1、GPS原理及其應(yīng)用,主講 劉云,GPS定義,GPS的英文全稱是：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 測量用戶的 PVT： Position(三維位置) Velocity (三維速度) Time(時(shí)間),日常生活中的GPS,3,日常生活中的GPS,車載 手機(jī),4,日常生活中的GPS,Deray 的北京到巴黎 單車旅行 （/）,GPS定位技術(shù)與應(yīng)用,5,目前，擁有定位系統(tǒng)的國家或地區(qū):,美國GPS(始建于1973年) 俄羅斯GLONASS（始建于1978年目前在軌道上只有

2、6顆星可用 ） 歐盟Galileo(伽利略計(jì)劃)（始建于2002年） 日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系（2008年投入使用） 中國北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星（2002年已應(yīng)用，07年5月25日，我國第三顆“北斗一號”衛(wèi)星發(fā)射成功，6月1日，我國自主研發(fā)的“北斗運(yùn)營服務(wù)平臺”正式開通，這標(biāo)志著我國已經(jīng)擁有了完全自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性階段。,GPS系統(tǒng)的特點(diǎn):,1、全球，全天候工作,2、功能多，應(yīng)用廣,3、測站之間無需通視,4、定位精度高 ，隱蔽性好,5、觀測時(shí)間短,6、提供三維坐標(biāo),7、操作簡便,8、免費(fèi)、容易,有人說過，只有我們想不到的，沒有GPS做不到的。 有人預(yù)言， GPS將改

3、變我們的生活方式。,GPS系統(tǒng)的組成,由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星。,空間部分,空間部分,24顆衛(wèi)星（21+3） 6個(gè)軌道平面（相互交角60） 55軌道傾角(相對于赤道面) 20200km軌道高度（地面高度） 11h58min（恒星時(shí)）軌道周期 5h7min出現(xiàn)在地平線以上（每顆星）,GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星的作用,用L波段的兩個(gè)無線載波(19cm和24cm波)向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號。 在衛(wèi)星飛越注入站上空時(shí)，接收由地面注入站不斷發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其它有關(guān)信息，并通過GPS信號電路，適時(shí)地和發(fā)送給廣大用戶。 接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，適時(shí)地改正運(yùn)行偏差或啟用備用

4、時(shí)鐘等。,GPS地面監(jiān)控部分,1個(gè)主控站,3個(gè)注入站,5個(gè)監(jiān)測站,斯平士,阿松森島,狄哥伽西亞,卡瓦迦蘭,夏威夷島,太平洋,印度洋,大西洋,單工,不斷發(fā)出測距波,5個(gè)監(jiān)控站,3個(gè)注入站,1個(gè)主控站,雙工,單工,地面監(jiān)控系統(tǒng),地點(diǎn)：位于科羅拉多的斯平士(Colorado Springs)的 聯(lián)合空間執(zhí)行中心(CSOC),(1)主控站,設(shè)備：主控站擁有大型電子計(jì)算機(jī)，用作數(shù)據(jù)采集、 計(jì)算、傳輸、診斷、編輯等。,(2)注入站,地點(diǎn)：三個(gè)站分別設(shè)大西洋的阿松森(Ascension)島、印度洋的狄哥伽西亞(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦迦蘭(Kwajalein) 的三個(gè)美國軍事基地上。,設(shè)備：

5、 一臺直徑3.6m的天線，一臺S波段發(fā)射機(jī)和一臺計(jì)算機(jī)。,作用： 主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到位于三大洋的三個(gè)注入站，定時(shí)將這些信息注入各個(gè)衛(wèi)星，然后由GPS衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶，這就是所用的廣播星歷。此外，注入站能主動(dòng)向主控站發(fā)射信號，每分鐘報(bào)告一次自己的工作狀態(tài)。,(3)監(jiān)測站,作用：對每顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，精確測定衛(wèi)星在空間的位置，并向 主控站提供觀測數(shù)據(jù)。,設(shè)備：監(jiān)控站有雙頻GPS接收機(jī)，對每顆衛(wèi)星長年連續(xù)不斷地進(jìn)行 觀測，每6秒進(jìn)行一次偽距測量和積分多普勒觀測，采集氣象要素等數(shù)據(jù),監(jiān)測站是一種無人值守的數(shù)據(jù)采集中心，受主控站的控制，定時(shí)將觀測數(shù)據(jù)送往主控站。五個(gè)監(jiān)測站分布在美國本土和三大洋

6、的美軍基地上，保證了全球GPS定軌的精度要求。由這五個(gè)監(jiān)測站提供的觀測數(shù)據(jù)形成了GPS衛(wèi)星實(shí)時(shí)發(fā)布的廣播星歷。,地點(diǎn)：五個(gè)監(jiān)測站：除一個(gè)主控站、三個(gè)注入站兼作外，還有一個(gè)在夏威夷島,=,用戶部分觀測和記錄由若干衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù),并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求得三維空間位置以及時(shí)間和速度,GPS用戶部分,用戶部分包括用戶組織系統(tǒng)和根據(jù)要求安裝相應(yīng)的設(shè)備，但其中心設(shè)備是GPS接收機(jī)。它是一種特制的無線電接收機(jī)，用來接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號，并以此計(jì)算出定位數(shù)據(jù)。,TOPCON產(chǎn)品,Leica GPS接收機(jī),南方儀器廠,圖片：導(dǎo)航型GPS機(jī),手持型GPS機(jī),車載型GPS機(jī),圖片：大地型GPS接收機(jī),單頻機(jī),雙頻機(jī),1

7、.GPS衛(wèi)星信號的組成,GPS定位的基本原理,（1）載波信號 L1載波，波長=19.03cm，頻率f1=1575.42MHZ L2載波，波長=24.42cm，頻率f2=1227.6OMHZ。 （2）測距碼 C/A碼（粗碼/捕獲碼）：調(diào)制在L1載波上。結(jié)構(gòu)公開，不同的衛(wèi)星有不同的C/A碼。 P碼（精碼）：調(diào)制在L1和L2載波上。 （3）數(shù)據(jù)碼（D碼）（導(dǎo)航電文） 提供有關(guān)衛(wèi)星位置，衛(wèi)星鐘的性能、發(fā)射機(jī)的狀態(tài)等數(shù)據(jù)和信息。用戶利用觀測值以及這些信息和數(shù)據(jù)就能進(jìn)行導(dǎo)航和定位。,GPS的常用坐標(biāo)系- WGS-84世界大地坐標(biāo)系：,原點(diǎn)是地球的質(zhì)心 Z軸指向國際時(shí)間局BIH1984.0定義的協(xié)議地球北極

8、（CTP）方向 X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP相對應(yīng)的赤道的交點(diǎn) Y軸垂直于ZOX平面且與Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系,GPS定位原理,(X ,Y，Z),利用三個(gè)以上衛(wèi)星的已知空間位置，交會出地面未知點(diǎn)（用戶接收機(jī)）的位置。,測距的方法,碼相位(偽距法)測距,測量載波相位差測距,通過導(dǎo)航電文解譯出三顆衛(wèi)星的坐標(biāo)，通過測量求出三顆衛(wèi)星到測站的距離，用距離交會即可求出測站點(diǎn)的坐標(biāo)（X , Y，Z）。,距 離 測 定 原 理,距 離 測 定 原 理,距 離 測 定 原 理,距離 = 傳播時(shí)間 x 光速,距 離 測 定 原 理,GPS采用的單程測距原理（單工通信）。這就要求衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘

9、要嚴(yán)格同步。但實(shí)際上，兩者難于嚴(yán)格同步，因此存在不同步誤差，另外，測距碼在大氣中傳播還受到大氣電離層折射及大氣對流層的影響，產(chǎn)生延遲誤差。因此，測距碼所求得距離值并非真正的站星幾何距離，習(xí)慣上稱其為“偽距”。 由于衛(wèi)星鐘差、電離層折射和大氣對流的影響，可以通過導(dǎo)航電文中所給的有關(guān)參數(shù)加以修正，而接收機(jī)的鐘差卻難以預(yù)先準(zhǔn)確地確定，所以把接收機(jī)的鐘差當(dāng)作一個(gè)未知數(shù)，與測站坐標(biāo)一起解算。這樣，在一個(gè)觀測站上要解出4個(gè)未知參數(shù)，即3個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)分量和1個(gè)鐘差參數(shù)，所以至少同時(shí)觀測4顆衛(wèi)星。,偽距測量與載波相位測量,（1）偽距測量 偽距由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速所得出的量測距

10、離。由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無線電通過電離層和對流層中的延遲，實(shí)際測出的距離與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離有一定的差值，因此一般稱量測出的距離為偽距。 用C/A碼進(jìn)行測量的偽距為C/A碼偽距；用P碼進(jìn)行測量的偽距為P碼偽距。 (C/A碼與P碼都是偽隨機(jī)碼),偽隨機(jī)碼作用：（1）多星共享信道 （2）測傳輸時(shí)差,擴(kuò)頻通信基礎(chǔ)知識,擴(kuò)頻通信基礎(chǔ)知識-偽隨機(jī)碼,偽隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)特性及互相關(guān)特性,M序列（一種偽隨機(jī)碼）的自相關(guān)函數(shù),擴(kuò)頻通信技術(shù)基礎(chǔ)知識,窄帶信號,擴(kuò)頻碼,擴(kuò)頻碼,信號合并,寬帶信號,噪聲,噪聲+寬帶信號,信號與噪聲分離,t,P(t),P(t),P(t),P(t),P(t),t,t

11、,t,t,9.6 K,9.6 K,1.2288 M,1.2288 M,擴(kuò)頻系統(tǒng)原理示意(1),擴(kuò)頻系統(tǒng)原理示意(2),擴(kuò)頻系統(tǒng)原理示意(3),擴(kuò)頻/解擴(kuò)頻,白噪聲,突發(fā)干擾,擴(kuò)頻前信號,擴(kuò)頻后信號,解擴(kuò)后信號,解擴(kuò)前信號,白噪聲,突發(fā)干擾,S(f),f,S(f),f,S(f),f,S(f),f,擴(kuò)頻/解擴(kuò)原理頻域解釋,功率譜,Echip,Eb / No = Ec / Io 增益,擴(kuò)頻技術(shù),擴(kuò)頻技術(shù),-1,-1,-1,+1,+1,+1,解擴(kuò),干擾信號,數(shù)據(jù),-1,+1,-1,+1,其他的經(jīng)過 擴(kuò)頻后的信號,積分后的結(jié)果,+8,-8,1 1 0 1 1 0 0 1,1 1 0 1 1 0 0 1,

12、1 1 1 1 1 1 1 1,擴(kuò)頻后的信號,擴(kuò)頻碼,信號,噪聲,測距碼偽距測定,測距偽隨機(jī)碼 每一衛(wèi)星播發(fā)一個(gè)偽隨機(jī)測 距 碼信號，該信號大約每1毫秒播 發(fā)一次 接收儀同時(shí)復(fù)制出一個(gè)同樣結(jié)構(gòu)的 信號并與接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行比較。 由信號的延遲時(shí)間(dT)推算出 衛(wèi)星至接收儀的距離 接收儀時(shí)鐘應(yīng)與衛(wèi)星鐘校時(shí),dT,接收到的衛(wèi)星測距碼,接收儀復(fù)制出的測距碼,一個(gè)簡單的CDMA發(fā)射機(jī)-仲愷通信原理試驗(yàn)箱方案,SIGN: 1Kbit/S的信息碼,GOLD: 100Kbit/S的GOLD碼(一種偽隨機(jī)碼),S-KP: 被偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻后的信息碼碼(一種偽隨機(jī)碼),PSK: 二進(jìn)制調(diào)相信號。,相應(yīng)的CDM

13、A接收機(jī),Gold同步,Gold同步,捕獲:使本地產(chǎn)生的Gold碼與接收到的Gold碼相位誤差小于1個(gè)碼片 跟蹤:在捕獲的基礎(chǔ)上，完全對準(zhǔn)接收信號Gold碼與本地Gold碼。,Gold同步是接收機(jī)的關(guān)鍵部分。 接收機(jī)組成：Gold同步（擴(kuò)頻碼的捕獲和跟蹤）、載波提取、PSK解調(diào)和差分譯碼、漢明解碼。,Gold同步對于GPS的意義：可確定電播傳播時(shí)延。,Gold同步的分步實(shí)現(xiàn)：,Gold同步第一步：捕獲,滑動(dòng)相關(guān)捕獲原理,Gold同步第二步：跟蹤,PN碼的跟蹤,偽距法定位的優(yōu)缺點(diǎn),1)定位速度快。 2)無多值性問題。 3)可作為載波相位測量中整波數(shù)不確定問題（模糊度）的輔助資料。 4)一次定位精

14、度不高，（P碼定位誤差約為10 m，C/A碼定位誤差約為 2030 m）。,D = c TN,載波相位測距,載波相位觀測 載波L1的波長為19cm ，L2的波長為24 cm 接收儀將接收到的衛(wèi)星載波信號的相位與其自身產(chǎn)生 的參考載波信號的相位進(jìn)行比較 接收儀開機(jī)后，相位整周數(shù)未知 (帶有整周模糊度) 跟蹤衛(wèi)星時(shí)間較長時(shí)距離的變化可以測定(整周數(shù)保持 不變 ),T,接收到的衛(wèi)星相位,接收儀復(fù)制出的相位,載波相位測距的優(yōu)缺點(diǎn),波長：L1 信號的波長為19.03 cm。 L2 信號的波長為24.42 cm。,載波相位測量屬于非碼信號測量系統(tǒng),優(yōu)點(diǎn)：把載波作為量測信號，對載波進(jìn)行相位測量可以達(dá)到很高的

15、精度，目前可達(dá)到12mm。,缺點(diǎn)：載波信號是一種周期性的正弦信號，相位測量只能測定不足一個(gè)波長的小數(shù)部分，無法測定其整波長個(gè)數(shù)。因而存在著整周數(shù)的不確定性問題，使解算過程比較復(fù)雜。,GPS模塊,市場上的GPS模塊很多，大致可分為三種： 單點(diǎn)模式產(chǎn)品，如MOTOROLA M12、GARMIN GPS 25L、GPS 15L等，其單點(diǎn)定位精度為m左右。 GPS/GLONASS雙系統(tǒng)產(chǎn)品，如ARGO-16GPS/GLONASS,其定位精度與單點(diǎn)模式產(chǎn)品相似，但在定時(shí)精度上高一些，價(jià)格也略高一些。 差分GPS系統(tǒng)，其實(shí)就是使用單點(diǎn)模式產(chǎn)品的差分功能進(jìn)行差分GPS（DGPS）定位，其定位精度大大提高。但

16、此種方式需要自建一個(gè)基準(zhǔn)站，因此費(fèi)用太高。,Garmin GPS 15L,主要性能指標(biāo)如下： （1）有標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)實(shí)現(xiàn)了全導(dǎo)航精度； （3）位置精度:15m； （4）速度限制：515m/s； （5）熱啟動(dòng)時(shí)間：15s； （6）重捕獲時(shí)間:2s; （7）自動(dòng)定位（年里已知，初始位置和時(shí)間數(shù)據(jù)未知）時(shí)間：1.5分鐘； （8）冷啟動(dòng)（初始位置、時(shí)間、年歷數(shù)據(jù)一致、星歷表未知）時(shí)間:45s; （9）高性能接收裝置跟蹤12顆衛(wèi)星。,GPS15L在加電后基本運(yùn)行過程：,（1）自檢。加電后開始自檢，并通過輸出通道報(bào)告自檢結(jié)果，自檢過程將檢測RAM、flash、接收器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和晶振。 （2）初始化。自檢完畢

17、后，將開始衛(wèi)星探測和跟蹤過程。整個(gè)探測過程是完全自動(dòng)，正常情況下，GPS 15L將用45s的時(shí)間獲取位置定位信息，之后通過輸出通道傳送有效位置、速度和時(shí)間信息。 （3）導(dǎo)航。探測完畢后，GPS 15L將通過輸出通道發(fā)送有效的導(dǎo)航信息，包括經(jīng)緯度、海拔、速度、日期/時(shí)間、誤差估計(jì)、衛(wèi)星和接收器狀態(tài)。 （4）衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集。在運(yùn)行時(shí)，GPS 15L將自動(dòng)更新衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。,GPS串口模塊應(yīng)用實(shí)例,Garmin GPS 15L,天線BNC接頭,串行接口,GPS15L硬件接口,Garmin GPS 15L與計(jì)算機(jī)連接,Garmin GPS 15L與單片機(jī)連接,Garmin GPS 15L語句格式說明,（1）輸出語句使能/禁用（PGRMO） $PGRMO，*hh ：目標(biāo)語句名（如GPGSA、PGRMT、GPRMC等）； ：目標(biāo)語句的狀態(tài)設(shè)置。為0則禁用此目標(biāo)語句，為1則使能此目標(biāo)語句，為2則禁用所有語句，為3則使能所有語句（GPALM語句除外），為4則恢復(fù)出廠值。,（2）推薦最小GPS/TRANSIT數(shù)據(jù)（GPRMC） $GPRMC，*hh ：UTC（世界時(shí)）當(dāng)?shù)貢r(shí)間?！皶r(shí)時(shí)分分秒秒”格式。 ：工作狀態(tài)。A為可用，V為接收器報(bào)警，不可用。 ：緯度?！岸榷确址?分分分分”格式（前面的0也會傳送）。 ：