GPS原理及其应用.ppt

GPS原理及其应用,主讲 刘云,GPS定义,GPS的英文全称是：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 测量用户的 PVT： Position(三维位置) Velocity (三维速度) Time(时间),日常生活中的GPS,3,日常生活中的GPS,车载 手机,4,日常生活中的GPS,Deray 的北京到巴黎 單車旅行 （http:/btp.deray.org/）,GPS定位技术与应用,5,目前，拥有定位系统的国家或地区:,美国GPS(始建于1973年) 俄罗斯GLONASS（始建于1978年目前在轨道上只有6颗星可用 ） 欧盟Galileo(伽利略计划)（始建于2002年） 日本准天顶卫星系（2008年投入使用） 中国北斗导航定位卫星（2002年已应用，07年5月25日，我国第三颗“北斗一号”卫星发射成功，6月1日，我国自主研发的“北斗运营服务平台”正式开通，这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。,GPS系统的特点:,1、全球，全天候工作,2、功能多，应用广,3、测站之间无需通视,4、定位精度高 ，隐蔽性好,5、观测时间短,6、提供三维坐标,7、操作简便,8、免费、容易,有人说过，只有我们想不到的，没有GPS做不到的。 有人预言， GPS将改变我们的生活方式。,GPS系统的组成,由21颗工作卫星 和3颗备用卫星。,空间部分,空间部分,24颗卫星（21+3） 6个轨道平面（相互交角60） 55轨道倾角(相对于赤道面) 20200km轨道高度（地面高度） 11h58min（恒星时）轨道周期 5h7min出现在地平线以上（每颗星）,GPS系统中卫星的作用,用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。 在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站不断发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过GPS信号电路，适时地和发送给广大用户。 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。,GPS地面监控部分,1个主控站,3个注入站,5个监测站,斯平士,阿松森岛,狄哥伽西亚,卡瓦迦兰,夏威夷岛,太平洋,印度洋,大西洋,单工,不断发出测距波,5个监控站,3个注入站,1个主控站,双工,单工,地面监控系统,地点：位于科罗拉多的斯平士(Colorado Springs)的 联合空间执行中心(CSOC),(1)主控站,设备：主控站拥有大型电子计算机，用作数据采集、 计算、传输、诊断、编辑等。,(2)注入站,地点：三个站分别设大西洋的阿松森(Ascension)岛、印度洋的狄哥伽西亚(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦迦兰(Kwajalein) 的三个美国军事基地上。,设备： 一台直径3.6m的天线，一台S波段发射机和一台计算机。,作用： 主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户，这就是所用的广播星历。此外，注入站能主动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。,(3)监测站,作用：对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，并向 主控站提供观测数据。,设备：监控站有双频GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行 观测，每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据,监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和三大洋的美军基地上，保证了全球GPS定轨的精度要求。由这五个监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。,地点：五个监测站：除一个主控站、三个注入站兼作外，还有一个在夏威夷岛,=,用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度,GPS用户部分,用户部分包括用户组织系统和根据要求安装相应的设备，但其中心设备是GPS接收机。它是一种特制的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。,TOPCON产品,Leica GPS接收机,南方仪器厂,图片：导航型GPS机,手持型GPS机,车载型GPS机,图片：大地型GPS接收机,单频机,双频机,1.GPS卫星信号的组成,GPS定位的基本原理,（1）载波信号 L1载波，波长=19.03cm，频率f1=1575.42MHZ L2载波，波长=24.42cm，频率f2=1227.6OMHZ。 （2）测距码 C/A码（粗码/捕获码）：调制在L1载波上。结构公开，不同的卫星有不同的C/A码。 P码（精码）：调制在L1和L2载波上。 （3）数据码（D码）（导航电文） 提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。,GPS的常用坐标系- WGS-84世界大地坐标系：,原点是地球的质心 Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球北极（CTP）方向 X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP相对应的赤道的交点 Y轴垂直于ZOX平面且与Z、X轴构成右手坐标系,GPS定位原理,(X ,Y，Z),利用三个以上卫星的已知空间位置，交会出地面未知点（用户接收机）的位置。,测距的方法,码相位(伪距法)测距,测量载波相位差测距,通过导航电文解译出三颗卫星的坐标，通过测量求出三颗卫星到测站的距离，用距离交会即可求出测站点的坐标（X , Y，Z）。,距 离 测 定 原 理,距 离 测 定 原 理,距 离 测 定 原 理,距离 = 传播时间 x 光速,距 离 测 定 原 理,GPS采用的单程测距原理（单工通信）。这就要求卫星时钟与接收机时钟要严格同步。但实际上，两者难于严格同步，因此存在不同步误差，另外，测距码在大气中传播还受到大气电离层折射及大气对流层的影响，产生延迟误差。因此，测距码所求得距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称其为“伪距”。 由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响，可以通过导航电文中所给的有关参数加以修正，而接收机的钟差却难以预先准确地确定，所以把接收机的钟差当作一个未知数，与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出4个未知参数，即3个点位坐标分量和1个钟差参数，所以至少同时观测4颗卫星。,伪距测量与载波相位测量,（1）伪距测量 伪距由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值，因此一般称量测出的距离为伪距。 用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距；用P码进行测量的伪距为P码伪距。 (C/A码与P码都是伪随机码),伪随机码作用：（1）多星共享信道 （2）测传输时差,扩频通信基础知识,扩频通信基础知识-伪随机码,伪随机码具有良好的自相关特性及互相关特性,M序列（一种伪随机码）的自相关函数,扩频通信技术基础知识,窄带信号,扩频码,扩频码,信号合并,宽带信号,噪声,噪声+宽带信号,信号与噪声分离,t,P(t),P(t),P(t),P(t),P(t),t,t,t,t,9.6 K,9.6 K,1.2288 M,1.2288 M,扩频系统原理示意(1),扩频系统原理示意(2),扩频系统原理示意(3),扩频/解扩频,白噪声,突发干扰,扩频前信号,扩频后信号,解扩后信号,解扩前信号,白噪声,突发干扰,S(f),f,S(f),f,S(f),f,S(f),f,扩频/解扩原理频域解释,功率谱,Echip,Eb / No = Ec / Io 增益,扩频技术,扩频技术,-1,-1,-1,+1,+1,+1,解扩,干扰信号,数据,-1,+1,-1,+1,其他的经过 扩频后的信号,积分后的结果,+8,-8,1 1 0 1 1 0 0 1,1 1 0 1 1 0 0 1,1 1 1 1 1 1 1 1,扩频后的信号,扩频码,信号,噪声,测距码伪距测定,测距伪随机码 每一卫星播发一个伪随机测 距 码信号，该信号大约每1毫秒播 发一次 接收仪同时复制出一个同样结构的 信号并与接收到的卫星信号进行比较。 由信号的延迟时间(dT)推算出 卫星至接收仪的距离 接收仪时钟应与卫星钟校时,dT,接收到的卫星测距码,接收仪复制出的测距码,一个简单的CDMA发射机-仲恺通信原理试验箱方案,SIGN: 1Kbit/S的信息码,GOLD: 100Kbit/S的GOLD码(一种伪随机码),S-KP: 被伪随机码扩频后的信息码码(一种伪随机码),PSK: 二进制调相信号。,相应的CDMA接收机,Gold同步,Gold同步,捕获:使本地产生的Gold码与接收到的Gold码相位误差小于1个码片 跟踪:在捕获的基础上，完全对准接收信号Gold码与本地Gold码。,Gold同步是接收机的关键部分。 接收机组成：Gold同步（扩频码的捕获和跟踪）、载波提取、PSK解调和差分译码、汉明解码。,Gold同步对于GPS的意义：可确定电播传播时延。,Gold同步的分步实现：,Gold同步第一步：捕获,滑动相关捕获原理,Gold同步第二步：跟踪,PN码的跟踪,伪距法定位的优缺点,1)定位速度快。 2)无多值性问题。 3)可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。 4)一次定位精度不高，（P码定位误差约为10 m，C/A码定位误差约为 2030 m）。,D = c TN,载波相位测距,载波相位观测 载波L1的波长为19cm ，L2的波长为24 cm 接收仪将接收到的卫星载波信号的相位与其自身产生 的参考载波信号的相位进行比较 接收仪开机后，相位整周数未知 (带有整周模糊度) 跟踪卫星时间较长时距离的变化可以测定(整周数保持 不变 ),T,接收到的卫星相位,接收仪复制出的相位,载波相位测距的优缺点,波长：L1 信号的波长为19.03 cm。 L2 信号的波长为24.42 cm。,载波相位测量属于非码信号测量系统,优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度，目前可达到12mm。,缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使解算过程比较复杂。,GPS模块,市场上的GPS模块很多，大致可分为三种： 单点模式产品，如MOTOROLA M12、GARMIN GPS 25L、GPS 15L等，其单点定位精度为m左右。 GPS/GLONASS双系统产品，如ARGO-16GPS/GLONASS,其定位精度与单点模式产品相似，但在定时精度上高一些，价格也略高一些。 差分GPS系统，其实就是使用单点模式产品的差分功能进行差分GPS（DGPS）定位，其定位精度大大提高。但此种方式需要自建一个基准站，因此费用太高。,Garmin GPS 15L,主要性能指标如下： （1）有标准定位服务实现了全导航精度； （3）位置精度:15m； （4）速度限制：515m/s； （5）热启动时间：15s； （6）重捕获时间:2s; （7）自动定位（年里已知，初始位置和时间数据未知）时间：1.5分钟； （8）冷启动（初始位置、时间、年历数据一致、星历表未知）时间:45s; （9）高性能接收装置跟踪12颗卫星。,GPS15L在加电后基本运行过程：,（1）自检。加电后开始自检，并通过输出通道报告自检结果，自检过程将检测RAM、flash、接收器、实时时钟和晶振。 （2）初始化。自检完毕后，将开始卫星探测和跟踪过程。整个探测过程是完全自动，正常情况下，GPS 15L将用45s的时间获取位置定位信息，之后通过输出通道传送有效位置、速度和时间信息。 （3）导航。探测完毕后，GPS 15L将通过输出通道发送有效的导航信息，包括经纬度、海拔、速度、日期/时间、误差估计、卫星和接收器状态。 （4）卫星数据收集。在运行时，GPS 15L将自动更新卫星轨道数据。,GPS串口模块应用实例,Garmin GPS 15L,天线BNC接头,串行接口,GPS15L硬件接口,Garmin GPS 15L与计算机连接,Garmin GPS 15L与单片机连接,Garmin GPS 15L语句格式说明,（1）输出语句使能/禁用（PGRMO） $PGRMO，*hh ：目标语句名（如GPGSA、PGRMT、GPRMC等）； ：目标语句的状态设置。为0则禁用此目标语句，为1则使能此目标语句，为2则禁用所有语句，为3则使能所有语句（GPALM语句除外），为4则恢复出厂值。,（2）推荐最小GPS/TRANSIT数据（GPRMC） $GPRMC，*hh ：UTC（世界时）当地时间。“时时分分秒秒”格式。 ：工作状态。A为可用，V为接收器报警，不可用。 ：纬度。“度度分分.分分分分”格式（前面的0也会传送）。 ：纬度半球。N或者S。 ：经度。“度度分分.分分分分”格式（前面的0也会传送）。 ：经度半球。E或者W。 ：对地速度。000.0999.9节（前面的0也会传送）。 ：对地航向。000.0359.9（前面的0也会传送）。 ：UTC当地时间。“天天月月年年”格式。 ：磁变。磁偏角地球磁场在不同时间、不同地点的偏差，000.0180.0. ：磁变方向。E或者W。 ：工作方式。A为自主，D为差分，E为评估，N为数据无效。,代码走读及参考文献,源代码参见,参考文献： 戴佳，戴卫恒.51单片机C语言程序设计程序精讲，北京：电子工业出版社，2006,04,236-246,