1、第七節(jié) GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)置與工作原理,全球定位系統(tǒng)(GLobal Positioning System GPS)又稱導(dǎo)航衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GPS，是種測(cè)距衛(wèi)星導(dǎo)航系列。GPS利用多顆高軌衛(wèi)星，測(cè)量其距離與距離變化率來(lái)精確測(cè)之用戶位置(三維)、速度(三維)和時(shí)間參數(shù)。,GPS地面站由跟蹤站、主控站和注入站三部分組成。地面站跟蹤所有的衛(wèi)星，測(cè)量衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘的誤差，預(yù)測(cè)修正模型參數(shù)，星鐘同步和向衛(wèi)星注入新的信息。,(1) 跟蹤站 跟蹤站又稱監(jiān)測(cè)站，分別設(shè)在夏威夷、斯普林斯、阿森松島、選戈加西亞島和夸賈林環(huán)礁上。跟蹤站設(shè)置有精確原子鐘和GPS接收機(jī)，所測(cè)偽距每15 s更新一次。電離層

2、和氣象數(shù)據(jù)每15 min平滑一次。它的任務(wù)是接收包括環(huán)境數(shù)據(jù)在內(nèi)的衛(wèi)星的各種信息，并將測(cè)定的信息傳送到主控(制)站。,(2)主控站 主控站設(shè)在福爾肯空軍基地的聯(lián)合空間工作中心。主控站從各跟蹤站收集跟蹤數(shù)據(jù)，對(duì)衛(wèi)星軌道參數(shù)、時(shí)間偏差進(jìn)行評(píng)價(jià)，并計(jì)算出各衛(wèi)星原子鐘的校正參量、衛(wèi)星歷書、衛(wèi)星星歷、系統(tǒng)狀態(tài)等，再編成導(dǎo)航信息碼后，送給注入站。,(3)注入站 注入站也稱地面控制站或稱地面天線,分別設(shè)在阿森松島、選戈加西亞島和夸賈林。注入站將導(dǎo)航信息注入衛(wèi)星，每天12次,2GPS導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng) GPS導(dǎo)航星座有21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星共計(jì)24顆衛(wèi)星，平均分布在6個(gè)軌道上，每個(gè)軌道上有4顆衛(wèi)星。 (1)GP

3、S導(dǎo)航衛(wèi)星 軌道高度：20 183 km左右，高軌軌道。 運(yùn)行周期：約12 h(71788 min)。 軌道傾角：約55,GPS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道任意軌道型。全球任何地方的觀測(cè)者，在地平線7.5以上至少可以看到4顆衛(wèi)星，在地平線以上至少可以觀測(cè)到5顆衛(wèi)星，最多可看到11顆衛(wèi)星。,發(fā)射頻率：同時(shí)發(fā)射兩種頻率。分別為1 57542 MHz(L1波段)和 122760MHz(L2波段)，由導(dǎo)航數(shù)據(jù)及偽隨機(jī)噪聲碼P和CA碼調(diào)制，L2由導(dǎo)航數(shù)據(jù)及P碼調(diào)制；將來(lái)有可能用Y碼(YP+W)調(diào)制(軍用)。發(fā)射雙頻L1.L2是為了校正電離層產(chǎn)生的附加延時(shí)。,(2)GPS導(dǎo)航衛(wèi)星電文 衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信息稱為“導(dǎo)航電文”，

4、由L1和L2波段中的兩種載波頻率播發(fā)，并由P碼和CA碼調(diào)制。,P碼 P碼(Precision)碼是一種連續(xù)、快速、長(zhǎng)周期的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列碼，其碼率為1023 MHz，碼周期為7天。每個(gè)周期開始于每星期六格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)午夜1200時(shí)。這種碼具有精確的時(shí)間和距離測(cè)量能力。每顆衛(wèi)星的P碼碼型均不一樣，一般P碼難于獲得。P碼由兩對(duì)12級(jí)線性反饋移位寄存器模2和構(gòu)成。,CA碼 CA(ClearAcquisition)碼是一種低速，短周期的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列碼，其碼率為P碼的l/10即1023MHz，其周期為l ms。CA碼本身具有的測(cè)距精度較低，但它具有協(xié)助獲得P碼能力，這是因?yàn)镃A碼周期短，且碼元速率

5、也低，對(duì)CA碼的匹配鎖定比較容易。當(dāng)CA碼鎖定之后，通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航電文的轉(zhuǎn)換字碼(HOW)的轉(zhuǎn)換就可以獲得P碼。P碼在7d中，每6s向用戶發(fā)送一次轉(zhuǎn)換字碼(HOW)。CA碼由兩個(gè)10級(jí)線性反饋移位寄存器模2和構(gòu)成。,導(dǎo)航電文 導(dǎo)航電文是衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信息。GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星上各有關(guān)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、系統(tǒng)時(shí)間、衛(wèi)星鐘偏差校正參量、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書數(shù)據(jù)、衛(wèi)星識(shí)別標(biāo)志以及與衛(wèi)星導(dǎo)航有關(guān)的其他信息。,GPS時(shí)間 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的時(shí)間基準(zhǔn)稱為GPS時(shí)間。它是以主控站的高精度原子鐘作為時(shí)間基準(zhǔn)的，并規(guī)定1980年1月6日UTC時(shí)間的零點(diǎn)作為起點(diǎn)，與國(guó)際原子時(shí)間有19 s的固定差值。由于

6、不采用跳秒調(diào)整，GPS時(shí)間與UTC時(shí)間整秒數(shù)差值不斷地增加。GPS時(shí)間與UTC的時(shí)間差在衛(wèi)星電文中播發(fā)，給出星期數(shù)和星期開始時(shí)起算的秒數(shù)。,CA碼與P碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) CA碼與P碼具有抗干擾、用碼分多址識(shí)別衛(wèi)星、偽碼(CA碼與P碼)加密、精確測(cè)時(shí)和測(cè)距等優(yōu)點(diǎn)。,二、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理 GPS是種測(cè)距定位系統(tǒng)，利用測(cè)定高軌衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)(電波在空間傳播的時(shí)間) 和多普勒頻移，計(jì)算出衛(wèi)星與用戶之間的距離、距離變化率，以精確測(cè)定用戶位置(三維)、速度(三維)和時(shí)間參數(shù)。測(cè)定出用戶到3顆衛(wèi)星的距離可以得到以衛(wèi)星為球心，以衛(wèi)星到用戶的距離為半徑的三個(gè)球面，其交點(diǎn)就是用戶的三維空間位置。,GPS衛(wèi)星導(dǎo)

7、航儀接收其視界內(nèi)一組衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)，從中取得衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘校正參量、大氣校正參量等數(shù)據(jù)，并且測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)和多普勒頻移。根據(jù)衛(wèi)星星歷計(jì)算出衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)時(shí)的位置；根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)和光速的乘積計(jì)算出衛(wèi)星與用戶的距離；根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)、光速、多普勒頻移計(jì)算出用戶的三維運(yùn)行速度。若用戶時(shí)鐘無(wú)偏差，用戶利用3顆衛(wèi)星可以得到以衛(wèi)星為球心、以衛(wèi)星到用戶的距離為半徑的3個(gè)球面，其交點(diǎn)就是用戶三維空間位置。然而，一般用戶無(wú)精確的時(shí)鐘，需要用第4顆衛(wèi)星來(lái)估算出用戶時(shí)鐘偏差。因此，用戶位置方程應(yīng)包含三維空間位置和用戶時(shí)鐘偏差。,三、衛(wèi)星軌道參數(shù) 導(dǎo)航衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的路徑，稱為衛(wèi)星軌道。描述衛(wèi)星在

8、空間的位置和運(yùn)行情況的參數(shù)稱為衛(wèi)星軌道參數(shù)。,1開普勒定律,(1)衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道是一個(gè)橢圓，地球的質(zhì)心位于這個(gè)橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。 (2)在衛(wèi)星運(yùn)行軌道上，衛(wèi)星與地心的連線即向徑，在相同的時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星向徑掃過(guò)的面積相等。 (3)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)周期的平方和其軌道長(zhǎng)半徑的立方成正比。,2衛(wèi)星無(wú)攝動(dòng)運(yùn)行的軌道參數(shù),(1)升交點(diǎn)赤經(jīng) 2)軌道傾角 (3)近地點(diǎn)幅角 (4)軌道長(zhǎng)半徑 (5)軌道偏心率 (6)平近點(diǎn)角,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)是：,(1)設(shè)置衛(wèi)星不受地理、氣象或其他條件限制，可按需要在各種軌道上配置。 (2)衛(wèi)星可見的地球表面稱為衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域，只要少數(shù)兒顆衛(wèi)星就可覆蓋全球。導(dǎo)航衛(wèi)只的運(yùn)行軌道高

9、度般是離地面1000m以上，衛(wèi)星離地面越高，覆蓋區(qū)域越大，覆蓋全球所需衛(wèi)星的顆數(shù)越少。 (3)衛(wèi)星的導(dǎo)航范圍可從地面、水面、近地空間延伸到外層空間。,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)是：,() 衛(wèi)星導(dǎo)航不受氣象條件和年、月、季節(jié)及晝夜限制。在任意時(shí)間和任意氣象的條件下邊進(jìn)行全天候?qū)Ш?(5)衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)都具有定數(shù)日的衛(wèi)星。用戶選擇幾何位置最好的些衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位定位精度高。由于衛(wèi)星導(dǎo)航儀采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算可隨時(shí)顯示船舶的經(jīng)緯度和其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)。 ()衛(wèi)星導(dǎo)航不需使用特種海圖和表冊(cè)。使用方便且安全經(jīng)濟(jì)可靠。,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)是：,(7)衛(wèi)星輻射的平均功率只有幾瓦到幾十瓦。衛(wèi)星電波不會(huì)因地形、地物遮擋而衰減大

10、部分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作于甚高頻或波段，電波受電離層、對(duì)流層吸收衰減很少，所以衛(wèi)星離地面雖然很高，但地面用戶仍能收到足夠強(qiáng)的信號(hào)。 ()衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有全球、全天候和高精度定位的能力,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)是：,9)衛(wèi)星軌道漂移，需增加擾動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，改進(jìn)衛(wèi)星上的設(shè)備，需地面站精確測(cè)定衛(wèi)星的軌道參數(shù)和精確地預(yù)報(bào)。 (10)地面工程龐大，設(shè)備昂貴，維修費(fèi)用高，衛(wèi)星壽命短，有些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還存在間斷、不實(shí)時(shí)和只能區(qū)域性導(dǎo)航定位等缺點(diǎn)。 (11)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還不能為水下運(yùn)載體提供導(dǎo)航。 (12)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)易受少數(shù)國(guó)家的壟斷和控制，服務(wù)于所設(shè)國(guó)家的最高利益：在戰(zhàn)爭(zhēng)中不能為全球提供可靠的導(dǎo)航，并且是個(gè)突出的打擊

11、目標(biāo)。,第八節(jié) GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀,用GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位和導(dǎo)航的接收設(shè)備稱為GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀。航海導(dǎo)航通常使用CA碼、單頻GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀。,一、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀的工作過(guò)程 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀根據(jù)其內(nèi)存存儲(chǔ)的GPS歷書計(jì)算衛(wèi)星的概略位置。每顆GPS衛(wèi)星都發(fā)射星座內(nèi)衛(wèi)星的歷書，由GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀接收并存人內(nèi)存，該歷書有效期為7天以上.,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀根據(jù)歷書計(jì)算GPS衛(wèi)星的概略位贊，根據(jù)鍵人的推算船位、時(shí)間、精度幾何因子閥值。選擇仰角5、幾何配置最好的4顆或3顆衛(wèi)星，以后定時(shí)檢測(cè)、改選配置的衛(wèi)星，使幾何配置最好。初始啟動(dòng)時(shí)；GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀搜捕衛(wèi)星，收集并存儲(chǔ)歷書。此時(shí)，若知道臨空GPS衛(wèi)星的

12、編號(hào)，鍵人以后。將加快GPS歷書的收集。,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀根據(jù)其微處理器提供的估計(jì)多普勒頻移及指令捕捉GPS衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀不斷移動(dòng)本振頻率及本機(jī)偽碼搜索GPS衛(wèi)星，直至與衛(wèi)星偽碼同步為止。碼同步后轉(zhuǎn)入載波相位跟蹤，檢測(cè)及存儲(chǔ)導(dǎo)航電文。,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀根據(jù)所接收的星歷計(jì)算出衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)時(shí)的位置，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)和光速的乘積計(jì)算出衛(wèi)星與用戶的距離，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)、光速、多普勒頻移計(jì)算出用戶的三維運(yùn)行速度。用戶根據(jù)所測(cè)得34顆衛(wèi)星的偽距、計(jì)算出用戶的三維空間位置，鐘差、航速、航向等導(dǎo)航數(shù)據(jù)。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀依鍵令，顯示定位、導(dǎo)航、標(biāo)繪等信息。,二、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀一般操作方法

13、,1啟動(dòng) GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀的啟動(dòng)通常分為日常啟動(dòng)、熱啟動(dòng)和冷啟動(dòng)三種。近期生產(chǎn)的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀僅需按下電源鍵即可啟動(dòng)。,(1)日常啟動(dòng) 船舶在營(yíng)運(yùn)航行或停泊期間，日常的關(guān)機(jī)后的啟動(dòng)稱為日常啟動(dòng)。由于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀已存儲(chǔ)關(guān)機(jī)前的數(shù)據(jù)(包括經(jīng)度、緯度、歷書等)并且時(shí)鐘在運(yùn)行，日常啟動(dòng)時(shí)只需按下電源鍵，衛(wèi)星導(dǎo)航儀即能自動(dòng)定位。,(2)熱啟動(dòng) 如果船位變化不大于100英里(請(qǐng)查閱儀器說(shuō)明書，如某儀器為600nmile)或三個(gè)月(請(qǐng)查閱儀器說(shuō)明書，如某儀器為半年)以內(nèi)進(jìn)行過(guò)通電接收，衛(wèi)星導(dǎo)航儀已收集歷書，進(jìn)行啟動(dòng)，稱為熱啟動(dòng)。熱啟動(dòng)時(shí)，只需按下電源鍵使參考振蕩器加熱(最多20min)后，GPS衛(wèi)星導(dǎo)

14、航儀即可自動(dòng)定位。,(3)冷啟動(dòng) GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀安裝后第一次啟動(dòng)；GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀所存歷書太陳舊或者所有數(shù)據(jù)(包括歷書)被清除；船舶航行100英里(請(qǐng)查閱儀器說(shuō)明書，如某儀器為600 n mile)，三個(gè)月(請(qǐng)查閱儀器說(shuō)明書，如某儀器為半年)以上該GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀沒有通電接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，再進(jìn)行啟動(dòng)稱為冷啟動(dòng)。冷啟動(dòng)時(shí)，須進(jìn)行初始化輸入。冷啟動(dòng)后，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀需搜索衛(wèi)星，重新收集歷書，30 min以后，才有初始船位數(shù)據(jù)更新；若已知開機(jī)時(shí)，臨空GPS衛(wèi)星的編號(hào)，輸入編號(hào)后20 min即有初始船位數(shù)據(jù)更新,冷啟動(dòng)時(shí)初始化輸入如下： (1)核對(duì)年、月、日和時(shí)間，如與當(dāng)時(shí)不符，應(yīng)重新輸入。

15、(2)輸入概略船位的經(jīng)度和緯度。 (3)置定HDOP閥值，一般置10。 (4)輸入天線高度。它只在二維(2D)定位時(shí)用。天線高度不準(zhǔn)確會(huì)影響定位精度。 (5)置定測(cè)地系。使衛(wèi)導(dǎo)儀計(jì)算所用的測(cè)地系坐標(biāo)盡量接近于所使用海圖的測(cè)地系坐標(biāo) (6)置定所在的區(qū)時(shí)。 (7)置定各種報(bào)警范圍或距離。,時(shí)間輸入誤差應(yīng)不超過(guò)15 min(或者1 h，請(qǐng)參閱儀器使用說(shuō)明書) 經(jīng)、緯度輸入誤差應(yīng)不超過(guò)1(或者10，請(qǐng)參閱儀器使用說(shuō)明書)。 HDOP閥限值關(guān)系到衛(wèi)星定位的精度。由于HDOP隨著衛(wèi)星與測(cè)者的運(yùn)動(dòng)而變化，若HDOP閥值置定太小，則相對(duì)定位機(jī)會(huì)減少。當(dāng)定位時(shí)HDOP大于所置定的閥值，GPS接收機(jī)就報(bào)警而不作

16、GPS更新位置。一般HDOP閥值范圍在0099之間，置定于10左右為好。,2GPS定位 啟動(dòng)后，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀收到3顆有效衛(wèi)星即進(jìn)行定位計(jì)算，隨即自動(dòng)顯示二維定位(2DNavigation)船位的經(jīng)度和緯度；收到4顆有效衛(wèi)星進(jìn)行定位計(jì)算后，隨即自動(dòng)顯示三維定位(3D Navigation)的經(jīng)度、緯度和GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀天線的高度。,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀顯示如下： (1)現(xiàn)時(shí)航跡向TRK；對(duì)地速度一GS。 (2)緯度 (3)經(jīng)度 (4)高度(altitudc)近似為天線到海平面高度，船舶通常使用二維定位(2D Navigation)，可人工鍵人GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀天線高度的實(shí)測(cè)數(shù)值。 (5)顯示可選擇

17、的畫面顯示目錄，例如：PLOT、CDI、NAV、POSN等,3GPS導(dǎo)航,航路點(diǎn)導(dǎo)航操作過(guò)程如下： (1)按功能鍵(或代碼)，令GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀進(jìn)行航路點(diǎn)操作。 (2)鍵人航路點(diǎn)的編號(hào)和名稱。 (3)鍵入航路點(diǎn)的緯度。 (4)鍵人航路點(diǎn)的經(jīng)度。 (5)鍵人(或由GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀自動(dòng)記錄)存儲(chǔ)航路點(diǎn)的日期時(shí)間。 (6)依次鍵人一系列航路點(diǎn)(GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀可存儲(chǔ)幾百個(gè)航路點(diǎn)，因機(jī)型不同，存儲(chǔ)航路點(diǎn)的數(shù)目不同)后，查閱剛編制好的航路點(diǎn)表，并且確定目前使用的航路點(diǎn)。 (7)按功能鍵(或代碼)，令GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀進(jìn)行航路點(diǎn)導(dǎo)航，并且進(jìn)行顯示。,4使用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀的注意事項(xiàng),(1)GPS接收機(jī)，根據(jù)

18、衛(wèi)星電文定時(shí)更新歷書。若提供的歷書的時(shí)間已隔很久或定位誤差明顯偏大，則應(yīng)按操作步驟清除歷書，及內(nèi)存。 (2)不同的HODP，有不同的定位精度。 (3)當(dāng)有多顆衛(wèi)星定位或HDOP，PDOP超限時(shí)，可人工或自動(dòng)選擇星座。,4使用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀的注意事項(xiàng),(4)選擇合適的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 (5)利用衛(wèi)星狀態(tài)顯示可強(qiáng)制啟動(dòng)或停用某顆衛(wèi)星 (6)衛(wèi)星每天約提前4 min經(jīng)過(guò)某一地區(qū)上空。,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀主要功能如下：,(1)顯示定位的緯度、經(jīng)度(準(zhǔn)確度為秒或分小數(shù)點(diǎn)后兩位甚至三位)。 (2)顯示導(dǎo)航數(shù)據(jù)：有航速，航向，航跡速，航跡向，至航路點(diǎn)恒向線或大圓的操舵航向和距離，航行所需時(shí)間，偏航，任何兩航路點(diǎn)之

19、間的方向和航程。,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀主要功能如下：,(3)能存儲(chǔ)航線設(shè)計(jì)和航路點(diǎn)編號(hào)及其經(jīng)緯度。 (4)位置更新時(shí)間約1 s左右。 (5)導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新時(shí)間約35 s。 (6)報(bào)警：偏航、守錨監(jiān)視、到達(dá)轉(zhuǎn)向點(diǎn)所設(shè)定的范圍及接收機(jī)故障等。 (7)能設(shè)置些參數(shù)：HDOP，二維(2D)或三維(3D)定位。 (8)變換使用測(cè)地系,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀主要功能如下,(9)接口功能 (10)衛(wèi)星信息：衛(wèi)星號(hào)、方位、仰角、衛(wèi)星工作狀態(tài)及被跟蹤的衛(wèi)星信噪比。 (11)星座預(yù)報(bào)。 (12)三維定位中，高度的精確度正常允許在50 m內(nèi)波動(dòng)。,第九節(jié) GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀定位精度,一、偽測(cè)距誤差 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的偽測(cè)距誤差

20、直接影響著總的定位誤差，即影響著定位精度。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的偽測(cè)距誤差包括衛(wèi)星誤差、信號(hào)傳播誤差(傳播異常)及衛(wèi)星導(dǎo)航儀誤差,二、幾何誤差,GDOP稱為精度幾何因子 VDOP(Vertical Dilution Of Precision)稱為高程精度幾何因子 HDOP(HorizontalDilution。fPrecision)稱為水平方向精度幾何因子。,利用上面的關(guān)系式，可以得到下面的誤差表達(dá)式： 偽測(cè)距誤差()XPDOP位置誤差 偽測(cè)距誤差()XTDOP鐘差誤差 偽測(cè)距誤差()XVDOP高程誤差 偽測(cè)距誤差()XHDOP水平位置誤差,在進(jìn)行衛(wèi)星定位時(shí)，可見衛(wèi)星數(shù)可能高達(dá)7顆，甚至11顆，

21、可選擇最佳的4顆衛(wèi)星，使得GDOP值最低，以取得最好的定位精度。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀等效測(cè)距誤差()為43 m(P碼)和86m(CA碼)，假定HDOP15，產(chǎn)生的水平位置誤差：水平面內(nèi)二維用戶位置的徑向誤差()為65 m(P碼)和12，9 m(CA碼)；VDOP25，產(chǎn)生高程誤差應(yīng)為108 m(P碼)和215 m(CA碼)；GDOP12，把距離轉(zhuǎn)換成時(shí)間時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生17ns(P碼)和34ns(CA碼)的時(shí)間誤差。,三、速度測(cè)量誤差 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀的動(dòng)態(tài)特性將影響速度測(cè)量。高質(zhì)量的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀在動(dòng)態(tài)特性很強(qiáng)烈的環(huán)境中有003013 s的水平速度誤差，005021ms的垂直速度誤差。 衛(wèi)星幾何圖

22、形對(duì)距離變化率和用戶速度誤差的影響，類似于對(duì)距離誤差和用戶位置誤差的影響，因此，GDOP參數(shù)同樣適用于速度測(cè)量。,第十節(jié)差分GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),差分GPS(DifferentialGPSDGPS)是利用已精確知道三維坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)，求出偽距修正量或位置修正量，將這個(gè)校正量實(shí)時(shí)或者事后送到用戶GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀，對(duì)用戶GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以提高GPS定位精度。,DGPS由GPS衛(wèi)星網(wǎng)、基準(zhǔn)臺(tái)、數(shù)據(jù)鏈(通信鏈)及用戶組成。差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)用GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信息，測(cè)量出基準(zhǔn)臺(tái)的位置，與已知位置比較計(jì)算出誤差(偽距或位置修正值)，經(jīng)數(shù)據(jù)鏈播發(fā)給差分GPS用戶。

23、數(shù)據(jù)鏈即差分GPS導(dǎo)航電文通信鏈，以固定的格式向用戶播發(fā)差分GPS修正信息，對(duì)用戶計(jì)算的位置進(jìn)行校正，以獲得高精度定位。目前世界上廣泛采用的差分GPS可使定位精度提高到812 m(2 drms)，定點(diǎn)定位精度提高到5 m，甚至1 m。用戶離差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)近，定位精度高；離差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)遠(yuǎn)，定位精度低。,一、差分GPS 差分GPS根據(jù)修正數(shù)據(jù)的處理方法可分為位置差分GPS、偽距差分GPS、相位平滑偽距差分GPS、載波相位差分GPS、廣域差分GPS和廣域增強(qiáng)系統(tǒng)。,1位置差分GPS 根據(jù)已知的GPS基準(zhǔn)臺(tái)精確的位置坐標(biāo)與GPS基準(zhǔn)臺(tái)測(cè)量的位置坐標(biāo)求得的差稱為位置修正值。差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)把位置修

24、正值(X、y、Z)，位置修正值變化率(XYZ)及衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)齡期AODE用上行數(shù)據(jù)通信播發(fā)給作用區(qū)域內(nèi)的所有用戶，由用戶對(duì)其位置進(jìn)行修正；或者用戶用下行數(shù)據(jù)通信傳輸它的未校正位置數(shù)據(jù)和它選用的衛(wèi)星星組，由基準(zhǔn)臺(tái)計(jì)算每個(gè)用戶的位置修正值，并用上行數(shù)據(jù)通信將校正后的定位數(shù)據(jù)傳輸給用戶。這種方法要求GPS基準(zhǔn)臺(tái)與用戶GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀必須同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星，若有1顆衛(wèi)星不同，將會(huì)產(chǎn)生幾十米的定位誤差。,2偽距差分GPS 根據(jù)已知的GPS基準(zhǔn)臺(tái)精確的位置坐標(biāo)與GPS衛(wèi)星星歷求出GPS衛(wèi)星到GPS基準(zhǔn)臺(tái)的距離。然后將比值與GPS基準(zhǔn)臺(tái)用CA碼測(cè)量的偽距觀測(cè)值求差，稱為偽距修正值?；鶞?zhǔn)臺(tái)將每顆衛(wèi)星的偽距修

25、正值、偽距修正值變化率和星歷數(shù)據(jù)齡期AODE用上行數(shù)據(jù)播發(fā)給作用區(qū)內(nèi)的所有用戶。用戶GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀接收到此信號(hào)后，對(duì)其觀測(cè)值進(jìn)行修正，最后利用改正后的偽距求出用戶的位置；或者用戶用下行數(shù)據(jù)傳輸它的未校正的偽距測(cè)量數(shù)據(jù)和它選用的衛(wèi)星星組，由基準(zhǔn)臺(tái)修正每一用戶的測(cè)量值，并用上行數(shù)據(jù)通信將校正后的測(cè)量值傳輸給用戶。偽距差分GPS定位精度可達(dá)310m。若由用戶對(duì)偽距觀測(cè)值進(jìn)行修正，用戶需使用DGPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀。GPS基準(zhǔn)臺(tái)不需要知道用戶使用哪組GPS衛(wèi)星。偽距差分GPS定位是目前較為廣泛采用的技術(shù)，其用戶是無(wú)限的。,3相位平滑偽距差分GPS GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀除了提供CA碼偽距觀測(cè)值之外，還可以提供多

26、普勒計(jì)數(shù)或載波相位。山于載波相位觀測(cè)精度比偽距測(cè)量精度高。利用多普勒計(jì)數(shù)或載波相位輔助偽距測(cè)量可以提高測(cè)量精度相位平滑偽距差分GPS可使定位精度提高到亞米級(jí)。,4載波相位差分GPS 載波相位差分又稱為RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)，是將GPS基準(zhǔn)臺(tái)載波相位觀測(cè)值和坐標(biāo)信號(hào)一起傳送到用戶，然后，用戶將自己接收到的衛(wèi)星載波相位觀測(cè)值與GPS基準(zhǔn)臺(tái)傳送來(lái)的載波相位觀測(cè)值一起處理，其實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)到厘米級(jí)。,5廣域差分GPS 廣域差分GPS(WADGPS)是在一定區(qū)域設(shè)立若干個(gè)差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)，與一個(gè)或多個(gè)主控臺(tái)組網(wǎng)。主控臺(tái)接收來(lái)自各監(jiān)測(cè)臺(tái)的差分GPS校正信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理組合后，

27、形成在擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)的有效差分GPS修正電文，再通過(guò)衛(wèi)星通信線路或無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈，將修正信號(hào)發(fā)送給用戶。這樣就形成了廣域差分GPS。,6廣域增強(qiáng)系統(tǒng) 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)是廣域差分GPS增強(qiáng)系統(tǒng)。它是在衛(wèi)星上加載L波段轉(zhuǎn)發(fā)器，實(shí)施導(dǎo)航重疊和廣域增強(qiáng)電文廣播，廣播類GPS信號(hào)，向用戶提供附加測(cè)距信息、廣域差分GPS改正信息、改善航行安全的完善性信息，進(jìn)行廣泛區(qū)域的GPS定位與導(dǎo)航。,1差分GPS基準(zhǔn)臺(tái) 差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)跟蹤所有視界以內(nèi)的衛(wèi)星，精確測(cè)量偽距和載波相位，產(chǎn)生差分校正數(shù)據(jù)，并格式化為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)格式，經(jīng)調(diào)制后播發(fā)給用戶。,2差分GPS無(wú)線電信標(biāo) 發(fā)射包含差分GPS數(shù)據(jù)的無(wú)線電信標(biāo)稱為差分G

28、PS無(wú)線電信標(biāo)。差分GPS無(wú)線電信標(biāo)具有準(zhǔn)確的地理位置，發(fā)射無(wú)線電測(cè)向信號(hào)和差分GPS數(shù)據(jù)信號(hào)。,3GPS偽衛(wèi)星 GPS偽衛(wèi)星是類似于GPS衛(wèi)星的固定基準(zhǔn)臺(tái)，發(fā)射頻率為1 57542 MHz，由50bits的數(shù)據(jù)和1 023碼位s的CA碼進(jìn)行調(diào)制，數(shù)據(jù)格式與GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式兼容，并且提供距離和校正信息，看起來(lái)像一顆GPS衛(wèi)星，稱為GPS偽衛(wèi)星。,1差分GPS信號(hào)載波頻率 差分GPS數(shù)據(jù)鏈可以從整個(gè)無(wú)線電頻譜中選擇載波頻率，可使用低頻(LF)、中頻(MF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、甚高頻(VHF)及各種微波頻率(C.L.Ku)等波段)。載波頻率越低，衰減越小，傳輸距離越遠(yuǎn)。至于差分GP

29、S選用哪種載波頻率，由差分GPS的作用距離、性能與費(fèi)用進(jìn)行綜合考慮。美國(guó)海事無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)(RTCM)104專業(yè)委員會(huì)推薦使用無(wú)線電信標(biāo)頻率，即用差分校正值數(shù)據(jù)調(diào)制航海用無(wú)線電信標(biāo)信號(hào)，把校正量發(fā)射給用戶。航海無(wú)線電信標(biāo)分配的頻率為285325kHz。在無(wú)線電信標(biāo)臺(tái)發(fā)射機(jī)中，加進(jìn)一個(gè)高于無(wú)線電信標(biāo)(主載波)使用頻率325500 Hz的副載波，并以差分GPS信息對(duì)副載波進(jìn)行最小頻移鍵控(MSK)調(diào)制。,2差分GPS導(dǎo)航電文 差分GPS導(dǎo)航電文是差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)發(fā)射的有關(guān)差分校正量信息，包括導(dǎo)航需要的差分修正值、差分修正值增量、P碼差分修正值、GPS差分基準(zhǔn)臺(tái)的有關(guān)信息、GPS衛(wèi)星狀況、無(wú)線電信標(biāo)歷書、偽衛(wèi)星參數(shù)以及與GPS導(dǎo)航和羅蘭C導(dǎo)航等有關(guān)的其他信息。RTCM推薦的DGPS信號(hào)格式與GPS信號(hào)格式相仿。GPS電文中的字長(zhǎng)、字格式、奇偶校驗(yàn)規(guī)則及共特仆縋續(xù)保留。兩種格式的主要差別在于GPS電文中子幀長(zhǎng)度固定，而DGPS信號(hào)幀長(zhǎng)度不固定。DGPS導(dǎo)航電文被劃分為63種類型，其中有16種電文確定使用和試用。我國(guó)沿海DGPS基準(zhǔn)臺(tái)采用RTCM SC104格式播發(fā)信息，電文類型為1、3、5、7、9、16，信息速率為200波特，發(fā)射總功率為200 W，其中，RBN為60W，DGPS為140W。,四、差分GPS定位誤差 差分GPS定位誤