第二章 GPS(1).ppt
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1、 电气与信息工程学院电气与信息工程学院 电子信息工程系电子信息工程系车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用第二章第二章全球定位系统全球定位系统(1).1 全球定位系统的产生、发展全球定位系统的产生、发展 2.美国政府的美国政府的GPSGPS政策政策2.3 2.3 其他卫星导航定位系统的概况其他卫星导航定位系统的概况车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用2.1 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用导航发展历史导航发展历史星历导航星历导航最古老、最简单的导航方法,通过观察天空上的最古
2、老、最简单的导航方法,通过观察天空上的星星的位置变化来确定自己的位置和前进的方向。星星的位置变化来确定自己的位置和前进的方向。最早的导航仪:指南针;最早的航海仪是最早的导航仪:指南针;最早的航海仪是1761年英国人年英国人John Harrison发明。人们依靠综合利用发明。人们依靠综合利用星历知识、指南星历知识、指南针和航海表针和航海表进行导航定位。进行导航定位。惯性导航技术惯性导航技术通过对加速度计记录的船体加速度进行积分通过对加速度计记录的船体加速度进行积分来确定位置。来确定位置。地基电子导航系统,地基电子导航系统,20世纪世纪20年代后期产生,标志着人类从年代后期产生,标志着人类从此进
3、入了电子导航时代。此进入了电子导航时代。地基电子导航系统,主要是由在世界各地建立的无线电地基电子导航系统,主要是由在世界各地建立的无线电参考站组成,接收机通过接收参考站发射的无线电信号,参考站组成,接收机通过接收参考站发射的无线电信号,由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。最著名的有最著名的有LORANLORAN(罗兰系统);(罗兰系统);OMEGA(OMEGA(奥米加导航系统奥米加导航系统),VOR/DME TACANVOR/DME TACAN(伏尔(伏尔/测距器)等。缺点:只能确定测距器)等。缺点:只能确定海平面和地平面上运动物体的水平
4、位置。海平面和地平面上运动物体的水平位置。GPS 全球定位系统的产生、发展全球定位系统的产生、发展车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用空基电子导航系统(卫星电子导航系统)空基电子导航系统(卫星电子导航系统)1957年年10月月4日,前苏联发射了第一颗人造卫星,被美日,前苏联发射了第一颗人造卫星,被美国国Johns hopkins大学物理实验室的韦芬巴赫和基尔等学大学物理实验室的韦芬巴赫和基尔等学者,用自制的测量设备捕获和跟踪到了卫星发送的无线者,用自制的测量设备捕获和跟踪到了卫星发送的无线电信号,并测得了它的多普勒频移,进而推算出卫星的电信号,并测得了它的多普勒频移,进而推算出卫星的轨道
5、参数。麦克雷学者设想了一个轨道参数。麦克雷学者设想了一个“反向观测方案反向观测方案”:设想已知在轨卫星的轨道参数,地面观测者又测得该颗设想已知在轨卫星的轨道参数,地面观测者又测得该颗卫星发送信号的多普勒频移,则可计算出观测者的点位卫星发送信号的多普勒频移,则可计算出观测者的点位坐标,坐标,这也就是第一代卫星导航系统的工作原理。这也就是第一代卫星导航系统的工作原理。第一代导航系统即美国海军导航卫星系统(第一代导航系统即美国海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System,即,即NNSS)第二代导航卫星定位系统即第二代导航卫星定位系统即GPS导航发展历史(续)导航
6、发展历史(续)GPS 全球定位系统的产生、发展全球定位系统的产生、发展车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性系统简介系统简介NNSS Navy Navigation Satellite System(海军导航卫星系统),由海军导航卫星系统),由于其卫星轨道为极地轨道,故也称于其卫星轨道为极地轨道,故也称为为Transit(子午卫星系统)子午卫星系统)采用利用多普勒效应进行导航定位,采用利用多普勒效应进行导航定位,也被称为也被称为多普勒定位系统多普勒定位系统美国研制、建立美国研制、建立1964年年1月建成月建成1967年年7月解密供民用月解密供民用
7、子午卫星子午卫星子午卫星星座子午卫星星座GPS 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性系统组成系统组成空间部分空间部分卫星:发送导航定位信号(信号:卫星:发送导航定位信号(信号:4.9996MHz 30=149.988MHz;4.9996MHz 80=399.968MHz;星星历)历)卫星星座卫星星座 由由6颗卫星构成,颗卫星构成,6个轨个轨道面,轨道高度道面,轨道高度1075km地面控制部分地面控制部分包括:跟踪站、计算中心、注入站、包括:
8、跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台控制中心和海军天文台用户部分用户部分多普勒接收机多普勒接收机大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收机机-1(MX1502)大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收机机-2(CMA751)GPS 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性应用领域应用领域海上船舶的定位海上船舶的定位大地测量、石油勘探、海底电缆大地测量、石油勘探、海底电缆铺设等等铺设等等精度精度单点定位:单点定位:15次合格卫星通过次合格卫星通
9、过(两次通过之间的时间间隔为(两次通过之间的时间间隔为0.8h 1.6h),),精度约为精度约为10m联测定位:联测定位:各站共同观测各站共同观测17次合次合格卫星通过,精度约为格卫星通过,精度约为0.5m多普勒联测定位多普勒联测定位多普勒单点定位多普勒单点定位GPS 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性系统缺陷系统缺陷卫星少,观测时间和间隔时间长,无法提供实时导航卫星少,观测时间和间隔时间长,无法提供实时导航定位服务定位服务定位速度慢(约
10、需定位速度慢(约需12天的个观测时间),定位精度天的个观测时间),定位精度低低卫星信号频率低,不利于补偿电离层折射效应的影响卫星信号频率低,不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低,难以进行精密定轨卫星轨道低,难以进行精密定轨GPS 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用什么是什么是GPS?GPS的英文全称是的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System简称简称GPS,有时也被称作,有时也被称作N
11、AVSTAR GPS。其意为其意为“导航星测时与测距全球定位导航星测时与测距全球定位系统系统”,或简称全球定位系统。,或简称全球定位系统。GPS 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 什么是全球定位系统什么是全球定位系统车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GPS概述概述建立国家建立国家美国美国 由其陆海空三军联合研制由其陆海空三军联合研制目的目的在全球范围内,提供实时、连续、全天候的导在全球范围内,提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务航定位及授时服务开始筹建时间开始筹建时间1973年年完全建成时间完全建成时间1995年年GPS 全球定位系统的产生、发展及前景
12、全球定位系统的产生、发展及前景 GPS概述概述车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GPS的发展简史的发展简史方案论证阶段方案论证阶段 1973年年12月,美国国防部批准研制月,美国国防部批准研制GPS。1978年年2月月22日,第日,第1颗颗GPS试验卫星发射成功。试验卫星发射成功。从从1973年到年到1979年,共发射了年,共发射了4颗试验卫星。研制颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。了地面接收机及建立地面跟踪网。GPS 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GPS的发展简史的发展简史
13、全面研制和试验阶段全面研制和试验阶段 从从1979年到年到1987年,又陆续发射了年,又陆续发射了7颗试验卫星,颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精定位精度远远超过设计标准。度远远超过设计标准。GPS 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GPS的发展简史的发展简史实用组网阶段实用组网阶段 1989年年2月月14日,第日,第1颗颗GPS工作卫星发射成功。工作卫星发射成功。1991年,在海湾战争中,年,在海湾战争中,GPS首次大规模用于实战。首次大规模用
14、于实战。1993年底实用的年底实用的GPS网即(网即(21+3)GPS星座已经建星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。成,今后将根据计划更换失效的卫星。1995年年7月月17日,日,GPS达到达到FOC 完全运行能力完全运行能力(Full Operational Capability)。)。GPS 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GPS概述概述系统构成系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式服务方式通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务通过由多
15、颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理定位原理距离交会距离交会测距原理测距原理被动式电磁波测距被动式电磁波测距特点特点全球覆盖、全天候、不间断、精度高全球覆盖、全天候、不间断、精度高GPSGPS测量与经典测量相比的特点测量与经典测量相比的特点精度高;速度快;无需通视;操作简便;全球布网;精度高;速度快;无需通视;操作简便;全球布网;全天候作业;全天候作业;三维坐标;应用广泛三维坐标;应用广泛GPSGPS 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS概述概述车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用.美国政府的美国政府的GPS政策政策车载车载GPS定位技术与应用定
16、位技术与应用2.2.1美国政府美国政府的的GPS政策政策SPS与与PPSSPS 标准定位服务标准定位服务使用使用C/A码,民用码,民用2DRMS水平水平=100 m2DRMS垂直垂直=150-170 m2DRMS时间时间=340 ns(估计精度约为(估计精度约为400m,实际可达实际可达14m)PPS 精密定位服务精密定位服务可使用可使用P码,军用码,军用2DRMS水平水平=22 m2DRMS垂直垂直=27.7 m2DRMS时间时间=200 ns(估计精度为估计精度为10m,实际可达实际可达3m)GPS 美国政府的美国政府的GPS政策政策2DRMS,即即2倍水平均方根误差倍水平均方根误差,意指
17、测出的点有约意指测出的点有约95.5%的概的概率位于一个以真实坐标为圆心率位于一个以真实坐标为圆心,以以?m 为半径的圆内。为半径的圆内。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用美国政府的美国政府的GPS政策政策(1984年确立)年确立)SA技术(技术(1990.3.252000.5.1)Selective Availability 选择可用性选择可用性人为降低普通用户的测量精度。方法人为降低普通用户的测量精度。方法:技术:降低星历精度(加入随机变化)技术:降低星历精度(加入随机变化)技术:卫星钟加高频抖动技术:卫星钟加高频抖动(短周期,快变化)(短周期,快变化)AS技术(技术(1994.1
18、.31至今至今)Anti-Spoofing 反电子欺骗反电子欺骗P码加密,码加密,P+WY(p码和码和 高度机密高度机密w码码 模模2求求和和得得到到码码)GPS 美国政府的美国政府的GPS政策政策车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GPS现代化现代化1999年年1月月25日,美国副总统戈尔宣布,将斥资日,美国副总统戈尔宣布,将斥资40亿美元,进行亿美元,进行GPS现代化。现代化。GPS现代化实质是要加强现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。GPS 美国政府的美国政府的GPS政策政策
19、车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GPS现代化现代化GPS现代化的内涵:现代化的内涵:保护。即保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和友现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用,要发展军码和强化军码的保密性好方的使用,要发展军码和强化军码的保密性能,加强抗干扰能力;能,加强抗干扰能力;阻止。即阻扰敌对方的使用,施加干扰,施加阻止。即阻扰敌对方的使用,施加干扰,施加SA,AS等;等;保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。有更精确更安全的使用。GPS 美国政府的美国政府的GPS政策政策车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应
20、用GPS现代化现代化GPS现代化第一阶段现代化第一阶段发射发射12颗改进型的颗改进型的BLOCK R型卫星。型卫星。GPS现代化第二阶段现代化第二阶段发射发射6颗颗GPS BLOCK F(“FLite”)。)。GPS现代化计划的第三阶段现代化计划的第三阶段发射发射GPS BLOCK 型卫星,在型卫星,在2003年前完成年前完成代号为代号为GPS 的的 GPS完全现代化计划设计工作。完全现代化计划设计工作。GPS 美国政府的美国政府的GPS政策政策车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用2.2.2 GPS应用发展趋势应用发展趋势(1)随着微电子技术及信号处理技术的进步,新)随着微电子技术及信号
21、处理技术的进步,新的软硬件开发工具的出现,的软硬件开发工具的出现,GPS技术水平越来越高。技术水平越来越高。(2)GPS技术的应用范围越来越广,与其他领域技术的应用范围越来越广,与其他领域的融合也越来越密切。的融合也越来越密切。(3)GPS不仅深入跨学科的技术领域,而且已经不仅深入跨学科的技术领域,而且已经滲透到人类生活的领域滲透到人类生活的领域。GPS GPS应用发展趋势应用发展趋势车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用.其他卫星导航定位系统的概况其他卫星导航定位系统的概况车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用2.3.1 GLONASSGLONASS Global Navigatio
22、n Satellite System(全球导航卫星系统)全球导航卫星系统)开发者开发者俄罗斯(前苏联)俄罗斯(前苏联)系统构成系统构成卫星星座卫星星座地面控制部分地面控制部分用户设备用户设备GPS 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GLONASS constellationGLONASS satelliteP24P24GPS 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GLONASS与与GPS的比较的比较参 数GLONASSNAVSTAR GPS系统中的卫星数213213轨道平
23、面数36轨道倾角64.8 55轨道高度19100km20180km轨道周期(恒星时)11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率16021615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率12461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHzGPS 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GLONASS 与与GPS比较比较主要区别在于主要区别在于信号分割体制信号分割体制不同:不同:GLONASS使用使用FDMA体制区分不同的卫星体制区分不同的卫星,即不同的,即不同的GLONASS卫星发射载波频率不同的信
24、号,但所有的卫卫星发射载波频率不同的信号,但所有的卫星都使用相同的星都使用相同的PRN码。码。GPS使用使用CDMA方式,所有的卫星都是用相同的频率,方式,所有的卫星都是用相同的频率,而在载波上调制的而在载波上调制的PRN码随卫星的不同而不同。码随卫星的不同而不同。由于由于GPS采用的伪码速率比采用的伪码速率比GLONASS的高一倍,其的高一倍,其分辨率分辨率也高一倍,理论上来说,定位精度比也高一倍,理论上来说,定位精度比GLONASS的高。的高。地区优势不同:地区优势不同:GLONASS能为高纬度地区提供更好地覆盖;能为高纬度地区提供更好地覆盖;GPS的优势主要是在中低纬度地区。的优势主要是
25、在中低纬度地区。GPS 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GLONASS卫星导航定位系统卫星导航定位系统卫星运行状况卫星运行状况从从1982年年10月月12日发射第一颗日发射第一颗GLONASS卫星起,至卫星起,至1995年年12月月14日共发射了日共发射了73颗卫星。颗卫星。由于卫星寿命过短,加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳,由于卫星寿命过短,加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳,无法及时补充新卫星,故该系统不能维持正常工作。无法及时补充新卫星,故该系统不能维持正常工作。到到2006年年3月月20日日,GLONASS系统共有系统共有
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