《GPS卫星导航系统》PPT课件

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1、卫 星 导 航 系 统http:/ 哈 尔 滨 工 程 大 学自 动 化 学 院 第 三 章 GPS系 统 与 信 号 本 章 内 容 安 排 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 的 作 用 GPS卫 星 导 航 电 文 GPS卫 星 在 轨 位 置 计 算 GPS技 术 展 望 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用 地 面 监 控 系 统卫星用户 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用GPS卫 星 轨 道 和 星 座 GPS系 统 卫 星 星 座 基 本 参 数 ：卫 星 数 （ 颗 ） 21+3轨 道 数 （ 个 ） 6倾 角 55轨 道 平 面 间 距 60运 行 周 期

2、 11h58min卫 星 轨 道 高 度 （ km） 20200 GPS卫 星 星 座 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用 GPS卫 星 24小 时 的 运 行 轨 道 图 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用 GPS星 座 的 卫 星 分 布 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用l GPS卫 星 作 用接 收 、 存 储 导 航 电 文生 成 并 发 送 用 于 导 航 定 位 的 信 号接 受 地 面 指 令 ， 进 行 相 应 操 作其 他 特 殊 用 途l 主 要 设 备太 阳 能 电 池 板原 子 钟 （ 2台 铯 钟 、 2台 铷 钟 ）信 号 生 成 与

3、 发 射 装 置 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用GPS地 面 监 控 系 统 空 间 段 注入站监测站主控站主 控 站 ： 1个 ; 监 测 站 ： 6个 ;注 入 站 ： 4个 ; 通 讯 与 辅 助 系 统 。 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用 Kwajalein AtollUS Space CommandHawaii Ascension Is. Diego GarciaCape Canaveral注入站主控站监测站 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用n 主 控 站 管 理 、 协 调 地 面 监 控 系 统 各 部 分 的 工 作 ， 收 集 各 监测

4、 站 的 数 据 ， 编 制 导 航 电 文 ， 送 往 注 入 站 将 卫 星 星 历 注 入 卫星 ， 监 控 卫 星 状 态 ， 向 卫 星 发 送 控 制 指 令 ； 卫 星 维 护 与 异 常情 况 的 处 理 。地 点 ： 美 国 科 罗 拉 多 州 法 尔 孔 空 军 基 地 。n 监 测 站 接 收 卫 星 数 据 ， 采 集 气 象 信 息 ， 实 时 监 测 卫 星 ， 并将 收 集 到 的 数 据 传 送 给 主 控 站 。地 点 ： 夏 威 夷 、 科 罗 拉 多 州 法 尔 孔 空 军 基 地 、 阿 松 森 群 岛 （大 西 洋 ） 、 迪 戈 加 西 亚 （ 印

5、度 洋 ） 、 卡 瓦 加 兰 （ 太 平 洋 ） 。 n 注 入 站 将 导 航 电 文 注 入 GPS卫 星 。 地 点 ： 阿 松 森 群 岛 （ 大 西 洋 ） 、 迪 戈 加 西 亚 （ 印 度 洋 ） 、 卡瓦 加 兰 （ 太 平 洋 ） 。 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用 地 面 监 控 系 统 框 图 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用用 户 设 备各 种 型 号 的 GPS接 收 机 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用接 收 机 分 类 （ 用 途 ） 车 载 型 用 于 车 辆 导 航 定 位 ； 航 海 型 用 于 船 舶 导 航 定 位

6、 ； 航 空 型 用 于 飞 机 导 航 定 位 ; 星 载 型 用 于 卫 星 导 航 定 位 ; 测 地 型 用 于 大 地 测 量 。 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用接 收 机 分 类 （ 载 波 频 率 ） 单 频 接 收 机 ： 单 频 接 收 机 只 能 接 收 L1载 波 信 号 ， 不能 消 除 电 离 层 误 差 ; 双 频 接 收 机 ： 双 频 接 收 机 可 以 同 时 接 收 L1、 L2载 波信 号 。 利 用 不 同 频 率 对 电 离 层 延 迟 的 差 别 ， 可 以 消 除 电 离 层 延 迟 的 影 响 。 单 频 接 收 机 双 频 接 收

7、 机 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用接 收 机 分 类 （ 通 道 数 ） 多 通 道 接 收 机 序 贯 通 道 接 收 机 多 路 多 用 通 道 接 收 机 内 置 SiRF第 三 代 20通道 高 灵 敏 度 接 收 机 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用接 收 机 分 类 （ 工 作 原 理 ） 码 相 关 型 接 收 机 ： 利 用 码 相 关 技 术 得 到 伪 距 观 测 值 ； 平 方 型 接 收 机 ： 利 用 载 波 信 号 的 平 方 技 术 去 掉 调 制信 号 ， 来 恢 复 完 整 的 载 波 信 号 ， 通 过 相 位 计 测 定 接收

8、机 内 产 生 的 载 波 信 号 与 接 收 到 的 载 波 信 号 之 间 的相 位 差 ， 测 定 伪 距 观 测 值 ； 混 合 型 接 收 机 ： 综 合 上 述 两 种 接 收 机 的 优 点 ， 既 可以 得 到 码 相 位 伪 距 ， 也 可 以 得 到 载 波 相 位 观 测 值 ； 干 涉 型 接 收 机 ： 将 GPS卫 星 作 为 射 电 源 ， 采 用 干 涉测 量 方 法 ， 测 定 两 个 测 站 间 距 离 。 GPS系 统 组 成 及 各 部 分 作 用GPS接 收 机 结 构 天 线 单 元 ： 包 括 接 收 天 线 和 前 置 放 大 器 。 对 天 线

9、 的性 能 要 求 有 ： 高 增 益 、 低 噪 声 系 数 、 大 的 动 态 范 围等 ； 接 收 单 元 ： 接 收 信 号 并 处 理 ， 计 算 需 要 的 信 息 ； 通 道 单 元 ： 包 括 码 延 迟 锁 定 环 （ DLL） 和 载 波 相 位锁 定 环 （ PLL） ； 计 算 和 显 示 单 元 ： 根 据 采 集 到 的 信 息 ， 计 算 和 显 示三 维 坐 标 和 速 度 ； 存 储 单 元 ： 用 于 存 储 输 入 的 各 种 数 据 ; 电 源 ： 提 供 接 收 机 需 要 的 电 能 。 GPS卫 星 信 号 GPS信 号 包 括 三 种 信 号 分

10、 量 ： 载 波 、 测 距 码 和 数 据 码(导 航 电 文 )。 时 钟 频 率 f0 =10.23MHz， 利 用 频 率 综 合 器 产 生 所需 要 的 频 率 。 GPS信 号 构 成 GPS卫 星 信 号载 波 （ L波 段 ）L1载 波 ： ， 波 长 ；L2载 波 ： ， 波 长 。 载 波 信 号 L1上 调 制 有 P码 、 C/A码 及 D码 ； 而 载波 信 号 L2上 只 调 制 P码 和 D码 。 其 信 号 结 构 为 ： 1 0154 1575.42MHzLf f 1 19.03cm 2 0120 1227.6MHzLf f 2 24.42cm 1 1 1

11、/ 1 12 2 2( ) ( )cos( ) ( ) ( )sin( )( ) ( )cos( )iL p i i i C A i i iiL p i i iS A P t D t t A G t D t tS B P t D t t GPS卫 星 信 号C/A码 （ Coarse/Acquisition Code） 由 M序 列 优 选 对 组 合 码 形 成 的 Gold码 （ G码 ）码 率 ： 1.023MHz；周 期 ： 1ms；1周 期 含 码 元 数 ： 1023；码 元 宽 度 ： 293.05m；仅 被 调 制 在 L1上 ；码 长 很 短 ， 可 以 在 一 秒 钟 搜

12、索 一 千 次 ， 所 以 C/A码 除 了 用 于 捕 获 卫 星 信 号 和 提 供 伪 距 观 测 量 外 ，还 可 以 过 渡 到 捕 获 P码 。 GPS卫 星 信 号 C/A码 构 成 原 理 图C/A码 产 生 GPS卫 星 信 号P码 （ Precise Code）由 两 个 伪 随 机 码 相 乘 构 成 ； 码 率 ： 10.23MHz；周 期 ： 7天 ；1周 期 含 码 元 数 ： 6187104000000；码 元 宽 度 ： 29.30m；被 调 制 在 L1和 L2上 。 C/A码 和 P码 导 航 电 文 （ D码 ）GPS卫 星 信 号电 文 结 构 GPS卫

13、 星 信 号电 文 内 容 GPS卫 星 信 号参 数位 数标度因子LSB有效范围单 位 数 据 龄 期 IODE 8 轨 道 半 径 正 弦 谐 波 校 正 项 的 幅 值 Crs 16a 2-5 米长 半 轴 的 平 方 根 值 16a 2-43 半圆基 准 时 间 的 平 近 点 角 M 0 32a 2-31 半圆升 交 距 角 余 弦 谐 波 校 正 项 的 幅 值 Cuc 16a 2-29 弧度轨 道 的 偏 心 率 e 32 2-33 0.03无量纲升 交 距 角 正 弦 谐 波 校 正 项 的 幅 值 Cus 16a 2-29 弧度平 均 运 动 修 正 量 32 2-19 星

14、历 的 基 准 时 间 t oc 16 24 604784 s倾 角 余 弦 谐 波 校 正 项 的 幅 值 Cic 16a 2-29 弧度近 地 点 角 32a 2-31 半圆n A米 00I GPS卫 星 信 号GPS卫 星 信 号 产 生 L1,SPSs (t) 2S d(t) G(t) cos(t ) n(t) GPS卫 星 信 号 信号功 率 S50 bps 导航电文 (1)1.023MHz PRN 码 (1)1575.42MHz L1 载频载波 相 位 （ 弧 度 ） Thermal Noise-174dBm/Hz调 制 C/A码 的 L1信 号 SPS与 PPSl SPS ： 标

15、 准 定 位 服 务 ， 使 用 C/A码 ， 民 用l PPS ： 精 密 定 位 服 务 ， 可 使 用 P码 ， 军 用SA技 术l 选 择 可 用 性 （ Selective Availability ） ： 人 为 降 低 普 通 用户 的 测 量 精 度 。l 方 法技 术 ： 轨 道 加 绕 （ 长 周 期 ， 慢 变 化 ）技 术 ： 星 钟 加 绕 （ 高 频 抖 动 ， 短 周 期 ， 快 变 化 ）AS Anti-Spoofingl 反 电 子 欺 骗 ： P码 加 密 ， P+W Y美 国 政 府 于 1991年 7月 1日 实 施 SA技 术 ， 2000年 5月 2

16、日 解 除 SA技 术GPS卫 星 信 号 GPS卫 星 信 号SA对 定 位 精 度 的 影 响 GPS卫 星 在 轨 位 置 计 算 0Maa(1-e2) S P卫 星 轨 道 GPS卫 星 在 轨 位 置 计 算 卫 星 运 行 的 平 均 角 速 度首 先 按 下 式 计 算 然 后 ， 根 据 电 文 给 出 的 摄 动 改 正 数 ， 计 算 经 摄动 改 正 后 的 平 均 角 速 度 n0n 1 / 2 0 3G Mn a 14 3 23.986005 10 ( / )GM m s n 0n n n GPS卫 星 在 轨 位 置 计 算 计 算 归 元 化 观 测 时 间 电

17、文 中 给 出 的 GPS卫 星 轨 道 参 数 是 对 应 于 参 考 时 刻 toe的 。 因 此 ， 于 某 时 刻 t 观 测 卫 星 ， 需 将 观 测 时 间 t归 化 为 tk tk t toe 式 中 tk称 作 以 参 考 时 刻 toe为 基 准 的 规 划 观 测 时 间 。 在 计 算 t k时 ， 应 注 意 toe是 由 每 星 期 历 元 （ 星 期 六 /星 期 日 子夜 零 点 ） 开 始 计 量 的 。 当 tk 302400 时 ， 应 减 去 604800s。当 tk 302400时 ， 应 加 上 604800s。 GPS卫 星 在 轨 位 置 计 算

18、 计 算 观 测 时 刻 的 卫 星 平 近 点 角式 中 为 电 文 中 给 出 的 参 考 时 刻 的 平 近 点角 。 计 算 观 测 时 刻 的 偏 近 点 角根 据 卫 星 电 文 给 出 的 偏 心 率 和 算 出 的 ， 用开 普 勒 方 程进 行 迭 代 解 算 。 kM0k kM M nt 0M oet kEe kMsink k kE M e E GPS卫 星 在 轨 位 置 计 算 计 算 真 近 点 角 根 据 “ 二 体 问 题 ” 公 式 则 的 计 算 公 式 为 或 采 用 下 式 计 算 kf cos cos / 1 cosk k kf E e e E 2sin

19、 1 sin / 1 cosk k kf e E e E 2arctan 1 sin / cosk k kf e E E e kf 2arctan 1 / 1 tan /2k kf e e E GPS卫 星 在 轨 位 置 计 算 计 算 升 角 距 角式 中 为 卫 星 电 文 给 出 的 近 地 点 角 距 。 计 算 摄 动 改 正 项 ， 和kk kf u r i sin 2 cos 2 u k kus ucC C sin 2 cos 2r k krs rcC C sin 2 cos 2i k kis icC C GPS卫 星 在 轨 位 置 计 算 计 算 经 摄 动 改 正 的 升

20、 角 距 角 、 卫 星 矢 径 和 轨 道 倾 角 计 算 卫 星 在 轨 道 坐 标 系 的 位 置轨 道 坐 标 系 的 原 点 在 地 球 质 心 ， 轴 指 向 升 交点 方 向 ， 轴 指 向 轨 道 平 面 的 法 线 方 向 ， 轴与 、 轴 构 成 右 手 坐 标 系 。 卫 星 在 轨 道 坐 标系 的 位 置 为 ku krki k k uu (1 cos ) k k rr a e E 0k ki i i it xz yx zcosk k kx r u sin k k ky r u0kz GPS卫 星 在 轨 位 置 计 算 计 算 卫 星 在 WGS-84坐 标 系 中

21、 的 位 置修 正 后 的 升 交 点 经 度 为式 中 ， 为 升 交 点 在 时 的 经 度 ； 为 赤 经 变 化 率 ；为 地 球 自 转 角 速 度 。将 卫 星 在 轨 道 坐 标 系 的 坐 标 ， 经 坐 标 转 换 ，算 出 卫 星 在 WGS-84坐 标 系 的 坐 标0k e k e oet t 0 oet e , ,k k kx y zcos cos sinsin cos cossink k k k k k k k k k k kk k kX x y iY x y iZ y i GPS接 收 机 工 作 原 理GPS接 收 机 工 作 流 程（ 1） 对 天 线 接 收

22、 到 的 信 号 进 行 捕 获 ；（ 2） 跟 踪 卫 星 信 号 以 保 证 连 续 测 距 ；（ 3） 解 调 导 航 电 文 ， 进 行 定 位 解 算 。 GPS导 航 接 收 机 必 须 具 备 码 的 捕 获 、 码 的 锁 定 与测距 、 电 文 解 调 和 定 位 计 算 的 功 能 。 其 中 的 计 算 功 能 是 由接 收 机 内 的 微 处 理 器 （ CPU） 和 部 分 存 储 器 及 相 关 软 件来 完 成 的 。 GPS接 收 机 工 作 原 理 GPS接 收 机 基 本 功 能 结 构 图 GPS技 术 展 望现 行 GPS系 统 的 不 足1. Bloc

23、k A GPS信 号 极 其 微 弱 ， 几 乎淹 没 在 背 景 噪 声 之 下 ， 更 不 能 穿 透钢 筋 混 凝 土 而 进 入 地 下 ， 并 被 建 筑物 挡 住 ， 产 生 多 路 径 效 应 。2. 调 制 于 L1载 波 上 的 C/A码 和 P码 都 位于 L1的 中 心 频 带 ， 易 受 人 为 干 扰 。 因 为 对 P码 的 捕获 和 跟 踪 需 要 以 捕 获 C/A码 为 基 础 ， 这 样 ， 如 果 干扰 C/A码 的 接 收 ， 也 就 等 效 于 P码 也 受 到 干 扰 。多 路 径 效 应 GPS技 术 展 望3. 民 间 用 户 难 以 同 时 获

24、 得 L1-P码 伪 距 和 L2-P码 伪 距 ， 无 法实 现 GPS双 频 观 测 的 电 离 层 效 应 距 离 偏 差 改 正 ， 限 制 了GPS单 点 定 位 精 度 的 提 高 。4. GPS的 系 统 组 成 和 信 号 结 构 都 不 能 满 足 当 前 的 需 要 。 在中 低 纬 度 地 区 ， 每 天 总 有 两 次 盲 区 ， 每 次 盲 区 历 时 20-30min,给 导 航 和 定 位 带 来 很 大 的 误 差 。5. 为 了 确 保 导 航 定 位 的 精 度 ， GPS的 卫 星 导 航 电 文 必 须 每天 更 新 一 次 ， 地 面 监 控 系 统

25、担 负 着 编 算 和 注 入 导 航 电 文的 重 要 任 务 ， 一 旦 地 面 监 控 系 统 被 破 坏 ， 军 用 和 民 用 用户 都 不 能 得 到 高 精 度 的 GPS导 航 定 位 服 务 。 GPS技 术 展 望 国 际 上 新 的 技 术 和 系 统 不 断 出 现 ， GPS面 临 的 竞 争 日 益 加 剧，尤 其 是 俄 罗 斯 GLONASS系 统 和 欧 洲 GALILEO计 划 对 美 国 产 生 的压 力 不 断 增 长 ， 也 对 GPS一 统 天 下 的 局 面 提 出 了 挑 战 。 GPS在 最 近 几 次 局 部 战 争 中 的 成 功 应 用

26、和 新 近 出 现 的 信 息战 学 说 已 经 改 变 了 美 国 军 方 此 前 对 GPS的 一 些 看 法 ， 他 们 普 遍认 为 ， GPS所 提 供 的 定 位 和 授 时 资 源 ， 不 仅 可 用 于 航 行 保 障 、交 通 运 输 ， 而 且 对 战 争 中 的 目 标 瞄 准 、 精 确 制 导 、 指 挥 控 制 和 通 信 、 战 场 救 援 等 方 面 同 样 极 其 重 要 。未 来 导 航 战 的 需 要其 它 卫 星 导 航 系 统 的 发 展 成 熟 GPS现 代 化 提 高 GPS定 位 和 授 时 精 度提 高 信 号 可 用 性完 好 性 监 测 能

27、 力提 高 信 号 的 抗 干 扰 能 力 GPS现 代 化改 进 时 间 GPS现 代 化 内 容第 一 阶 段(2005) 发 射 5颗 Block R-M卫 星 ,L1加 M码 ， L2加 C/A、 M第 二 阶 段(2006-2016) 发 射 Block F卫 星 (24+3),L1加 M， L2加 C/A、 M， L5第 三 阶 段2016-2036 发 射 GPS block 卫 星 ,增 强 L1加 M， L2加 C/A、 M， L5 Block I (1978-1985) Block II & IIA (1989-1997) Block IIR & IIR-M (1997-2

28、00 x) Block IIF (200 x .)l 提 高 卫 星 寿 命 l 提 高 定 位 精 度 l 增 强 抗 干 扰 能 力 GPS现 代 化 第 三 代 GPS卫 星 导 航 系 统 : 满 足 长 期 高 性 能 的 目 标 限 制 长 期 高 投 入 满 足 军 事 和 民 用 的 需 求 增 加 用 户 选 择 信 号 的 灵 活 性 保 证 未 来 三 十 年 美 国 仍 然 拥 有世 界 上 最 好 的 卫 星 导 航 系 统第二民用信号空间用户服务第三民用信号1 ON 3menu 2 Rockwell 4 5 6 7 WPT 8 POS 9 NAV CLRMARK 0 OFF NUM LOCKFIX FOM 1N 42* 01” 46.12”W 091* 38 54.36”EL + 00862 ft ZEROIZEM码GPS