GPS 全球定位系统2版.docx

1、GPS 全球定位系统2版GPS 全球定位系统版权声明：以下内容由中国民航大学电子信息工程学院教师编排制作，主要用于学习、研究，不得用于其他商业用途，如果对制作内容有任何建议，请联系中国民航大学电子信息工程学院“GPS抗干扰研究”科研组。电话：24092451Email:lqi目录 GPS系统概述 o 空间段o 控制段o 用户段 GPS定位服务联邦无线电导航计划说明 o 精密定位服务(PPS)o 标准定位服务(SPS) GPS卫星定位信号 GPS 数据 GPS定位与时间 o 码相位跟踪o 伪距测量 o 定位接收机 o 载波相位跟踪 GPS 误差源 几何精度因子 (GDOP) 差分GPS (DGP

2、S)技术 o 差分 码相位跟踪 o 差分载波相位跟踪 o 共模时间传递o GPS技术及工程费用GPS系统概述 全球定位系统是一个卫星导航定位系统，它是由美国国防部 (国防部) 提供经费并控制的. 虽然全球有数以千计的GPS民用用户，但该主要是为美国军方设计和使用的。 GPS有专门的卫星信号号编码，可以由GPS接收器处理，计算接收机的位置,速度和时间。 四颗GPS卫星信号用来计算时间和位置。o 空间段 空间段的组成是全球定位系统的卫星. 这些卫星从太空发出无线电信号. GPS卫星由24颗卫星组成，环绕地球飞行周期为12个小时. 常常推出多于24颗新业务卫星,以取代旧的卫星.共有6个轨道平面,同样

3、间隔(60度), 而相对于赤道平面倾斜约55度.使用者在地球上任何一点可以看得见五至八颗卫星.GPS satelliteo 控制段 GPS系统的地面支持网由五个监测站、一个主控站和四个注入站组成。 网络主控站位于Schriever空军基地(前身 猎鹰抗酸)在科罗拉多. 监测站收集卫星及当地气象资料送给主控站。主控站根据这些资料计算卫星轨道等导航信息，然后由注入站每隔8h向卫星发送一次，更新卫星资料，以便卫星向用户设备转发导航信息。 GPS用户段包括GPS接收机和用户的社区. GPS接收机利用4颗卫星信号计算位置、速度、时间。GPS接收机用于导航、定位、时间测量等其他研究工作. 导航是GPS立体

4、定位系统的主要功能. 导航接收机可以装在飞机、船舶、地面车辆、个人携带手. GPS导航能利用GPS精确定位接收机位置的参考和相对定位提供数据更正。 远程接收机可用于大地测量控制、板块构造研究等.另外,使用全球定位系统可进行天文观测、通讯设施、测量大气参数. GPS定位服务联邦无线电导航计划说明 o 精密定位服务(PPS) 授权用户提供密码钥匙及设备、特殊设备的精确定位系统接收机使用。美国和盟国军队及美国政府机构有使用权。预测垂直精度为22米，横向精度为27.7米，时间精度为200纳秒。o 标准定位服务(SPS) 全球民用使用户使用SPS是不受控制和限制的. 大多数接收机可以直接使用SPS信号.

5、 SPS精度被国防部使用选择可用技术故意降低了。 SPS精度：垂直精度为100米，横向精度为156米，时间精度为340纳秒。 GPS卫星定位信号o GPS卫星传送两种微波信号。 一种的频率(1575.42兆赫)携带SPS信号和导航电文. 另一种频率(1227.60兆赫)是用来使用PPS接收机测量电离层延迟。o 三位二进制编码利用两种载波运载. GPS 数据o 导航电文是二进制文件，它是按一定格式组成数据帧，按帧向外播送。每颗卫星的数据占用一帧.o 一帧由5个子帧组成一个帧。o 一帧50个字,每个字30个码位,共1500个码位,时间30s.o 每个子帧10个字,时间6s.头2个字为遥测字(TEL

6、)和转换字(HOW),由星载设备产生,后8个字为导航电文,由地面站注入给卫星.o 25个帧组成一个主帧.一个主帧是一个完整的历书, 历书包括了所有在轨卫星的简略星历数据. GPS定位与时间测量 o 码相位跟踪能够产生与所测卫星的测距码结构完全相同的复制码。工作中通过逐步移位，使接收码与复制码达到最大相关，以测定卫星信号到达用户接收机天线的传播时间。o 伪距测量 接收机位置是利用伪距测量的。 位置决定于多重伪距测量，四颗卫星提供的信号确定三维的位置和准确的时间。从而计算出对地球坐标系的坐标（X，Y，Z）。 时间用于校准接收机时钟偏差，接收机不必使用昂贵的时钟。通过星历，卫星的坐标是已知的，可利用

7、测量伪距计算接收机位置。 计算方法如下： o 定位接收机 位置坐标（X，Y，Z）包括地理经度、纬度和高度。 经纬度通过坐标变换进行计算。 速度通过位置随时间的变化率进行计算。 卫星时间在接收机中转换为GPS时间。 卫星上装有稳定度为10-13的精密原子钟，各卫星的原子钟相互同步，并与地面站的原子钟同步，建立起导航系统的精密时系，称为GPS时。精密时系是精密测距的基础。 GPS时是一种连续的、高精度的、均匀的时间系统，它以原子秒为单位，时间间隔为一周。它开始和结束在每周六和周日之间的子夜零点时刻。 GPS时起点1980年1月6日UTC（世界协调时）的零点，它常用自起点以后的周数、日数、GPS秒来

8、表示时间。目前，GPS时间已经超前UTC数秒。o 载波相位跟踪 是利用载波信号的平方技术去掉调制码，从而获得载波相位测量所必需的载波信号。 两个接收机与一颗卫星在同一时刻的信号差别。 GPS 误差源 o GPS误差主要包括组合噪声、偏差和错误。o 噪声误差主要是伪随机码噪声和接收机内部噪声。o 偏差产生的结果主要由于选择有效技术和其他因素，例如时钟误差、电离层的影响、大气层延时、多路径干扰等。o 错误可能导致上百公里的误差，错误产生的原因可能是控制段人为因素错误，可能是用户错误，也可能是接收机的软件和硬件故障造成的差错。 几何精度因子 (GDOP) o GDOP有下述特性： 它是选定4颗卫星与

9、测者之间几何关系造成的位置误差的放大倍数。当GDOP大一倍时，位置误差也将大一倍。 GDOP只与卫星和测者的相对位置有关，与所选坐标无关。 GDOP是星座设计的一个判据，即卫星安置的位置应能使地面测者获得好的GDOP值。 定位时，选星原则就是使GDOP尽可能小，以提高定位精度。 o 为了取得精确的定位效果，选星时总是使GDOP尽可能减小，导航仪通常采用以下方法来选星。 最佳GDOP法。即从仰角5度以上的星中取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。此法选择的星座最佳，但计算量大。 次优GDOP。从能收到的卫星中先选出三颗，它们的斜距具有最大的垂直分量、北向分量和东

10、向分量，然后再选一颗卫星使GDOP最小。 最大矢端四面体法。以测者为中心作单位球，以四颗星在球面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。o 以下首先是正常伪距计算。o GDOP 计算 差分GPS (DGPS)技术 在已知精密座标位置的点上，设置GPS监测设备（GPS基准台），用精度很高的静态定位用的双频GPS接收机，天线位置上排除多径干扰的影响，连续实时地接收GPS信号，求出误差，按规定时间间隔确定修正量值向用户播发。用户利用收到的信息，使机载接收机解算中加以修正，因此能够输出更为正确的位置数据。利用差分GPS（或称DGPS）可以消除或减小例如星种误差、星

11、历误差、信号传播延迟误差等公共误差，因而提高了定位精度。但用户接收机自身的噪声误差，多径干扰误差只与自身设备有关，差分GPS技术也不能消除。差分GPS应用中的精度和用户相对差分基准台的距离有关，离基准台越近，则由于其公共误差相同而精度高，离台较远时，由于大气传播误差上产生差异，使精度降低。因而，差分技术的应用受到用户与基准台之间距离的限制。o 差分码相位跟踪导航 o 差分载波相位跟踪测量o 共模时间传递 当时间信息从一点传递到另一点时, 鉴别技术能够在2000公里的基线上鉴别10纳秒的时间传递。o GPS技术及工程费用o 全球定位系统接收机技术及工程成本费用视乎能力. 小型民用接收机一般200美元就可以买到,有的具有差分校准能力的接收机可能要2000至5000美元。 差分全球定位系统接收器和载波相位跟踪接收机往往需要5000千至40000美元，动辄10万美元。 军事精密接收机就更加昂贵而且很难买到。o 其他成本包括多种用途接收机,需要时再升级处理软件费用,训练专门的人员费用。o 往往所需精度将决定设备成本。 低等成本, 单通道SPS接收机 (100 米精度) 中等成本, 差分 SPS 接收机(1-10 米精度) 高等成本, 单通道PPS接收机(20米精度) 高等成本, 差分载波相位跟踪接收机 (1 毫米to 1 厘米精度)