航空航天技术——GPS全球卫星定位系统.ppt

GPS 基础技术研究阶段（1938-1973）基础技术研究1954-1956 扎奇里亚斯与松下公司制作出第一个自足式便携原子钟1957麻省理工学院开始研究卫星跟踪项目1961 航空公司开始了GPS系统的发展工作，用于满足军事需要1958年美国开始研制卫星定位系统（子午仪系统）（Transit）计划实施发展阶段（1973-1993）GPS实施计划共分三个阶段u第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。u第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。u第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成 技术发展成熟阶段（1994-2008）国内GPS民用方面发展 1/6陆地运输海洋运输建筑采矿农业电力系统民用航空通信医疗应用测绘科研家电主要民用范围 纸质地图Say Goodbye 2006年廉价PND方案发布，各大硬件厂商的生产成本得到了更好的控制，PND的价格由原来的天价慢慢走下神坛，给了普通消费者选择的机会，增加了GPS的普及速度。全覆盖地图的发布从根本上解决了GPS行业发展的一大瓶颈，解决了GPS普及上的难题。国内GPS民用方面发展 2/6 2007年GPS井喷式发展，移动导航在非智能手机上的应用使产业的发展速度成几何级增长。截止至07年底，市场上出现的GPS品牌多达千余，除了诺基亚、摩托罗拉这样的手机巨头和专注于此产业的GARMIN、任我游、新科等知名品牌外，其他小作坊品牌更是多如牛毛。国内GPS民用方面发展 3/6GPS市场品牌、产品鱼龙混杂 国内GPS民用方面发展 4/6 2008年GPS市场的复合增长率达到34.3，其中GPS手机成为增长速度最快的部分。消费人群也由高端车主逐渐延伸到中低端，这主要得益于消费者对于GPS带来方便的认知度越来越高，同时一些大品牌主流机型的价格下调也成为销量增长的主要推动力。TD-SCDMA-3G标准试运行 GPS产品定位不再局限于导航功能，除了具备卫星同步精确定位、最佳路径搜索、同步语音导航、生活资讯查询等功能和城市地图精准导航之外，还会集移动电视、视频播放和电子相册等娱乐功能，并融入了蓝牙免提、倒车后视、TMC、电子狗、WIFI等实用功能于一身。国内GPS民用方面发展 5/6功能更加多样，产品更加实用 挑战与机遇并存。2009年GPS市场来说，一直处在一种“半沉睡”的状态，与前两年所出现的“井喷”现象擦肩而过。低价扰市和盗版地图横行成为阻碍GPS市场正常发展的隐患。2009年，包括燃油税改革，汽车产业调整和振兴规划、购置税减半、汽车下乡、汽车报废补贴、汽车以旧换新等一系列鼓励汽车消费利好政策的密集出台，带动上半年汽车销量增长。GPS地图数据发展迅猛，硬件逐步提高，扩展功能更加多元化。国内GPS民用方面发展 6/6 GPS基础概念坐标系统时间系统GPS卫星星历导航电文和卫星信号GPS接收机的类型与工作原理 GPS坐标系统坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的.在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：一类是在空间固定的坐标系，另一类是与地球体相固联的坐标系统.坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系.为了确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统.GPS时间系统在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差。IAT-GPST=19s，GPS时与协调时的时刻，规定在1980年1月6日0时一致，随着时间的积累，两者的差异将表现为秒的整数倍 GPS时间系统在GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在：GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于2.6 10-6s。准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于3 10-11s GPS卫星轨道卫星轨道在GPS定位中的意义:卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。1.卫星作为位置已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；2.在相对定位时，当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。3.为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。GPS卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。外推的星历实时提供精度不高计算后所得星历事后提供精度较高，达分米 GPS卫星信号关于GPS卫星信号GPS卫星所发射信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或D码）等多种信号分量，而其中P码和C/A码统称为测距码。GPS卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题。GPS卫星信号的测距码C/A码C/A码：用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。C/A码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的1/101/100，则相应的测距误差为29.32.93m。由于精度低，又称粗码。GPS卫星信号的测距码 P码 P码是卫星的精测码，码率为10.23MHZ，产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。P码的周期长，267天重复一次。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，仅为C/A码的1/10，故P码称为精码。P码是专为军用！GPS卫星导航电文GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息。导航电文又称为数据码（或D码）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。GPS接收机天线前置放天线前置放大器大器信号处理信号处理器器微处理器微处理器导航计算机导航计算机震荡器震荡器用户信息用户信息传输传输数据存储器数据存储器外部传输外部传输电源电源 GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备和电源等。接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。GPS接收机工作原理当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。GPS 内涵GPS简史GPS的主要目的GPS构成GPS原理 GPS简史GPS 是Global Positioning System（全球定位系统）的简称，中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成 GPS的主要目的为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。GPS构成（1/3）1.空间部分 GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗),轨道倾角为55。此外,还有3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能得到在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。GPS构成（2/3）2.地面控制系统 地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。GPS构成（3/3）3.用户设备部分 用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。GPS原理 1/3GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS原理 2/3 可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。GPS原理 3/3 GPS 种类 按接受机用途分1/41.导航型接收机 此类型主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低(10m)，有SA影响时为100m。价格便宜，应用广泛。根据应用领域不同，还可以进一步分为：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。要求适应高速运动 星载型用于卫星的导航定位。要求更高。GPS 种类 按接受机用途分2/42.测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。GPS 种类 按接受机用途分3/43.授时型接收机 这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。GPS 种类 按接受机用途分4/44.车载GPS当通过硬件和软件做成GPS定位终端用于车辆定位的时候，称为车载GPS,但光有定位还不行，还要把这个定位信息传到报警中心或者车载GPS持有人那里，我们称为第三方。所以GPS定位系统中还包含了GSM网络通讯（手机通讯），通过GSM网络用短信的方式把卫星定位信息发送到第三方。通过微机解读短信电文，在电子地图上显示车辆位置。这样就实现了车载GPS定位。GPS 种类 按接收机的载波频率分类单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（双频接收机 双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。三个球面相交理解定位原理假设某颗卫星在空中的位置为W1，GPS接收机离W1的距离为D1，则接收机必定在以W1为圆心、以D1为半径的球面上。D1D1W1W1GPS全球定位系统原理 如果同时接收两颗卫星的信号，则两个球面相交成一条圆弧，点位被限制在这条曲线上。D1D2W1W2 同理，三个球面相交在一点，即根据3段距离值可确定一点的空间位置（坐标）。D1D2D3W3W1W2 差分定位利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。下面介绍一种差分定位的方法：位置差分。位置差分原理 位置差分是一种最简单的差分方法。安置在已知点基准站上的GPS接收机，经过对4颗或4颗以上的卫星观测，便可实现定位，求出基准站的坐档。由于存在着卫星星历、时钟误差、大气折射等误差的影响，该坐标与已知坐标(X，Y，Z)不一样，存在误差。基准站利用数据链将坐标改正数发送给用户站，用户站对其坐标进行改正：经过坐标改正后的用户坐标已消除了基准站与用户站的共同误差，如卫星星历误差、大气折射误差、卫星钟差、SA政策影响等，提高了定位精度。坐标差分的优点是需要传输的差分改正数较少，计算方法较简单，任何一种GPS接收机均可改装成这种差分系统。其缺点主要为：(1)要求基准站与用户站必须保持观测同一组卫星，由于基准站与用户站接收机配备不完全相同，且两站观测环境也不完全相同，因此难以保证两站观测同一组卫星，将导致定位误差的不匹配，从而影响定位精度。(2)坐标差分定位效果不如伪距差分好。经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。GPS的应用GPS在交通运输中的应用GPS在公安工作中的应用GPS在军事上的应用GPS在生活上的应用GPS的其他应用 GPS在交通运输中的应用 1/2GPS在道路工程中的应用a.主要用于建立各种道路工程网及测定航测外控点等，如沪宁、沪杭告诉公路的上海段就是利用GPS建立了首级控制网，然后用常规方法布设导线加密.b.也应用于特大桥梁的控制测量中，如在江阴长江大桥的建设中，首先用常规方法建立了高精度边角网，然后利用GPS对该网进行检测.GPS在交通运输中的应用 2/2车辆跟踪提供出行路线规划和导航信息查询话务指挥紧急援助GPS在汽车导航和交通管理中的应用三维导航：GPS的首要功能，为船舶,汽车,飞机等运动物体进 行定位导航。船舶远洋导航和进港引水 飞机航路引导和进场降落 汽车自主导航 地面车辆跟踪和城市智能交通管理 GPS在公安工作中的应用将跟踪定位、报警、监控、指挥调度系统融为一体，形成现代化、动态化的公安通信指挥系统采用GPS技术装备了定位追踪报警指挥系统和部分巡逻警车，建立警用移动目标卫星定位指挥系统金融保卫部门中建立了运钞车等运动目标和金库等固定目标的卫星定位跟踪监控系统，提高了处理突发事件的快速反应能力 GPS在军事上的应用1.GPS在海湾战争中的应用2.GPS应用于B-52、F-163.精确标定战场重点设施的位置4.用于空战指挥和控制5.GPS用于地面部队6.用于扫雷 GPS在生活上的应用教育教育应应用用地图地图坐标坐标网格网格比例尺比例尺方位方位GPSGPS原理原理地理实察地理实察结合结合GISGIS结合结合RSRS系统地理系统地理区域区域/世世界地理界地理游戏游戏学习学习小区制图小区制图空间分析空间分析乡土教育乡土教育环境教育环境教育验证影像判释验证影像判释导航导航资料收集与展示资料收集与展示地点型学习地点型学习数据库整合应用数据库整合应用导航系统导航系统学习导览系统学习导览系统小区安全小区安全生态调查生态调查历史古迹调查历史古迹调查校园环境调查校园环境调查GLOBEGLOBE计划计划土地覆盖调查土地覆盖调查辅助地形气候辅助地形气候解说解说多媒体数据库多媒体数据库旅行日志旅行日志大地大地寻宝寻宝猎点计划猎点计划玉米田迷宫玉米田迷宫生活圈制图生活圈制图旅行图创作旅行图创作 GPS在生活上的应用个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体）GPS在生活上的应用人身安全系统应用 科技业者研发出GPS智慧鞋(350$，将2*3的芯片装置在鞋底，方便追踪穿着鞋子的主人目前的行踪)。GPS的其他应用 1/2电力，邮电，通讯等网络的时间同步 准确时间的授入 准确频率的授入获得气象数据GPS用于救援，紧急救生GPS用于森林防火GPS用于地震预报GPS用于大坝及地面沉降的监测个人旅游及野外探险 GPS的其他应用 2/2各种等级的大地测量，控制测量道路和各种线路放样 水下地形测量 地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测 GIS应用 工程机械（轮胎吊，推土机等）控制 精细农业 Thank you