GPS卫星导航系统定位原理

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,一,.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,）,O,x,z,y,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）,二,、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,三.伪测距,1.卫星及用户的时间偏差,卫星的时间偏差,用户的时钟偏差,2.信号传播延迟,综和以上因素，用户利用GPS接收机测得的距离不是用户到卫星的真距离，称为“伪距离”，测量伪距离称为伪测距。,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 X,si,、Y,si,、Z,si,分别是用户和卫星,在空间三维坐标。,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1.5 s更新一次，电离层气象数据,15 min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。,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,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，,（1.023 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 day），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：,144,4,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,GPS卫星发射伪码和用户本机采用的基准伪码结构相同且时间严格同步，卫星信号经过空间传播后背用户接受，相同结构的码之间的时间差即为传播延时。用户本机产生的基准伪码通过码相关电路跟踪接受伪码，形成本机跟踪伪码，本机跟踪伪码与本机基准伪码比较，从而测量出卫星到用户的传播延时，该延时乘以光速即到得到“伪距离”。,GPS接受机通过GPS天线接受到微弱的卫星信号，通过前置放大器放大送至变频器把射频（RF）信号变化成中频（IF）信号，经过中频放大后，送至信号解扩解调器电路，解扩解调电路的作用是：通过码相关电路使本机跟踪伪码在时间上和接收的卫星信号伪码对准，去处卫星信号中的伪随机噪声码，解调出GPS数据信号，经数据同步、滤波处理后检出GPS卫星电文。,