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1、第三章 GPS的构成1 1第三章 GPS的构成一、本章学习目的一、本章学习目的 了解了解GPS的全球定位系统的组成、特点和的全球定位系统的组成、特点和相关概念、驾驭单点定位原理。相关概念、驾驭单点定位原理。二、本章学习内容二、本章学习内容 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 其次节其次节 GPS的定位原理的定位原理2 2空间部分空间部分限制部分限制部分用户部分用户部分第一节 全球定位系统概述 GPS定位系统由三部分组成，定位系统由三部分组成，即即空间星座部分空间星座部分、地面监控部地面监控部分和用户设备部分分和用户设备部分。3 3一、空间星座部分一、空间星座部分（一）（一）GPSG
2、PS卫星星座的构成卫星星座的构成 GPS GPS卫星星座由卫星星座由2424颗卫星构成（其中颗卫星构成（其中3 3颗备用卫颗备用卫星）。轨道面相对赤道面倾角为星）。轨道面相对赤道面倾角为5555度，卫星轨道为度，卫星轨道为圆形，平均高度圆形，平均高度20200km20200km，运行周期，运行周期1111小时小时5858分，每分，每颗卫星对地球可见面积为地表面积的颗卫星对地球可见面积为地表面积的37.92%37.92%，且放，且放射信号达到地表较平均。每颗卫星每天约有射信号达到地表较平均。每颗卫星每天约有5 5小时在小时在地平线以上，而且位于地平线以上的卫星数目是随地平线以上，而且位于地平线以
3、上的卫星数目是随时间和地点而异，最少为时间和地点而异，最少为4 4颗、最多可达颗、最多可达1111颗。颗。3 3颗颗备用卫星可在必要时依据指令代替发生故障的卫星，备用卫星可在必要时依据指令代替发生故障的卫星，以保证以保证GPSGPS空间部分正常高效地工作。空间部分正常高效地工作。第一节 全球定位系统概述 4 4空空间间星星座座部部分分5 56 6轨道平面图轨道平面图7 7（二）（二）GPSGPS卫星及其功能卫星及其功能 GPS GPS卫星主体呈圆柱形，直径卫星主体呈圆柱形，直径1.5m1.5m，重，重774kg (774kg (其其中包括中包括310kg310kg燃料燃料)，两侧设有两块，两侧
4、设有两块7 7双叶太阳能板，双叶太阳能板，能自动对日定向，保证卫星正常工作用电。每颗卫星上能自动对日定向，保证卫星正常工作用电。每颗卫星上装备了装备了4 4台高精度的原子钟台高精度的原子钟(2(2台铷钟台铷钟2 2台铯钟，稳定度为台铯钟，稳定度为10-1310-1310-14)10-14)，是卫星的核心设备。它将放射标准频，是卫星的核心设备。它将放射标准频率信号。计算机、无线电收发两用机设计寿命为率信号。计算机、无线电收发两用机设计寿命为7.57.5年。年。每颗卫星以两个每颗卫星以两个L L波段频率放射无线电信号到用户定位波段频率放射无线电信号到用户定位设备设备:L1=1575.42MHz(L
5、1=1575.42MHz(波长约波长约19cm)19cm)L2=1227.60MHz(L2=1227.60MHz(波长约波长约24cm)24cm)第一节 全球定位系统概述 8 8GPS-Block IIA Satellite GPS-Block IIA Satellite(Credits:(Credits:NASANASA)GPS-Block I Satellite GPS-Block I Satellite(Credits:(Credits:NASANASA)第一节 全球定位系统概述 9 9GPS-Block IIF Satellite(Credits:GPS-Block IIF Satel
6、lite(Credits:NASANASA)1010GPSGPS卫星基本功能卫星基本功能u(1)(1)接收和储存由地面监控站发来的导航信息、接收和储存由地面监控站发来的导航信息、u 执行监控站的限制指令；执行监控站的限制指令；u(2)(2)由星载微处理机进行部分必要的数据处理；由星载微处理机进行部分必要的数据处理；u(3)(3)通过星载的高精度原子钟供应精密的时间标准；通过星载的高精度原子钟供应精密的时间标准；u(4)(4)向用户发送定位信息；向用户发送定位信息；u(5)(5)在地面监控站指令下调整卫星姿态和启用备在地面监控站指令下调整卫星姿态和启用备 用卫星。用卫星。1111二、二、地面监控
7、部分地面监控部分 一个主控站（监测站）一个主控站（监测站）三个注入站（监测站）三个注入站（监测站）一个监测站一个监测站第一节 全球定位系统概述 1212夏威夷夏威夷科罗拉多科罗拉多迭戈加西亚迭戈加西亚阿松森岛阿松森岛卡瓦加兰卡瓦加兰二、二、地面监控部分地面监控部分1313（一）（一）主控站主控站 主控站设在科罗拉多（主控站设在科罗拉多（ColoradoColorado）法尔孔空军）法尔孔空军基地基地 。其任务是协调和管理全部地面监控系统的工。其任务是协调和管理全部地面监控系统的工作。除此之外，其主要功能是：作。除此之外，其主要功能是：（1 1）依据全部观测资料推算编制各卫星的星历，）依据全部观
8、测资料推算编制各卫星的星历，卫星钟差、大气层的修正参数等。卫星钟差、大气层的修正参数等。（2 2）供应全球定位系统的时间基准。）供应全球定位系统的时间基准。（3 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。行。（4 4）启用备用卫星以代替失效的卫星。）启用备用卫星以代替失效的卫星。第一节 全球定位系统概述 1414（二）（二）注入站注入站 大西洋的阿松森岛大西洋的阿松森岛(Ascension)(Ascension)三个注入站设在三个注入站设在 印度洋的迭戈加西亚印度洋的迭戈加西亚(Diogo(Diogo Garcia)Garcia)南太平洋的卡瓦加兰南太平
9、洋的卡瓦加兰(Kwajalein)(Kwajalein)每个注入站有一台直径每个注入站有一台直径3 36m6m的天线，一台的天线，一台C C波波段放射机和一台计算机。段放射机和一台计算机。注入站其主要任务是：在主控站的限制下，将注入站其主要任务是：在主控站的限制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它限制指令每天一次地注入相应卫星的存储系统，其它限制指令每天一次地注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。存储器具备长达并监测注入信息的正确性。存储器具备长达1414天的天的预报实力。预报实力。第一节 全球定位系统概述 1515（三）
10、（三）监测站监测站 监测站有监测站有5 5个，前面的主控站、注入站同时又是监个，前面的主控站、注入站同时又是监测站，并在夏威夷还设有一个监测站。监测站是在主测站，并在夏威夷还设有一个监测站。监测站是在主控站的干脆限制下的数据自动采集中心，站内设有控站的干脆限制下的数据自动采集中心，站内设有P P码码GPSGPS接收机、精密铯钟、计算机、环境数据传感器等，接收机、精密铯钟、计算机、环境数据传感器等，对所接收的卫星进行连续的对所接收的卫星进行连续的P P码伪距跟踪测量，并将每码伪距跟踪测量，并将每隔隔1.5s1.5s的观测结果、电离层和气象数据，实行平滑方的观测结果、电离层和气象数据，实行平滑方法
11、，获得每法，获得每15min15min的结果数据，传送到主控站。的结果数据，传送到主控站。整个整个GPSGPS监控系统除主控站外均无人值守，各站间监控系统除主控站外均无人值守，各站间接受现代化的通讯网络联系，在原子钟和计算机的精接受现代化的通讯网络联系，在原子钟和计算机的精确限制下，各项工作实现高度的自动化和标准化。确限制下，各项工作实现高度的自动化和标准化。第一节 全球定位系统概述 1616三、用户部分三、用户部分 主要由主要由GPSGPS接收机构成。接收机构成。(一一)GPS)GPS接收机的基本结构：接收机的基本结构：天线：带前置放大器，将接收到的天线：带前置放大器，将接收到的GPSGPS
12、卫星无线电信号进行放大；卫星无线电信号进行放大；信号处理器：用于信号识别和处理；信号处理器：用于信号识别和处理；微处理器：用于接收机的限制、数据采集和导航微处理器：用于接收机的限制、数据采集和导航计算计算 用户信息传输：包括操作板、显示板、数据存储用户信息传输：包括操作板、显示板、数据存储器；器；振荡器：用于产生精密的标准频率；振荡器：用于产生精密的标准频率；电源：为接收机工作供应电源电源：为接收机工作供应电源第一节 全球定位系统概述 1717三、用户部分三、用户部分 带带前前置置放放大大器器，将将接接收收到到的的GPS卫卫星星无无线线电电信信号号进进行行放放大大；信号处理器：用于信号识别和处
13、理；信号处理器：用于信号识别和处理；微处理器：用于接收机的限制、数据微处理器：用于接收机的限制、数据采集和导航计算采集和导航计算 用户信息传输：包括操作板、显示板、用户信息传输：包括操作板、显示板、数据存储器；数据存储器；振荡器：用于产生精密的标准频率；振荡器：用于产生精密的标准频率；电源：为接收机工作供应电源电源：为接收机工作供应电源1818三、用户部分三、用户部分 GPSGPS全站仪全站仪超站仪超站仪1919麦哲伦麦哲伦315手持手持GPS2020手持手持手持手持GPSGPSGPSGPS2121（二）（二）GPSGPS接收机的类型接收机的类型 1 1、按编码信息分类、按编码信息分类 有码接
14、收机：它是已知卫星编码结构信息，利用相关有码接收机：它是已知卫星编码结构信息，利用相关技术接收的。各种用于导航和定位的接收机都接技术接收的。各种用于导航和定位的接收机都接受这一技术。它的观测量主要是伪距。为了提高受这一技术。它的观测量主要是伪距。为了提高定位精度，经过改进增加了多普勒计数和载波相定位精度，经过改进增加了多普勒计数和载波相位观测量。位观测量。无码接收机：它不须要预先知道编码内容和结构。其无码接收机：它不须要预先知道编码内容和结构。其观测量是载波相位、码相位和信号特流。这种接观测量是载波相位、码相位和信号特流。这种接收机用于精密测量工作，定位精度很高。收机用于精密测量工作，定位精度
15、很高。第一节 全球定位系统概述 22222 2、按接收的卫星信号频率分类、按接收的卫星信号频率分类 单频接收机（单频接收机（L1L1）：只能接收经调制的）：只能接收经调制的L1L1信号，由于修信号，由于修正模型不完善，精度较差。正模型不完善，精度较差。双频接收机（双频接收机（L1+L2L1+L2）：同时接受）：同时接受L1L1和和L2L2信号，可以消退信号，可以消退或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。第一节 全球定位系统概述 2323 3、按工作原理分类 码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码（C/A码，P码）结构完全相同的复制码。平方
16、型接收机：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。混合型接收机：综合利用相关技术和平方技术的优点，可以同时获得码相位和载波相位观测量。在目前的测量中多属这种类型。第一节 全球定位系统概述 2424 4、按接收机通道方式分类 时序接收机：这是一种最简洁的接收机。一般接受单通道或双通道，按时间分割法对各个卫星电文的提取和伪距测量。由于微电子学技术的发展，已经用多通道接收机代替时序接收机。多路复用接收机：这是一种单通道多路复用接收机。它能同时接收多颗卫星的信号，用同一通道，以此来抵消通道间的时延差别。它能准同步观测几颗卫星。多通道接收机：又称为并行通道接收机。这是当前
17、GPS接收机的发展趋势。由于微电子技术的发展，在一块芯片上可以做5、6、8、9、12通道，且通道间的时延偏差很小。有的精密接收机还能进行通道间的自校正。它能同时观测几颗卫星。第一节 全球定位系统概述 25255 5、按接受的电子器件分类、按接受的电子器件分类 模拟式接收机：接受模拟电路的接收机。一般体积大、模拟式接收机：接受模拟电路的接收机。一般体积大、笨重、耗电量大。目前已被淘汰。笨重、耗电量大。目前已被淘汰。数字式接收机：接受大规模专用芯片制造的接收机。一数字式接收机：接受大规模专用芯片制造的接收机。一般体积小、灵活省电。般体积小、灵活省电。混合式接收机：这是最常见的接收机。数字电路接受大
18、混合式接收机：这是最常见的接收机。数字电路接受大规模专用芯片，而放大电路接受模拟器件。规模专用芯片，而放大电路接受模拟器件。第一节 全球定位系统概述 26266 6、按性能分类、按性能分类 X X型接收机：这是一种高动态应用的接收机，适用于高速型接收机：这是一种高动态应用的接收机，适用于高速飞行的运输工具，例如飞机、导弹和飞船。飞行的运输工具，例如飞机、导弹和飞船。Y Y型接收机：这是中动态应用的接收机。主要用于速度较型接收机：这是中动态应用的接收机。主要用于速度较慢的运动目标，例如低于慢的运动目标，例如低于400km/h400km/h的民用飞机。的民用飞机。Z Z型接收机：这是动态应用的接收
19、机。主要用于地面车辆、型接收机：这是动态应用的接收机。主要用于地面车辆、徒步或定点的定位。徒步或定点的定位。第一节 全球定位系统概述 27277 7、按用途分类、按用途分类 导航型接收机：用于确定船舶、车辆和飞机的实时位置导航型接收机：用于确定船舶、车辆和飞机的实时位置和速度，使载体按预定的路途航行，一般接受测码伪距，或和速度，使载体按预定的路途航行，一般接受测码伪距，或实时差分实时差分GPSGPS（RTDGPSRTDGPS）定位，精度较低。）定位，精度较低。测时型接收机：供各种观测台和天文台定时用。测时型接收机：供各种观测台和天文台定时用。测量型接收机：一般接受载波相位进行相对定位，精度测量
20、型接收机：一般接受载波相位进行相对定位，精度较高。结构困难，价格较贵。较高。结构困难，价格较贵。第一节 全球定位系统概述 2828 本世纪初，随着无线电技术的出现，各种无线电导航、本世纪初，随着无线电技术的出现，各种无线电导航、定位系统相继出现，如欧米伽定位系统相继出现，如欧米伽(omega)(omega)系统，罗兰系统，罗兰C C(loran-C)(loran-C)系统、台卡系统、台卡(Tacan)(Tacan)系统和微波着陆系统系统和微波着陆系统(MLS)(MLS)等。等。无线电导航定位的基本原理实质上就是测量学中的多点测距无线电导航定位的基本原理实质上就是测量学中的多点测距前方交会，由于
21、定位过程中存在着信号传播路径、气象元素前方交会，由于定位过程中存在着信号传播路径、气象元素覆盖面小等问题，难以获得志向精度。受无线电导航定位系覆盖面小等问题，难以获得志向精度。受无线电导航定位系统的启发，统的启发，19571957年苏联放射第一颗卫星后，人们马上把目光年苏联放射第一颗卫星后，人们马上把目光投向了以卫星为放射无线电波源的卫星定位系统。投向了以卫星为放射无线电波源的卫星定位系统。其次节 GPS定位原理2929 1958 1958年，美国海军武器试验室着手实施为美国海军舰艇导航服务的卫年，美国海军武器试验室着手实施为美国海军舰艇导航服务的卫星系统，即星系统，即“海军导航卫星系统海军导
22、航卫星系统”(Navy Navigation Satellite”(Navy Navigation Satellite SystemNNSS)SystemNNSS)，历时，历时8 8年，年，19641964年系统建成，年系统建成，19671967年，美国政府批准系统年，美国政府批准系统解密，供应民用。由于解密，供应民用。由于NNSSNNSS接受多普勒原理定位，因此又称卫星多普勒定接受多普勒原理定位，因此又称卫星多普勒定位。由于位。由于NNSSNNSS系统卫星数少系统卫星数少(5(56 6颗颗)，运行高度较低，运行高度较低(平均约平均约1000km)1000km)。定。定位时间长位时间长(平均平
23、均1 12 2天天)，因此无法供应实时、三维导航，难以满足高动态，因此无法供应实时、三维导航，难以满足高动态目标目标(如飞机、导弹如飞机、导弹)导航的要求，精度也低导航的要求，精度也低(单点单点3 35m5m，相对精度，相对精度1m)1m)，因而，在地球定位中受到很大限制，但因而，在地球定位中受到很大限制，但NNSSNNSS导航定位思想方法基础却是划导航定位思想方法基础却是划时代的。时代的。其次节 GPS定位原理3030 为满足军事、科研、民用部门对连续、实时、动态导航为满足军事、科研、民用部门对连续、实时、动态导航定位的要求，从定位的要求，从19731973年起先，美国国防部组织陆海空三军年
24、起先，美国国防部组织陆海空三军研制新一代的当代高新科技研制新一代的当代高新科技GPSGPS，即所谓的，即所谓的“授时与测距系授时与测距系统统/全球定位系统全球定位系统”(Navigation System Timing and”(Navigation System Timing and Ranging/Global Position SystemNAVSTAR/GPS)Ranging/Global Position SystemNAVSTAR/GPS)，通，通称全球定位系统。称全球定位系统。在美国，在美国，2020世纪世纪7070年头起先规划年头起先规划GPSGPS，8080年头实施，年头实施
25、，9090年头运营，耗资年头运营，耗资300300多亿美元，是美国实施投资项目中仅次多亿美元，是美国实施投资项目中仅次于阿波罗登月支配和航天飞机的空间工程。于阿波罗登月支配和航天飞机的空间工程。其次节 GPS定位原理3131其次节 GPS定位原理一、基本概念一、基本概念1 1、高电平：在数字逻辑电路中，将电路输出电压在、高电平：在数字逻辑电路中，将电路输出电压在5V5V并维并维 持一个单元时间称之，定义为持一个单元时间称之，定义为“1”“1”。2 2、低电平：在数字逻辑电路中，将电路输出电压在、低电平：在数字逻辑电路中，将电路输出电压在0.350.35 0.00V 0.00V并维持一个单元时间
26、称之，并维持一个单元时间称之，定义为定义为“0”“0”。3 3、二进制数字码序列：将高、低电平依据时间依次、二进制数字码序列：将高、低电平依据时间依次连续排连续排 列构成的码序列称之。列构成的码序列称之。4 4、码元（也称比特，即、码元（也称比特，即bitbit）：二进制数字码序列中）：二进制数字码序列中的一个的一个 电平二进制数称之。电平二进制数称之。5 5、调制：将低频信号（不仅是二进制数字码序列信、调制：将低频信号（不仅是二进制数字码序列信号，也可以是不规则的人的声音信号、音乐信号）号，也可以是不规则的人的声音信号、音乐信号）“装载装载”到高到高 频电磁波的过程。频电磁波的过程。3232
27、其次节 GPS定位原理6 6、解调解调：从带有高频电磁波载波信号中解译释放出原信号的：从带有高频电磁波载波信号中解译释放出原信号的过程。过程。7 7、二进制随机序列有、二进制随机序列有3 3个个特点特点：（1 1）该序列是非周期性序列，不能预先确定，不能复制。）该序列是非周期性序列，不能预先确定，不能复制。（2 2）每一码元的二进制值非）每一码元的二进制值非“0”“0”即即“1”“1”完全随机，换句话完全随机，换句话说，序列中说，序列中“1”“1”和和“0”“0”出现的概率为出现的概率为1/21/2。这种码元幅值。这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。
28、随机噪声码序列。（3 3）具有良好的相关性。其相关函数定义为：）具有良好的相关性。其相关函数定义为：3333其次节 GPS定位原理8 8、随机码：凡是具有、随机码：凡是具有3 3个特点的二进制数字码序列的码称个特点的二进制数字码序列的码称之。之。9 9、伪随机码：凡是具有周期性的而又有良好自相关特性的、伪随机码：凡是具有周期性的而又有良好自相关特性的数字码称之。数字码称之。1010、伪距、伪距(Pseudo range)(Pseudo range)：将接收机中：将接收机中GPSGPS复制码对准所接复制码对准所接收的收的GPSGPS码所须要的时间偏移并乘以光速化算的距离。此码所须要的时间偏移并乘
29、以光速化算的距离。此时间偏移是信号接收时刻时间偏移是信号接收时刻(接收机时间系列接收机时间系列)和信号放射和信号放射时刻时刻(卫星时间系列卫星时间系列)之间的差值。之间的差值。3434其次节 GPS定位原理二、GPS定位的特点(1)全球地面连续覆盖，24颗匀整分布的卫星保证地面上任何地点，任何时刻最少可以接收4颗以上的卫星，最多可以接收11颗卫星，从而保障全球、全天候连续、实时、动态导航、定位。(2)功能多，精度高，可为各类用户连续供应动态目标的三维位置、三维航速和时间信息。目前，单点实时定位精度为15100m，静态相对定位为10-610-8，测速0.1m/s，授时10纳秒。3535其次节 G
30、PS定位原理(3)(3)实时定位速度快，可在实时定位速度快，可在1 1秒内完成。秒内完成。(4)(4)抗干扰性能好，保密性强。抗干扰性能好，保密性强。(5)(5)操作简洁。操作简洁。(6)(6)两观测点间不需通视，对于等级大地点节约了两观测点间不需通视，对于等级大地点节约了造标费用，此项费用可占总测量费用的造标费用，此项费用可占总测量费用的30%30%50%50%。(7)(7)可同时供应三维坐标。可同时供应三维坐标。(8)(8)全天候作业。全天候作业。3636三、三、GPSGPS定位原理：定位原理：这里主要说明单点定位原理。设有这里主要说明单点定位原理。设有i=1,2,3,4i=1,2,3,4
31、四颗四颗卫星，在某一时刻卫星，在某一时刻tjtj的瞬时坐标为的瞬时坐标为i(Xi,Yi,Zi)i(Xi,Yi,Zi)，欲确，欲确定地面上某点定地面上某点P P的三维坐标的三维坐标(Xp,Yp,Zp)(Xp,Yp,Zp)，通过，通过GPSGPS接收机接收机测得测得P P点到各卫星的空间距离点到各卫星的空间距离Si(i=1,2,3,4)Si(i=1,2,3,4)，由于接收，由于接收机钟为质量较低的石英钟，故其测时误差机钟为质量较低的石英钟，故其测时误差TT不行忽视，不行忽视，至于卫星钟，均配有原子钟，其测时精度较高，在阐述至于卫星钟，均配有原子钟，其测时精度较高，在阐述单点定位原理时可忽视，另外，
32、对流层、电离层对测距单点定位原理时可忽视，另外，对流层、电离层对测距的影响，卫星星历等误差对测距的影响可以忽视，因而，的影响，卫星星历等误差对测距的影响可以忽视，因而，其次节 GPS定位原理3737其次节 GPS定位原理 (i=1,2,3,4)(i=1,2,3,4)式中有式中有X Xp p、Y Yp p、Z Zp p、T T共计共计4 4个未知数，个未知数，4 4颗卫星测距恰好能确定，解上颗卫星测距恰好能确定，解上式式4 4个四元二次方程可得之，当多于个四元二次方程可得之，当多于4 4颗卫星颗卫星或观测历元或观测历元t tj j更多时，可用最小二乘原理解更多时，可用最小二乘原理解之。上式中之。上式中C C为光速。为光速。3838GPSGPS卫星接收机的定位原理示意图卫星接收机的定位原理示意图卫星接收机的定位原理示意图卫星接收机的定位原理示意图3939第三章第三章 GPS GPS的构成的构成-思索题：思索题：1、GPS定位的基本概念。定位的基本概念。2、全球定位系统的主要组成部分及各部分的、全球定位系统的主要组成部分及各部分的功能。功能。3、GPS定位的特点及单点定位原理是什么？定位的特点及单点定位原理是什么？4040