GPS

nullnull9-1 概述卫星导航系统第九章 卫星导航系统 （Satellite navigation） 1．掌握GPS卫星导航系统的基本设置 2．掌握GPS卫星导航系统的定位原理和定位精度 3．熟练使用GPS卫导仪(评估项目) 4．了解差分GPS卫星导航系统其它卫星导航系统null9-1 概述卫星导航系统一、卫星导航系统简介 是利用人造地球卫星进行导航的卫星导航系统由导航卫星、地面站、用户设备组成。null9-1 概述卫星导航系统★ GPS定位精度：P 码—1 m；CA 码—20 ~ 30 m CA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）★ Navigation Satellite Timing and Ranging/ Global Positioning System——NAVSTAR/GPS★ 73年开始研制，95年进入全部运作。★ 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°，双频发射，全球 　　范围内可视性良好。null9-1 概述卫星导航系统2. GLONASS卫星导航系统（前苏联）★ 78年代开始研制，1982年开始部署，1995年底全 部星座部署完毕。★ Global Navigation Satellite System——GLONASS ★ GLONASS定位精度： 10-15 m 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。（高纬正常，真正全球）★ GLONASS卫星： 25（24+1）颗中轨卫星，分布3 　　个轨道面，轨道倾角约64°，双频发射，全球范围内可视性良好。null9-1 概述卫星导航系统3. 北斗星卫星导航系统（中国）★ 2000年发射 2 颗地球静止卫星， 2003年6月正式运营。★ 特点： 区域、全天候、高精度、连续、近于实时的 定位、导航授时和通讯。★ 北斗卫星： 地球同步轨道（36 000 km）卫星。已成功发射4颗北斗导航试验卫星和5颗北斗导航卫星,空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。中国2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。（用需上报）★ 定位精度： 优于 20 mnull9-1 概述卫星导航系统4. INMARSAT卫星导航系统（国际海事卫星组织IMO）★ 利用带有导航舱的INMARSAT的中轨道卫星， 发射GPS信号、DGPS校正值等信息，为全球 提供通信、定位、导航及完善性监测。 增强了在北美和欧洲上空的基本的GPS和Glonass导航信号 的可获得性、完好性和精度。 null9-1 概述卫星导航系统5. 伽利略卫星导航系统（欧洲 +中国）★ 1999由欧盟提出计划，2004下半年开始发射 实验卫星，2008年全面投入使用。★ 卫星： 27+3 颗卫星颗高轨轨卫星，分布3个轨道面， 轨道倾角约 55，运行周期52 810.10 s。 3 颗覆盖的GEO卫星，辅以GPS和本地差分增 强系统，定位精度达几米。 ★ 特点： 全球、全天候、高精度、连续、近于实时的 三维定位和导航； 是针对商业和军用的高精度卫星导航系统。null9-1 概述卫星导航系统6. GNSS卫星导航系统（国际民航组织ICAO） 组合系统 （INMARSAT）（GPS）（GLONASS）（GAIT）地面增强和完善性系统（RAIM）机载独立完善性监控系统GNSS 是 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。null9-1 概述卫星导航系统二、卫星导航系统的特点与分类 1. 卫星导航系统的特点：P112（水面、地面；不需图表；有轨道漂移等）2. 卫星导航系统的分类：★ 按测量的导航定位参量分：测角、测距、测速、 测多种参量系统★ 按工作原理分：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：低轨（900~2 700 km） 中轨（13 000~20 000 km） 高轨（20 000~48 000 km）★ 按获得定位数据的及时性分：★ 按工作区域分：★ 按工作方式分：间断和连续、实时和非实时高中低，同步轨道：公转速度与自转速度同步的轨道； 静止卫星：全球、区域无源、有源null9-1 概述卫星导航系统三、卫星轨道参数1. 开普勒定律：说明卫星在中心引力场作用下的运动规律卫星轨道：导航卫星绕地球运行的路径 卫星轨道参数：描述卫星轨道的形状、大小、轨道面 在空间的位置 和卫星在轨道上的位置。1）卫星（行星）在不同的椭圆轨道上围绕地球（太阳） 运动，地球（太阳）的球心是这些椭圆的一个焦点 2）卫星（行星）的向径（地球/太阳和卫星/行星的连线） 在相等的时间内扫过相等的面积 3）卫星（行星）绕地球（太阳）运行周期的平方和其 椭圆轨道长半轴的立方成正比（T 2  a3）null9-1 概述卫星导航系统2. 卫星无摄动运行的轨道参数轨道平面的 空间取向长半轴在轨道 平面内的方向椭圆的大小 和形状计算卫星在轨道 上的瞬时位置卫星轨道参数表示轨道的形状、大小、轨道面在空间的位置和卫星在轨道上的位置null9-1 概述卫星导航系统3. 卫星的地心直角坐标系GPS 采用 WGS84 坐标系 以赤道和格林经线为基准圈的球面坐标系，卫星与测者的位置均以地心直角坐标系X、Y、Z表示。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）null9-1 概述卫星导航系统4. 卫星覆盖区由于对流层影响，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。null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统§ 9-2　 GPS卫星导航系统设置概 述 GPS系统在航海、航空和地面交通管理等的主要作用是： GPS系统用户通过GPS导航仪接收GPS卫星发射的信号，求得用户的地面位置（二维定位）及相对地面的移动速度（二维测速） ，或空间位置（三维定位）和空间速度（三维测速） ，但GPS系统不能用于水下定位，而且受人为因素影响较大，由其所有者控制，可以随时限制用户的使用或改变其功能。 GPS卫星导航系统是由空间系统（导航卫星）、地面控制系统(地面站)、用户设备（GPS导航仪）三部分组成。null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统一、地面控制系统（地面站）1.主控站： 设在美国的一个空军基地。作用是控制所有地面站的工作。产生GPS的时间信号，从各跟踪站收集、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。 2.跟踪站： 是一种无人值守的数据采集中心。接收包括环境数据在内的卫星的各种信息传送到主控站。 所测伪距1.5 s更新一次，电离层气象数据 15 min传送一次。 3. 注入站：亦称地面站或地面天线。其作用是用S波段每隔8小时向每颗卫星注入一次新的导航信息，并负责监测注入卫星导航信息是否正确。null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统二、空间系统（导航卫星）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°，地平线 7.5 °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11 h 58 m （717.88 m），约12 h。 ☆ 双频发射： L 1 波段（1 575.42 MHz）， P码、CA码和导航数据调制； L 2 波段（1 227.60 MHz）， P码和导航数据调制； 以后增加L 5 （1 176 MHz） ☆ 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null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统2. GPS卫星导航电文（导航信息）1）P码和CA码CA 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P码P 码：快速、长周期的伪随机二进制序列码， （10.23 MHz、7 days），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 伪码加密 d. 精确测时、测距null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统2）GPS卫星导航电文（导航信息）a. 卫星导航电文的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null11-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统C. 卫星导航电文的结构完整历书 导航电文有5个子帧组成一个帧，每个子帧10个字，时间6s，一帧50个字，每个字30个码位，共 1500码位，时间30s，25帧组成一个主帧，一个主帧就是一份完整的历书，因此GPS导航仪收集一份完整的历书需12.5分钟。null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统三 、GPS的定位原理1.测伪距 GPS导航仪接收GPS卫星发射的导航电文，根据导航电文中的卫星星历解算出某颗卫星发射时刻在空间的位置。根据导航电文的编码信号（CA/P），测量卫星发射的信号从卫星传播到用户（GPS导航仪）的时间（△t），卫星在空中传播速度C=3*105km/s,用户（接收时刻）到卫星（发射时刻）的距离为称为伪距离，因含有卫星钟、用户钟误差及信号延时等误差伪距公式表示为ri 用户到第i颗卫星的真距离 △tu 用户时钟的钟差 △tAi 第i颗卫星信号的传播延时误差 △tSi 第i颗卫星钟误差null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统2.位置线原理 用户通过接收第i颗GPS卫星发射的导航电文，可求得该颗卫星的伪距和误差，若用户时钟无偏差，即可得到用户（GPS天线）到该颗卫星的真距离。以用户接收到第i颗卫星在空中的位置为原点，以ri为半径得到一个空间圆球面，用户（测者）必然位于这个圆球面上，这个圆球面称为用户空间位置圆。若同时利用三颗卫星即可得到三个用户空间距离位置圆，它们的交点即为用户的三维空间位置。null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统3.用户位置计算 由于GPS定位所使用的空间距离位置圆是一个三维的圆球面，所以就不能在平面的海图上画出船位。实际上，GPS定位是GPS导航仪解伪距方程得到的。 利用GPS进行三维定位时，用户使用GPS导航仪同时接收4颗卫星发射的导航电文，得到4颗卫星的伪距r1*、r2*、r3*、r4*，4颗卫星空间位置（xs1，ys1，zs1），（ xs2，ys2，zs2 ），（ xs3，ys3，zs3 ），（ xs4，ys4，zs4 ），4颗卫星的钟差△tS1 、 △tS2、 △tS3、 △tS4 以及信号传播延误误差△tA1、 △tA2、△tA3、△tA4。用户接收卫星信号时的位置用用坐标值（x，y，z）表示。只要GPS导航仪分别计算用户到每颗卫星的伪距，可得到下列方程：+i=1、2、3、4 （从卫星导航信号中可提取时钟、大气修正参量）使用GPS定位，可直接从屏上读出经纬度，并每隔1S更新一次船位null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统4.测速原理 由于GPS卫星绕地球高速旋转，用户在接收GPS信号的过程中卫星与用户之间的距离时刻在发生变化，卫星发射的频率(fT)是固定不变的，而用户接收到的频率(fR)则是变化的，即产生多普勒效应，用户接收与卫星发射频率之差即多普勒频移。 △f=fR-fT 多普勒频移的大小与符号是由用户和卫星之间相对运动的速度和方向决定的（卫星速度、方向已知）。近大远小。 当卫星高度升高时，用户和卫星间距离越来越近时，用户接收到的电磁破频率将高于卫星发射的电磁波频率，当卫星高度继续升高时，用户和卫星间距离减小的速度将逐渐减小，用户接收到的电磁波频率亦逐渐减小。 通过测量卫星信号的多普勒频移，可求得用户与卫星之间的伪距变化率，建立伪距变化率方程组，即可求得用户二维或三维速度。null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统★ 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： null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统三维（二维）定位需选四颗（三颗）卫星null9-2 GPS卫星导航系统设置卫星导航系统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§ 9-3 GPS定位误差 9-3 GPS定位误差卫星导航系统一、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： § 9-3 GPS定位误差 null9-3 GPS定位误差卫星导航系统null9-3 GPS定位误差卫星导航系统二、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。用户与卫星的几何关系对定位误差影响的大小,可用精度几何因子GDOP表示 ， GDOP值越小，定位精度越高，经证明，4颗卫星与测者所构成的几何四面体体积与GDOP成反比，即四面体体积大时，GDOP小，定位精度高。例如：用4颗卫星定位，一颗近天顶，3颗近地面（仰角>50）方位相差1200，四面体体积最大 ，GDOP小，定位精度高。 GDOP可表示为：null9-3 GPS定位误差卫星导航系统当 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 null9-3 GPS定位误差卫星导航系统船上 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null9-4 GPS卫星导航仪卫星导航系统例题：2786题 GPS卫星导航仪等效测距误差（G）为8.5米（CA码），GPS卫星导航仪显示HDOP=1.5,VDOP=2.5,产生的水平位置误差__米，产生的位置高度误差__米。2788题 GPS卫星导航仪等效测距误差（G）为8.6米（CA码），GPS卫星导航仪显示TDOP=1.2,产生的时间误差 __纳秒。null9-4 GPS卫星导航仪卫星导航系统§ 9-4 GPS卫星导航仪一、GPS接收机框图原理CA码、单频GPS接收机null11-4 GPS卫星导航仪卫星导航系统null9-4 GPS卫星导航仪卫星导航系统二、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 1 s，导航数据更新 3 ~ 5 s 4）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null9-4 GPS卫星导航仪卫星导航系统三、GPS接收机的安装① > 0.5 m ② > 1 m ③ > 4 m ④ > 1.5 m ⑨ > 3 m ⑩ > 5 m ⑤ 避开雷达波束（30  或 40  ） ⑥ > 1 m ⑦ 距离视钢柱直径⑧大小而定 （若⑧ ≤10 cm,则 > 1.5 m；若⑧ ≥ 30 cm，则 > 3 m）null9-4 GPS卫星导航仪卫星导航系统四、GPS接收机的操作方法1. 启动的方法 1）日常启动 2）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10 ④ 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null9-4 GPS卫星导航仪卫星导航系统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  ~ 85  4 颗或 3 颗运功方式分：静态定位和动态定位 定位方式分：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nullDGPS 卫星导航系统差分GPS（Differential GPS） GPS是一种卫星测距定位系统，测伪距误差直接影响定位精度，GPS的伪距误差包括卫星误差、信号传播误差、卫导仪误差，若提高定位精度，则必须设法消除或减弱这些误差的影响。 差分GPS利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，经数据链双向或单向通信将这个修正量实时或事后发送给用户（DGPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，提高GPS定位精度。 中国于2002年1月1日零时正式开通大三山、秦皇岛等DGPS基准台构成的DGPS台链。中国沿海300km内航行的船舶，定位精度为5米。nullDGPS 卫星导航系统二、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）null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★ 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（RTCM 104 推荐）范围：285 kHz ~ 325 kHz；常用291.5 kHz ~ 318.5 kHz★ 导航电文：差分校正相关信息 （P126）：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：RTCM SC-104 电文类型：1、3、5、7、9、16 信息速率：200 bit/s 总 功 率 ：200 W ，其中DGPS为140 Wnull黄、渤海海区无线电指向标及差分全球定位系统分布图null四、DGPS初始化输入 1. 选择无线电信标信号搜索方式：INT、EXT、OFF 2. 选择无线电信标（BEACON）：AUTO、MANUAL 3. 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 301.5 kHz五、 DGPS的定位误差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 null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 null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null第七节 GPS 在测量中的应用一、 GPS用于船舶等载体的姿态测定 1. 载体姿态的确定 载体坐标系相对于地平坐标系之 间的空间取向，即为载体姿态。 利用三副GPS天线可测航向、横摇、纵倾;利用两副GPS天线可测航向、横摇。载体姿态测量精度与基线测量精度及基线长度成正向关系。 null2. 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null二、 GPS 用于船舶机动性能的测定 1. 用于船速测量 2. 用于测量船舶旋回半径 3. 用于船舶舵角提前量的测量 4. 用于测量船舶航向稳定性和惯性 三、 GPS 用于其他方面 1. 高精度授时 2. 车辆指挥和调度 3. 筑路工程 4. 科学研究null9-6 GLONASS卫星导航系统简介卫星导航系统第八节 GLONASS 卫星导航系统GLONASS——Global Navigation Satellite System一、导航卫星网★ 卫星数量：24 + 1 颗，分布在 8 个轨道中 ★ 轨道高度：19 000 km 左右，中轨轨道 ★ 运行周期：约 11 h 15 min 45 s ★ 轨道倾角 ：64 ，任意轨道 ★ 卫星位置：赤道面 东经 80 、140、110.5（备） ★ 覆盖范围：5 N ~ 55 N ，70 E ~ 145 E ★ 发射频率：L1 频段（1 602 MHz + N • 0.5625 MHz ） L2 频段（1 246 MHz + N • 0.4375 MHz ） N = 1 ~ 24 ★ 卫星电源、卫星原子钟null卫星导航系统null9-6 GLONASS卫星导航系统简介卫星导航系统二、导航卫星电文★ P码：连续、快速的伪随机二进制序列码， 码率为 5.11 MHz，周期为 1 s ★ CA码： 低速、短周期的伪随机二进制序列码， 码率为0.511 MHz，周期为 1 ms ★ 所有的卫星的码型均相同★ 两部分： 1. 可操作性导航电文，更新时间为 30 min。 卫星时钟数据、偏差参量、发射频率偏差、卫星位置、速度和加速度 2. 非操作性导航电文，更新时间 24 h 卫星钟偏差、系统时修正量、各卫星轨道参数、卫星状态null11-6 GLONASS卫星导航系统简介卫星导航系统三、GLONASS 与 GPS 比较null9-6 GLONASS卫星导航系统简介卫星导航系统四、GPS/GLONASS 卫星导航仪null