GPS定位系统剖析.ppt

GPS定位系统 同组成员：王啓团、林志铭、施一帆、康超凡 GPS的定义和介绍 全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。 全球定位系统由三部分构成： (1)地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的 工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成； (2)空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上； (3)用户装置部分， 主要由GPS接收机和卫星天线组成。 GPS定位系统组成部分图示  全球定位系统的主要特点： (1)全天候； (2) 全球覆盖； (3)三维定速定时高精度； (4)快速省时高效率； (5)应用广泛多功能。 全球定位系统的主要用途： (1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等； (2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等； (3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。 GPS的发展历程 首先，我们来了解一下GPS系统的前身：子午卫星导航系（NNSS）, 该系统又称多普勒卫星定位系统，它是58年底由美国海军武器实验室开始研制,于64年建成的“海军导航卫星系统”,这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。 子午卫星导航系统的组成:?? （1）卫星星座：子午卫星星座，由六颗独立轨道的极轨卫星组成； （2）地面系统：地面设有4个卫星跟踪站、1个计算中心、1个控制中心、2个注入站、1个天文台（海军天文台）。? 子午卫星导航系统的不足之处： （1）一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要； （2）卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要； （3）子午卫星导航系统的定位精度偏低，并且无法给出高度信息，系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷 由于上述种种原因，诞生了GPS计划，该计划的实施共分三个阶段： （1）第一阶段为方案论证和初步设计阶段：从1978年到1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560km，倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意； （2）第二阶段为全面研制和试验阶段：从1979年到1984年，又陆续发射了7颗称为BLOCK I的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14米； （3）第三阶段为实用组网阶段：1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为BLOCK II 和 BLOCK IIA，此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态； 1989年2月到1990年10月第二代(Block II)第一批9颗发射完成； 1990年11月开始发射第二代第二批卫星（ Block IIA）； 1993年底系统卫星全部发射完成； 1997年第二代第二批卫星发射完毕； 1997年开始发射第三代卫星（ Block IIR， Block III）。 GPS的工作原理 24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。 由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。 事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。 由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，