GPS导航应用

第3章 基础知识

大地坐标与WGS-84

大地/椭球坐标系 定义 大地坐标 以参考椭球为依据建立的坐标系被称为大地坐标系，又被称为椭球坐标系。 大地纬度（B） 大地经度（L） 大地高/椭球高（H）

WGS 84 World Geodetic System 1984 1984年世界大地系统 GPS系统内部所采用坐标参照系

地图投影

无法将地球表面的地形、地物毫无变形地表示到一个平面上 地图投影的产生 无法将地球表面的地形、地物毫无变形地表示到一个平面上

通俗的地图投影定义 通俗的地图投影定义 将球面坐标转换为平面坐标。

地图投影的定义 地图投影的定义 投影是球面坐标与平面坐标间的映射关系，可以用下面的数学表达式表示： 式中：x，y为平面坐标系下的坐标；B， L为大地纬度和经度；f1， f2为单值、连续、有界的函数，也被称为投影函数。

地图投影的类型

GPS时

GPS时 GPST 秒长：原子时秒长 起点：1980年1月6日0时 特点：连续计时，无跳秒 计时方法 GPS周数+周内秒数 周内秒数：从当周周日0时起算的秒数

第4章 GPS系统的组成与信号结构

引子

GPS定位的基本原理 GPS定位的基本原理：距离交会

第1节 GPS坐标和时间系统

GPS坐标和时间系统 GPS坐标系统 GPS时间系统 – GPS时（GPST） 1984年世界大地坐标系（WGS-84 – World Geodetic System） GPS时间系统 – GPS时（GPST） 秒长：原子时秒长 计时方法：GPS周（GPS Week） + 周内秒数（TOW），每周以周日零时为起点 时间起点：1980年1月6日0时（在该时刻与UTC同步） 其他特点：无跳秒 目前：GPST − UTC = 15（2012年2月29日）

第2节 GPS的组成

概况

GPS的组成 空间部分 GPS 地面监控部分 用户部分

空间部分

目前（2012.02.29），GPS星座由32颗GPS工作卫星构成。 卫星数量：21(工作卫星)+3(活动的备用卫星) 轨道面数量：6 平均轨道高度：20200km 轨道倾角：55 轨道周期：11h 58min GPS设计星座 目前（2012.02.29），GPS星座由32颗GPS工作卫星构成。

GPS卫星星座 注：摘编自http://www.navcen.uscg.gov/?Do=constellationStatus

GPS卫星的功能 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

GPS卫星 Block IIR Block IIA Block IIF

地面监控部分

GPS地面监控部分的组成 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统

GPS地面监控部分的分布

地面监控部分的功能 跟踪GPS卫星 确定卫星轨道及卫星钟改正数 预报卫星轨道，建立卫星钟改正模型 编制成导航电文，并通过注入站送往卫星 通过注入站向卫星发布各种指令

用户部分

用户部分的组成 用户 接收设备

用户部分的功能 用户部分的功能 测定从接收机至GPS卫星的距离 接收卫星星历 利用上述信息确定自身的三维位置、三维运动速度和钟差等参数

第3节 GPS卫星的信号结构

GPS卫星信号的成分

GPS卫星信号的成分① 载波 测距码 导航电文 可运载调制信号的高频振荡波 L1，L2 用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码 D L1 C/A P1 载波 可运载调制信号的高频振荡波 L1，L2 测距码 用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码 C/A码（目前只被调制在L1上），P(Y)码（被分别调制在L1和L2上） 导航电文 由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星空间位置、工作状态、卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据的二进制码，也被称为数据码（D码）

GPS卫星信号的成分②

载波

载波的作用和类型① 作用 类型 搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移 目前 现代化后 L1 – 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 – 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm 现代化后 增加L5 – 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm

载波的作用和类型② 选择两（多）个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟 电离层折射延迟与信号的频率有关

测距码

测距码的作用和性质 作用 测距 性质 为伪随机噪声码（PRN － Pseudo Random Noise），既具有随机噪声的特性，又可以精确定义（实际上隐含有时间信息） 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数） 对齐的同一组码间的相关系数为1

C/A码 名称 码率 周期 1周期含码元数 码元宽度 调制载波 粗码/捕获码（Coarse/Acquisition Code） 1.023MHz 周期 1ms 1周期含码元数 1023 码元宽度 293.05m 调制载波 L1

P码 名称 码率 周期 1周期含码元数 码元宽度 调制载波 精码（Precise Code） 10.23MHz 7天 6187104000000 码元宽度 29.30m 调制载波 L1和L2

现代化后测距码的变化 在L2上调制C/A码 在L1和L2增加调制M码（军用码）

导航电文

导航电文的作用及基本结构① 形式 码率50Hz的比特流 作用 向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息

导航电文的作用及基本结构② 组织方式 字（30bit） 子帧（由10个字组成） （主）帧（由5个子帧组成） 导航电文（由25个（主）帧组成） 一帧导航电文的结构

第5章 GPS测量的基本原理和方法

第1节 码伪距测量

距离交会与GPS定位 ？ ？ ？ ？ ？

测距方法 在GPS中采用的是此类方法 离散脉冲信号测距 连续测距码或载波信号测距

距离测定的基本思路 卫星信号传播时间 基本思路：通过某种方式测定卫星信号从卫星至接收机的传播时间。

信号（测距码）传播时间的测定① 卫星与接收机各自根据自身的时钟产生信号

信号（测距码）传播时间的测定② 卫星经过一段时间的传播到达接收机

信号（测距码）传播时间的测定③ 接收机通过对本地信号在时间轴上平移，直至与所接收到的卫星信号对齐，所平移的时间即为所测定的信号传播时间

信号（测距码）传播时间的测定④ 卫星信号 接收机复制信号 接收机复制信号的时延 信号传播时间的测定

测距码测距的必要条件 测距码测距的必要条件 必须了解测距码的结构

测距码测距的特点 采用CDMA（码分多址）技术，可区分不同卫星信号 易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度 便于对系统进行控制和管理（如AS） 每颗GPS卫星都采用特定的 伪随机噪声码 微弱信号的捕获

码伪距的观测方程 信号到达接收机的时刻（由接收机钟测定） 信号离开卫星的时刻（由卫星钟测定） 信号到达接收机的时刻（系统时间） 信号离开卫星的时刻（系统时间） 卫星钟差 接收机钟差

第2节 单点定位与测时

单点定位的定义 单点定位 根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法，也被称为绝对定位 单点定位

测时 单点测时（位置未知） 单点测时（位置已知） 共视法 同时观测4颗以上卫星，求解位置和钟差参数 仅需观测1颗卫星，求解钟差参数 利用2台接收机同时观测相同的卫星进行时间传递 卫星 接收机1 接收机2

当卫星分布相同时，用户等效距离误差越小，定位精度越高 单点定位精度与用户等效距离误差 用户等效距离误差（UERE）是将单点定位时可能发生的所有误差归化到站星距离上所得的结果。 当卫星分布相同时，用户等效距离误差越小，定位精度越高

当用户等效距离误差相同时，卫星分布越好（数量多且分布均匀），定位精度越高 单点定位精度与卫星分布 当用户等效距离误差相同时，卫星分布越好（数量多且分布均匀），定位精度越高

DOP值① DOP DOP值与定位精度 DOP值的性质 精度衰减因子（Dilution of Precision）

DOP值② DOP值的类型 GDOP – Geometry Dilution of Precision（几何精度衰减因子） PDOP – Position Dilution of Precision （位置精度衰减因子） TDOP – Time Dilution of Precision （时间精度衰减因子） HDOP – Horizontal Dilution of Precision （水平精度衰减因子） VDOP – Vertical Dilution of Precision （垂直精度衰减因子）

第3节 多普勒测量

信号锁定 频率/码延迟搜索 频率/码延迟搜索

多普勒观测量 多普勒观测量是接收信号与发射信号的频率差异 接收机钟差 发射信号频率 接收机速度矢量 站星单位矢量 卫星速度矢量

单点测速 单点测速 根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对速度的方法

第4节 载波相位测量

载波相位测量 在GPS中，还可以将载波的相位作为站星间距离的观测量， 载波相位测量的特点是精度高（可达毫米级），但存在模糊度和周跳问题 广泛应用于测绘等对精度要求较高的领域