2-5u-center软件界面2.参数设置置图4-2-6串口号与波特特率的设置3.接收定位信号号图4-2-7定位信号接收收中4.定位路径的录录制与轨迹回回放图4-2-8按下录制键图4-2-11保存过程图4-2-12按下停止键图4-2-13按下播放键图4-2-15播放录制好的的轨迹定位成功，则则可在u-center软件界面上看看见接收到的的卫星的颗数数，位置的经经纬度、高度度及速度。如果定位不成成功，最大可可能接收卫星星的信号不好好。可按照以下步步骤逐一检查查排除故障：：硬件接线检查查：首先检查查天线的信号号是否良好，，可把天线伸伸出窗外，其其次检查模块块设备串口端端口是否连接接正确。软件设置检查查：模块端口口参数波特率率是否设置正正确，特别是是使用哪个串串口要设置好好。以上均检查无无异，则可见见实训结果。。（三）实训结结果任务二、用GPS模块进进行定位二、相关知识识图4-2-16u-center软件界面图4-2-21具体意义解释释图4-2-22不同工作界面面选择按钮任务二、用GPS模块进进行定位三、复习与思思考如果定位信号号很不好，如如何查询故障障原因？任务三、在地地图上添加GPS模块定位数据据一、任务内容容用RS232串口将GPS终端模块与计计算机连接。。将模块上的天天线与电源连连接好。注意意天线位置调调整到信号接接收比较强的的位置（一般般要靠近窗口口位置，不要要有高大建筑筑物遮挡）。。通电，打开计计算机。（一）硬件连连接（二）软件设设置图4-3-4打开地图图4-3-6地图导入图4-3-8选择MCF文件图4-3-9文件修改图4-3-10显示添加数据据的位置4.误差分析图4-3-11误差点显示图4-3-12误差分析数据添加成功功，则可在相相应地图上看看见添加的点点。如果添加不成成功，则重新新检查程序是是否正确。可按照以下步步骤逐一检查查排除故障：：修改的程序是是否与显示地地图的文件扩扩展名前名称称一致。程序修修改是是否在在英文文状态态下进进行，，特别别是标标点符符号注注意要要在英英文状状态下下。程序语语法是是否正正确。。以上均均检查查无异异，则则可见见实训训结果果。（三））实训训结果果任务三三、GPS模块块定位位数据据使用用二、相相关知知识1．GPS接收机机的基基本结结构GPS接收机机主要要由GPS接收机机天线线单元元、GPS接收机机主机机单元元和电电源三三部组组成。。天线线单元元的主主要功功能是是将GPS卫星信信号非非常微微弱的的电磁磁波转转化为为电流流，并并对这这种信信号电电流进进行放放大和和变频频处理理。而而接收收机单单元的的主要要功能能是对对经过过放大大和变变频处处理的的信号号电源源进行行跟踪踪、处处理和和测量量。（一））GPS接接收机机的结结构原原理2．天线线单元元天线单单元由由接收收天线线和前前置放放大器器两个个部件件组成成。其其基本本功能能，是是接收收GPS卫星信信号，，并把把卫星星信号号的能能量转转化为为相应应的电电流量量，经经过前前置放放大器器，将将微弱弱的GPS信号电电流予予以放放大，，送入入频率率变换换器进进行频频率变变换，，以便便接收收机对对信号号进行行跟踪踪和量量测。。金属反射器滤波放大器金属底板介质接口连接器单极天线带扼流流圈天天线锥形天天线3．接收收单元元GPS信号接接收机机的接接收单单元主主要由由信号号通道道单元元、存存储单单元、、计算算和显显示控控制单单元、、电源源等四四个部部分组组成。。根据不不同的的观测测点，，GPS接收机机有多多种不不同的的分类类。1、按接接收机机的用用途分分类根据接接收机机的用用途，，可分分为导导航型型、测测量型型和授授时型型接收收机。。2、按接接收机机接收收的卫卫星信信号分分类接收机机所接接收的的卫星星信号号的频频率，，可分分为码码相位位接收收机、、单频频接收收机(L1)、双频频接收收机(L1,L2)和信标标接收收机。。（二））GPS接接收机机分类类3、按接接收机机的通通道数数分类类根据接接收机机信号号通道道的类类型，，可分分为多多通道道接收收机、、序贯贯通道道接收收机和和多路路复用用通道道接收收机。。4、按接接收卫卫星系系统分分类（1）单星星系统统（2）双星星系统统（3）多星星系统统5、按接接收机机的作作业模模式分分类（1）静态态接收收机（2）动态态接收收机6、按接接收机机的结结构分分类（1）分体体式接接收机机（2）整体体式接接收机机（3）手持持式接接收机机7、按接接收机机的工工作原原理分分类根据接接收机机的工工作原原理可可分为为码相相关型型接收收机、、平方方型接接收机机和混混合型型接收收机。。任务三三、GPS模块块定位位数据据使用用三、复复习与与思考考1.如果定定位数数据添添加不不成功功，如如何检检查程程序问问题？？2.试述GPS接收机机的结结构原原理。。3.GPS接收机机包括括哪两两大部部分?各有什什么主主要功功能?4.GPS接收机机是如如何分分类的的?9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。22:06:3122:06:3122:0612/7/202210:06:31PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2222:06:3122:06Dec-2207-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。22:06:3122:06:3122:06Wednesday,December7,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2222:06:3122:06:31December7,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。07十二月月202210:06:31下午午22:06:3112月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月2210:06下下午12月月-2222:06December7,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/722:06:3122:06:3107December202217、做做前前，，能能够够环环视视四四周周；；做做时时，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿着着以以脚脚为为起起点点的的射射线线向向前前。。。。10:06:31下下午午10:06下下午午22:06:3112月月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Wednesday,December7,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。22:06:3122:06:3122:0612/7/202210:06:31PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2222:06:3122:06Dec-2207-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。22:06:3122:06:3122:06Wednesday,December7,202213、不知知香积积寺，，数里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2222:06:3122:06:31December7,202214、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。07十十二月202210:06:31下下午22:06:3112月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九九派派通通。。。。。十二二月月2210:06下