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GPS 导航应用

GPS 导航应用. 第 3 章 基础知识. 大地坐标与 WGS-84. 大地 / 椭球坐标系. 定义 以参考椭球为依据建立的坐标系被称为大地坐标系，又被称为椭球坐标系。 大地坐标 大地纬度（ B ） 大地经度（ L ） 大地高 / 椭球高（ H ）. WGS 84. World Geodetic System 1984 1984 年世界大地系统 GPS 系统内部所采用坐标参照系 GPS 卫星所发送的广播星历基于此系统. 地图投影. 地图投影的产生. 无法将地球表面的地形、地物毫无变形地表示到一个平面上. 通俗的地图投影定义. 通俗的地图投影定义

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Presentation Transcript

  1. GPS导航应用

  2. 第3章 基础知识

  3. 大地坐标与WGS-84

  4. 大地/椭球坐标系 • 定义 • 以参考椭球为依据建立的坐标系被称为大地坐标系，又被称为椭球坐标系。 • 大地坐标 • 大地纬度（B） • 大地经度（L） • 大地高/椭球高（H）

  5. WGS 84 • World Geodetic System 1984 • 1984年世界大地系统 • GPS系统内部所采用坐标参照系 • GPS卫星所发送的广播星历基于此系统

  6. 地图投影

  7. 地图投影的产生 无法将地球表面的地形、地物毫无变形地表示到一个平面上

  8. 通俗的地图投影定义 • 通俗的地图投影定义 • 将球面坐标转换为平面坐标。

  9. 地图投影的定义 • 地图投影的定义 • 投影是球面坐标与平面坐标间的映射关系，可以用下面的数学表达式表示： 式中：x，y为平面坐标系下的坐标；B， L为大地纬度和经度；f1， f2为单值、连续、有界的函数，也被称为投影函数。

  10. 地图投影的类型

  11. GPS时

  12. GPS时 • GPST • 秒长：原子时秒长 • 起点：1980年1月6日0时 • 特点：连续计时，无跳秒 • 计时方法 • GPS周数+周内秒数 • GPS周数：从1980年1月6日起计的周数，从第0周起算 • 周内秒数：从当周周日0时起算的秒数

  13. 第4章 GPS系统的组成与信号结构

  14. 引子

  15. GPS定位的基本原理 GPS定位的基本原理：距离交会

  16. 第1节 GPS坐标和时间系统

  17. GPS坐标和时间系统 • GPS坐标系统 • 1984年世界大地坐标系（WGS-84 – World Geodetic System） • GPS时间系统 – GPS时（GPST） • 秒长：原子时秒长 • 计时方法：GPS周（GPS Week） + 周内秒数（TOW），每周以周日零时为起点 • 时间起点：1980年1月6日0时（在该时刻与UTC同步） • 其他特点：无跳秒 • 目前：GPST − UTC = 15（2012年2月29日）

  18. 第2节 GPS的组成

  19. 概况

  20. GPS的组成 空间部分 GPS 地面监控部分 用户部分

  21. 空间部分

  22. GPS设计星座 卫星数量：21(工作卫星)+3(活动的备用卫星) 轨道面数量：6 平均轨道高度：20200km 轨道倾角：55 轨道周期：11h 58min GPS的空间部分 • 构成：由GPS卫星所组成的GPS卫星星座 目前（2012.02.29），GPS星座由32颗GPS工作卫星构成。

  23. GPS卫星星座 注：摘编自http://www.navcen.uscg.gov/?Do=constellationStatus

  24. GPS卫星的功能 • 接收、存储导航电文 • 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） • 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文） • 接受地面指令，进行相应操作 • 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等

  25. Block IIA Block IIA Block IIR Block IIR Block IIR Block IIF GPS卫星

  26. 地面监控部分

  27. GPS地面监控部分的组成 • 主控站：1个 • 监测站：5个 • 注入站：3个 • 通讯与辅助系统

  28. GPS地面监控部分的分布

  29. 地面监控部分的功能 • 跟踪GPS卫星 • 确定卫星轨道及卫星钟改正数 • 预报卫星轨道，建立卫星钟改正模型 • 编制成导航电文，并通过注入站送往卫星 • 通过注入站向卫星发布各种指令

  30. 用户部分

  31. 用户部分的组成 • 用户 • 接收设备

  32. 用户部分的功能 • 用户部分的功能 • 测定从接收机至GPS卫星的距离 • 接收卫星星历 • 利用上述信息确定自身的三维位置、三维运动速度和钟差等参数

  33. 第3节 GPS卫星的信号结构

  34. GPS卫星信号的成分

  35. L1 C/A L2 P1 P2 D D GPS卫星信号的成分① • 载波 • 可运载调制信号的高频振荡波 • L1，L2 • 测距码 • 用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码 • C/A码（目前只被调制在L1上），P(Y)码（被分别调制在L1和L2上） • 导航电文 • 由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星空间位置、工作状态、卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据的二进制码，也被称为数据码（D码）

  36. GPS卫星信号的成分②

  37. 载波

  38. 载波的作用和类型① • 作用 • 搭载其它调制信号 • 测距 • 测定多普勒频移 • 类型 • 目前 • L1 – 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm • L2 – 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm • 现代化后 • 增加L5 – 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm

  39. 载波的作用和类型② • 选择两（多）个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟 • 电离层折射延迟与信号的频率有关

  40. 测距码

  41. 测距码的作用和性质 • 作用 • 测距 • 性质 • 为伪随机噪声码（PRN － Pseudo Random Noise），既具有随机噪声的特性，又可以精确定义（实际上隐含有时间信息） • 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数） • 对齐的同一组码间的相关系数为1

  42. C/A码 • 名称 • 粗码/捕获码（Coarse/Acquisition Code） • 码率 • 1.023MHz • 周期 • 1ms • 1周期含码元数 • 1023 • 码元宽度 • 293.05m • 调制载波 • L1

  43. P码 • 名称 • 精码（Precise Code） • 码率 • 10.23MHz • 周期 • 7天 • 1周期含码元数 • 6187104000000 • 码元宽度 • 29.30m • 调制载波 • L1和L2

  44. 现代化后测距码的变化 • 在L2上调制C/A码 • 在L1和L2增加调制M码（军用码）

  45. 导航电文

  46. 导航电文的作用及基本结构① • 形式 • 码率50Hz的比特流 • 作用 • 向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息

  47. 导航电文的作用及基本结构② • 组织方式 • 字（30bit） • 子帧（由10个字组成） • （主）帧（由5个子帧组成） • 导航电文（由25个（主）帧组成） 一帧导航电文的结构

  48. 第5章 GPS测量的基本原理和方法

  49. 第1节 码伪距测量

  50. 距离交会与GPS定位 ？ ？ ？ ？ ？

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