大连海事大学航海仪器GPS小结

大连海事大学航海仪器GPS小结第1页/共40页★GPS定位精度：

P码——1m；CA码——20~30mCA码定位精度受SA和AS政策影响。★GPS特点：

全球、全天候、高精度、连续、近于实时的三维

定位与导航功能。1.GPS卫星导航系统（美国）★GPS卫星：

24（21+3）颗高轨卫星，分布在6个轨道面内，轨道倾角约55度，双频发射，全球范围内可视性良好。第2页/共40页2.GLONASS卫星导航系统（前苏联）★GLONASS定位精度：

P码——1m；CA

码——20~30m

无任何政策影响，不限制民用。★GLONASS特点：全球、全天候、高精度、连续、近于实时的三维

定位与导航功能。★GLONASS卫星：

25（24+1）颗中轨卫星，分布3个轨道面，轨道倾角约64度，双频发射，全球范围内可视性良好。第3页/共40页3.北斗星卫星导航系统（中国）★2000年发射2颗地球静止卫星（CEO），

2003年6月正式运营。★特点：

双星有源、区域性定位导航系统。★北斗卫星：

2+1颗地球同步轨道（36000km）卫星。★定位精度：

优于20m第4页/共40页优点：(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。(2)覆盖效率高：只要有少数几颗卫星就可覆盖全球。(3)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。(4)全天候导航：卫星导航不受气象及时间限制。(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。(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。(7)接收效果好：卫星发射的平均功率小。(8)系统功能多：(定位、导航、通信、识别、授时)抗干扰，保密性强。(9)卫星导航仪体积小、重量轻、操作简便，减轻工作强度。缺点：(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，需地面站精确测定卫星的轨道参数和精确地预报。(11)地面工程庞大，设备昂贵，维修费用高，卫星寿命短，有些卫星导航系统不能连续、实时导航定位或只能区域导航定位。(12)卫星导航系统还不能为水下运载体提供导航。(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：（P112）第5页/共40页3.卫星的地心直角坐标系GPS采用WGS84

坐标系格林经线零度S（x,y,z）Oxzy东90度GPS定位计算时必须进行坐标系的转换。（WGS84坐标系转换成地理坐标系）第6页/共40页H4.卫星覆盖区OROH卫星R观测者卫星由于对流层影响，若考虑卫星的最小仰角，则其覆盖区将变小。若卫星的高度越高、最小仰角越小，则卫星的覆盖区越大。cosθ=——R（R+H）第7页/共40页第二节GPS导航系统设置一、GPS地面站1.跟踪站：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；所测伪距1.5s更新一次，电离层气象数据

15min平滑一次。2.主控站：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。3.注入站：地面站或地面天线，将导航信息送给卫星。第8页/共40页二、GPS导航卫星网1.GPS导航卫星☆24（21+3）颗高轨20183km）卫星，分布在6个轨道面上，轨道倾角约55度，地平线

7.5度以上至少可以看到4颗，地平线上至少看到5颗，最多

11颗；运行周期约11h58m

（717.88m），约12h。☆双频发射：

L1波段（1575.42MHz），

P码、CA码和导航数据调制；

L2波段（1227.60MHz），

P码和导航数据调制；以后增加L5（1176MHz）☆电源：太阳能、镉镍电池☆卫星钟：原子钟1980.1.6.☆微处理器、存储器、收发机、监测传感器、应急通信转发器、30度波束圆极化天线第9页/共40页2.GPS卫星导航电文1）P码和CA码CA码：低速、短周期的伪随机二进制序列码，（1.023MHz、1ms），测距精度低，协助捕获P码P码：快速、长周期的伪随机二进制序列码，（10.23MHz、7day），测距精度高，难于捕获优点:a.抗干扰

CA（P）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CA（P）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。b.码分多址识别：CA码：1025种；P码：1444种c.伪码加密

GPS数据经过CA（P）码扩频发射，又需经解扩提取d.精确测距第10页/共40页2）GPS卫星导航电文（导航信息）a.卫星导航电文的内容卫星原子钟的校正参量、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。b.卫星导航电文的传输过程导航数据码（电文）50HZCA码、P码调制L1（或L2）载波调制发射计算卫星位置识别卫星、测量信号传播时间运载并发射信号第11页/共40页c.卫星导航电文的接收过程L1（或L2）高频信号本机CA码或P码（相关输出）解调（滤波）导航数据（电文）50Hz可同时测伪距可计算出卫星的位置第12页/共40页TLMHOW数据块I（卫星钟校正）

TLMHOW数据块II（星历）

TLMHOW数据块II（星历）

TLMHOW数据块III（历书）

TLMHOW数据块III（历书）þýüþýü本星þýü更新

/h

所有星更新/注入后6s，10字，30码/字子帧30s50字1500码d.卫星导航电文的结构54123214365871096s0.6s0.02s30s1帧＝5个子帧1个子帧＝10个字1个字＝30bit4、5子帧分25页1、2、3子帧全相同历书完整历书帧结构12.5min第13页/共40页三、GPS的定位原理用户地面站卫星1.定位原理GPS属球面导航系统卫星的位置根据卫星历书计算可得(x,y,z)用户连续测到3颗卫星的距离，即可得到三个球面，其交点即为用户的位置第14页/共40页2.伪测距由于卫星钟误差、用户钟误差、信号传播误差（电离层折射误差和对流层折射误差）等的影响，GPS接收机测得的用户到卫星的距离不是真实距离，称为伪距离。用户到第i颗卫星的真实距离:：X、Y、Z及Xsi、Ysi、Zsi分别是用户和卫星在空间三维坐标。第15页/共40页三维定位需选四颗卫星第16页/共40页★伪测距伪测距即为测量伪距，GPS通常采用伪码法进行测距。伪码法：又称码相关法，即用户设备产生一组与卫星相同的伪码，二者进行比相，求得用户到卫星的伪距离的方法。伪距测量示意图：t全“1”状态发射伪码全“1”状态t收到的带噪声伪码t本地跟踪伪码tττ第17页/共40页3.定位计算1）导航仪根据其内存储的GPS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、精度几何因子数值选择仰角≥5°、几何配置最好的4颗或3颗卫星3）导航仪对GPS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；4）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，计算出用户的位置第18页/共40页第三节GPS卫星导航仪一、GPS接收机框图原理CA码、单频GPS接收机变频与中放相关检测伪码、载波跟踪锁相环路数据检测伪码与多普勒频率测量微处理器第19页/共40页二、CA码单频GPS接收机的主要技术性能和功能1.主要技术指标（P118）2.主要功能1）显示定位和导航数据2）设置参数：HDOP等3）位置更新约1s，导航数据更新3~5s4）显示卫星信息：编号、仰角等5）存储、设计航线和航路点6）报警功能：偏航、锚位监视、故障等7）接口：输入输出第20页/共40页三、GPS接收机的安装（P118）①>0.5m②>1m③>4m④>1.5m⑨>3m⑩>5m⑤避开雷达波束（30或40

）⑥>1m⑦距离视钢柱直径⑧大小而定（若⑧≤10cm,则>1.5m；若⑧≥30cm，则>3m）第21页/共40页四、GPS接收机的操作方法1.启动的方法1）日常启动:日常的关机后的启动称为日常启动。

2）热启动:船位变化不大于100英里或3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。

3）冷启动冷启动的初始化输入：①输入时间②输入概略船位③设置HDOP值，一般置10④输入天线高度⑤设置测地系⑥设置区时⑦设置各种报警数值第22页/共40页2.GPS定位：3.GPS卫星跟踪状态显示：定位分类：5.使用GPS的注意事项：（P120）定位显示：4.GPS导航仪显示方式：1）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3）操舵显示：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5）用户显示：用户选择的区域最佳选星原则5~854颗或3颗1）静态定位和动态定位2）单点定位和相对（差分）定位经度、纬度、高度、航迹向、航速等参数第23页/共40页第四节GPS卫星导航仪定位误差一、伪测距误差：1.卫星误差：2.信号传播误差：3.卫星导航仪误差：导航仪通道间误差导航仪噪声量化误差电离层折射误差对流层折射误差多径效应星历表误差卫星钟剩余误差群延迟误差第24页/共40页二、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，定位的误差也不相同。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。GDOP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。第25页/共40页当

δ=1

时，则：GDOP——

精度几何因子；PDOP——三维位置精度几何因子；HDOP——水平方向精度几何因子；TDOP——时钟偏差几何因子；VDOP——高程精度几何因子第26页/共40页船上HDOP=10时，定位值可用三、测速误差四、海图标绘误差：大地坐标系不同引入的误差水平0.03~0.13m/s垂直0.05~0.21m/sGDOP同样适用若

P

≤4.3m

HDOP=1.56.5m误差

CA

≤8.6m

HDOP=1.5

12.9m误差误差表达式：伪测距误差(σ)×PDOP=位置误差伪测距误差(σ)×TDOP＝时钟误差伪测距误差(σ)×VDOP＝高程误差伪测距误差(σ)×HDOP＝水平位置误差

第27页/共40页(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及内存，并且进行初始化操作。(2)不同的HDOP值，有不同的定位精度。若HDOP的实际值超限，则GPS导航中断。当HDOP太大时，误差有发散趋势。(3)当有多颗卫星定位或HDOP、PDOP超限时，可自动或人工选择GPS星座。最佳选星原则是选择仰角在5°和85°之间的4颗(3D)或3颗(2D)GPS卫星，并且使GPS卫星和测者所构成的空间几何图形,使精度几何因子GDOP值为最小的一组GPS卫星。(4)尽量采用所使用海图的测地系。GPS卫星导航仪自动选择WGS-84坐标系。(5)选择合适的运动状态。定点定位时，工作状态置于“静止”；慢速航行时，置于“低状态”；高速航行或摇摆剧烈时，置于“高动态”。工作状态不同，滤波作用各异。(6)利用卫星状态显示(例如：信号强度)可自动或人工启用或停用某颗卫星。（7）卫星每天约提前4min经过某一地区上空。第28页/共40页第五节DGPS卫星导航系统差分GPS（DifferentialGPS）二、DGPS分类：1.伪距差分（米级）2.位置差分（米级）3.相位平滑差分（亚米级）4.载波相位差分（厘米级）5.局域差分6.广域和广域增强差分一、DGPS组成：GPS卫星网、基准站、数据链、用户伪距修正值及其变化率（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基准站网和主控台（组合处理）第29页/共40页三、DGPS基准站和数据链1.DGPS基准站接收机、数据处理部分和发射机:2.数据链★

DGPS无线电信标：最小移频键控（MSK）调制在比信标频率高的副载频广域DGPS无线电信标的控制台

★完善性：指当卫星发生故障（精度下降）时，系统提供即时的报警能力★伪卫星：固定基准站，发射类GPS信号★

载波频率：无线电信标频率（RTCM104推荐）范围：285kHz~325kHz；常用291.5kHz~318.5kHz★导航电文：差分校正相关信息（P126）格式：与GPS格式基本相同，区别子帧长度不固定我国沿海DGPS基准站信息格式：RTCMSC-104

电文类型：1、3、5、7、9、16

信息速率：200bit/s

总功率：200W，其中DGPS为140W，RBN为60W第30页/共40页四、DGPS初始化输入1.选择无线电信标信号搜索方式：INT、EXT、OFF2.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：

RATE：50、100、200bit/s

FREQ：信标台发射频率，如301.5kHz五、DGPS的定位精度1.DGPS只能消除和削弱基准站和用户GPS卫星导航仪的

公共测距误差，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、SA与AS误差2.对于非公共误差：多径效应、导航仪噪声、量化误差、通道间偏差，DGPS不能消除和削弱3.DGPS的差分效果随着用户与DGPS基准站之间的距离增大而逐渐变差,300nmile有效.第31页/共40页第六节GPS在导航中的应用一、用GPS卫星导航仪导航1.航路点（WAYPOINT）导航2.定点导航（抛锚、丢锚、人落水、特殊事件的位置）3.航线（ROUTE）导航：4.编辑航线：添加、删除等5.航迹线标绘：自动、定时航线设计：1）用航路点表中的航路点

2）用航线菜单上的航路点

3）用游标（简单）

4）航迹线作为返航航线（MARK/MOB人工）实质相同第32页/共40页二、用GPS卫星导航仪报警三、用GPS卫星导航仪标绘四、用GPS卫星导航仪计算方位与距离到达、偏航、速度、时间、航行距离等DGPS信标信号丢失；报警类型：短、长、固定1.缩放图象2.游标状态和数据3.移动显示4.改变航迹标绘间隔、停止标绘5.删去航迹6.方位基准1.两航路点之间2.始点和终点之间的距离、方位、预计航行时间和到达时间真北（TRUE）：电罗经；经纬度补偿磁北（MAG）：磁罗经；磁差补偿（自动、手动）第33页/共40页2.GPS/DGPS罗经3个GPS天线系统，通过测量GPS载波相位的方法解算航向GPS/DGPS罗经稳定时间4分钟以内，随动性能高，静态指向精度达0.6°，耗电少GPS/DGPS罗经显示：

1）刻度盘式罗经显示

2）操舵显示

3）导航数据显示

4）船首向显示第34页/共40页(1)接收频率为1575．42MHz±1MHz（L１），接收码为CA码。(2)接收通道