GPS全球定位系统

§10-2GPS

全球定位系统2008版浙江省精品课程宁大海运学院一、GPS的系统组成GPS系统由三部分组成：地面监控部分空间部分用户设备部分2008版浙江省精品课程宁大海运学院

GPS的地面监控部分，目前由分布在全球的5个地面站组成，其中包括：卫星监测站、主控站和信息注入站。1．地面监控部分GPS卫星注入站监测站主控站2008版浙江省精品课程宁大海运学院主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋地面监控部分

（GroundSegment）分布2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS的地面监控部分监测站（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。2008版浙江省精品课程宁大海运学院2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS的地面监控部分主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS的地面监控部分注入站（3个）作用：为主控站和卫星之间提供接口关系，每隔8小时向卫星发送一次，以便卫星向用户设备转发导航信息。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）2008版浙江省精品课程宁大海运学院2．空中卫星群由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成等间隔分布在6个轨道平面，轨道倾角55°，两个轨道在经度上相隔60°，每一轨道面上有4颗卫星。星座的分布确保在地球上任何一个地点任何时间，都有至少4颗有效卫星（仰角7.5°以上）卫星的高度约20183KM的近圆轨道，周期11h58m，每天2圈。卫星经过同一地点的时间，每天约要提前4分钟；卫星上装备：铯原子钟、导航电文存贮器、伪随机码发生器、信号调制器、接收机和发射机等。原子钟：提供定时基准；接收机：接收导航信息：卫星星历、卫星时钟校正参数、电离层校正参数等发射机：L1波段（1575。42MHz）、L2波段（1227。6MHz）伪随机噪声码发生器：产生伪随机噪声码卫星发射卫星分布GPS卫星2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS的空间部分GPS的空间部分的组成GPS卫星星座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）2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS的空间部分GPS卫星星座设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：28颗2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS的空间部分GPS卫星的地面轨迹2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS的空间部分GPS卫星

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（采用双相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。

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

2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS卫星-----类型试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡBlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（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BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率GPS的空间部分2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS的空间部分BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的GPS卫星2008版浙江省精品课程宁大海运学院

3．用户设备接收卫星发射的时间信号和卫星轨道信息，求得卫星位置，利用时间信号和伪码相关测量卫星到测者的伪距，并由计算机解算用户的位置、速度等参数。GPS用户设备主要指GPS接收机，也指与其它设备组合应用的组合设备、传感器。GPS接收机的分类：1）按用途分类：军用、民用、导航、授时、测地；2）按载体分类：船载、舰载、机载、车载、背负和手提等；3）按性能分类：X型接收机、Y型接收机、Z型接收机；4）按工作模式分类：单点定位、相对定位、差分定位。2008版浙江省精品课程宁大海运学院GPS的用户部分组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备2008版浙江省精品课程宁大海运学院2008版浙江省精品课程宁大海运学院二、伪随机噪声码

（PseudoRandomNoise——PRN）

1．伪随机噪声码是一个序列是一种可以预先确定并可重复产生，又具有白噪声所具有的良好的自相关特性的二进制码元序列。GPS技术采用m序列（即最长线性反馈移位寄存器序列）产生伪随机噪声码。伪随机噪声码的作用：1）通信加密：2）利用无线电信号测距、测量延迟：提高作用距离、能量大、用小天线即可接收2008版浙江省精品课程宁大海运学院

2．C/A码

（CoarseandAcquisitionCode）是一种低速、短周期的伪随机二进制序列码；是用于粗测和捕获的伪随机码，不保密。C/A码的码率为1.023MHz

，周期为1ms。周期短，易跟踪锁定，具有协助获得P码的作用。2008版浙江省精品课程宁大海运学院

3．P码

（PreciseCode）是一种连续、快速、长周期的伪随机二进制序列码；P码的码率为10.23MHz，周期为7天。（每星期六午夜1200UTC更新）用于搜索卫星信号进行精测距，是供美军及特许用户使用的保密码。每颗卫星的P码不同。不能直接对P码进行一周期相关处理。一般先捕获C/A码，然后根据导航电文给出的有关信息，用局部相关的方法捕获P码。2008版浙江省精品课程宁大海运学院

4．C/A码和P码技术的优点1）抗干扰性好2）用码分多址识别卫星3）保密4）精确测时和测距2008版浙江省精品课程宁大海运学院三、GPS卫星导航定位原理

1．GPS是一种测距定位系统（注意：不是测距离差）利用伪随机噪声码测定高轨卫星信号的传播延时，测出用户到3颗卫星的距离，以卫星为球心，以卫星到用户的距离为半径的三个球面，其交点就是用户的三维空间位置。示意图2008版浙江省精品课程宁大海运学院

2．测距定位原理

卫星钟是精密的原子钟，用户钟是精度较差的石英钟，二者有钟差，故用户测得的传播延时及对应的距离，并非真正的距离，称伪距离。伪距离表达式：当用户设备接收四颗卫星的信号时，可获得四个伪距离表达式；定位采用直角坐标系进行计算：坐标原点——地球球心；x轴——指向格林尼治子午线；z轴——指向北极；y轴——与x轴、z轴组成右手直角坐标系2008版浙江省精品课程宁大海运学院2．测距定位原理卫星位置和卫星钟偏差由解调卫星电文并通过计算获得；电波传播延迟误差用双频测量法修正；伪距由接收机测定。观测点位置和钟差为方程组成的4个未知数，通过解方程组获得。只需测量至3颗卫星的伪距，就可确定二维位置和用户钟差。2008版浙江省精品课程宁大海运学院3．测速原理通过对卫星信号的多普勒频移的测量，列出四颗卫星距离变化率方程。按照类似于解用户位置和钟差的方程式。根据已测定的伪距和解得的用户真实位置，可求得用户三维速度和用户钟差的变化率。2008版浙江省精品课程宁大海运学院

4．定位计算通常采用迭代计算法。定位计算过程：1）根据其内存存贮的GPS历书，计算卫星的概位；2）根据推算船位、时间等选择卫星，搜捕卫星，收集历书；3）根据微处理器提供的估计多普勒频移及指令捕捉卫星；4）根据所接收的星历计算、测定伪距离、速度等。2008版浙江省精品课程宁大海运学院四、GPS定位误差

1．伪距测量误差

1）卫星误差星钟误差:3.1m星历误差:2.7m群延迟误差

2）信号传播异常电离层延迟误差:6.4m对流层延迟误差:0.4m多路径效应:3.1m

3）卫星导航仪误差接收机噪声与量化误差:2.44m接收机通道间偏差:0.6m2008版浙江省精品课程宁大海运学院

2．几何精度误差在测距误差一定时,观测点相对于所用卫星的几何图形不同,定位误差的大小不相同。衡量卫星几何位置的好坏，利用几何精度系数GDOP。GDOP表示用户与卫星间的几何关系对定位误差影响的大小，其表达式为：GDOP越小，选用的卫星配置越理想，定位精度越高。PDOP——三维位置几何精度系数HDOP——水平位置几何精度系数——航海上常用VDOP——垂直方向几何精度系数TDOP——时间偏差精度系数2008版浙江省精品课程宁大海运学院2．几何精度误差为了取得精确的定位效果，选星时总是使GDOP尽可能减小，导航仪通常采用：1）最佳GDOP法：从仰角5度以上的卫星中取4颗的全部组合，分别计算GDOP值，取GDOP最小的一组星座进行定位。2）次优GDOP法：从能收到的卫星中先选三颗，它们的斜距具有最大的垂直分量、北向分量和东向分量，然后再选一颗卫星使GDOP最小。3）最大矢端四面体法：以测者为中心作为单位球，仰角5度以上的卫星在球面投影中，一个在天顶方向，再选其它三颗卫星，以四颗星的投影点为顶点组成一四面体。当该四面体体积最大时，这四颗卫星的GDOP最小。2008版浙江省精品课程宁大海运学院

3．速度测量误差导航仪的动态特性将会影响速度测量。

4．海图标绘误差海图与GPS导航仪（WGS—84）采用了不同的大地坐标系，使得标绘产生误差。

5．美国的SA政