1、卫星导航电子课件第二部分卫星导航电子课件第二部分四、四、GPS接收机接收机按用途分：按用途分：导航型（又称导航仪）、测地型和授时型导航型（又称导航仪）、测地型和授时型按接收机工作原理分：按接收机工作原理分：码相关型（码相关型（Correlation Channel）、平方型（）、平方型（Squaring Channel）、混合型（）、混合型（Hybrid Channel）、码相位型（）、码相位型（Code Phase Channel）、干涉型（）、干涉型（Interferometry Channel）按信号通道分：按信号通道分：多通道（多通道（Multi-Channel）、序贯通道（）、序贯通
2、道（Sequencing Channel）、多路复用（）、多路复用（Multiplexing Channel）按接收卫星信号的频率分：按接收卫星信号的频率分：单频（单频（L1载波）和双频（载波）和双频（L1+L2载波）载波）（一）（一）GPS接收机分类接收机分类（二）（二）CA码、单频（码相关型）码、单频（码相关型）GPS接收机工作原理接收机工作原理前置放大器前置放大器电源电源变频器及中放变频器及中放信号信号解扩解扩解调解调本机伪码本机伪码发生器发生器卫星电文卫星电文多普勒频多普勒频移测量移测量显示器和键盘显示器和键盘信号通道信号通道显示模块显示模块导航导航计算计算伪码测量伪码测量微处理器微处
3、理器第三节第三节 GPSGPS定位误差及美国定位误差及美国GPSGPS政策政策一、一、GPS误差种类误差种类 伪测距误差、几何误差、美国伪测距误差、几何误差、美国GPS政策带来的误差、政策带来的误差、速度误差和海图标绘误差。速度误差和海图标绘误差。通常将通常将GPS定位的误差等效为测距离误差，称之定位的误差等效为测距离误差，称之为用户等效测距误差。为用户等效测距误差。二二.伪测距误差：伪测距误差：l星历表误差星历表误差(2.7m)、l卫星钟剩余误差卫星钟剩余误差(3.1m)l群延迟误差群延迟误差l电离层折射误差电离层折射误差(0.4m-P,6.4m-CA)l对流层折射误差、对流层折射误差、(0
4、.4m)l多径效应多径效应(1.2m-P,3.1m-CA)1.卫星误差：卫星误差：2.信号传播误差：信号传播误差：3.卫星导航仪误差：卫星导航仪误差：l导航仪通道间误差导航仪通道间误差(0.15m-P,0.6m-CA)l导航仪噪声和量化误差导航仪噪声和量化误差(0.24m-P,2.44m-CA)综合以上误差预算数据，若计算方法取上述误差平方和的综合以上误差预算数据，若计算方法取上述误差平方和的平方根，则由总的合成误差引起平方根，则由总的合成误差引起GPS接收机等效测距误差为接收机等效测距误差为4.3m(P码码)和和8.6m(CA码码)。点击看图点击看图三三.几何误差：几何误差：GPS定位的几何
5、误差反映的是：当测距误差为定位的几何误差反映的是：当测距误差为定值时，观测者与卫星间的空间几何图形不同时，定值时，观测者与卫星间的空间几何图形不同时，定位误差的大小也不同。定位误差的大小也不同。精度几何因子（精度几何因子（GDOP）：）：用来描述用户与卫星的几何关系对定位误差用来描述用户与卫星的几何关系对定位误差影响的大小。影响的大小。443322112222ggggGDOPtzyx GDOP值越小，选用的卫星的几何图形配置越理想，值越小，选用的卫星的几何图形配置越理想，位置和时间的偏差值也越小。位置和时间的偏差值也越小。4颗卫星与测者所构成的几何四面体体积与颗卫星与测者所构成的几何四面体体积
6、与GDOP成反比。成反比。2222tzyxGDOP 当当=1时，则：时，则：22)()(TDOPPDOPGDOP22)()(VDOPHDOPPDOPGDOP:精度几何因子；精度几何因子；PDOP：三维位置精度几何因子；：三维位置精度几何因子；HDOP：水平方向精度几何因子；：水平方向精度几何因子；TDOP：时钟偏差几何因子；：时钟偏差几何因子；VDOP：高程精度几何因子：高程精度几何因子一般地，一般地，PDOP4，位置精度较高；，位置精度较高；PDOP9，位，位置精度较差。置精度较差。l例题例题：GPS接收机等效测距误差接收机等效测距误差()为为4.3m(P码码)和和8.6m(CA码码)，假设
7、某，假设某GPS接收机显示其接收机显示其PDOP=0.8，则位置误差分别为多少？则位置误差分别为多少？GPS接收机最佳的选星原则接收机最佳的选星原则HDOP值的选择值的选择四四.速度测量误差：速度测量误差：GPS速度测量精度受导航仪动态特性影响。速度测量精度受导航仪动态特性影响。五五.海图标绘误差：海图标绘误差：由于海图和由于海图和GPS接收机坐标系选取不同产生的误差。接收机坐标系选取不同产生的误差。六六.美国美国GPS政策政策l对不同的对不同的GPS用户提供不同的服务方式（用户提供不同的服务方式（PPS和和SPS）lSA：Selective Availability,技术（卫星轨道参数慢技术
8、（卫星轨道参数慢变）和变）和技术（卫星频率抖动）技术（卫星频率抖动）lAS：Anti-spoofing，将，将P码与码与W码模码模2和，形成更保和，形成更保密的密的Y码。码。七七.美国美国GPS现代化现代化GPS现代化步骤现代化步骤:第一步，发射第一步，发射12颗颗GPS BLOCK R型卫星，增加军用型卫星，增加军用M码、在码、在L2频道上增加频道上增加CA码、提高信号发射功率；码、提高信号发射功率；第二步，发射第二步，发射6颗颗GPS BLOCK F型卫星，除了具有型卫星，除了具有R型卫星的全部功能外，还增加了型卫星的全部功能外，还增加了L5民用频率；民用频率；第三步，发射第三步，发射GP
9、S BLOCK 型卫星，即所谓的第三代型卫星，即所谓的第三代GPS卫星，美国计划用卫星，美国计划用20年时间完成年时间完成GPS 计划，取代目计划，取代目前的前的GPS 为什么美国要提出为什么美国要提出GPS现代化规划？现代化规划？第四节第四节 DGPS卫星导航系统卫星导航系统差分差分GPS（Differential GPS）基本原理）基本原理DGPS基准台基准台用户用户卫星卫星一一.DGPS的分类：的分类：1.伪距差分（米级）伪距差分（米级）2.位置差分（米级）：位置差分（米级）：3.相位平滑差分（亚米级）：相位平滑差分（亚米级）：4.载波相位差分（厘米级）：载波相位差分（厘米级）：5.局域
10、差分：局域差分：6.广域和广域增强差分：广域和广域增强差分：二、中国沿海无线电指向标二、中国沿海无线电指向标/差分差分GPS（RBN-DGPS）（一）中国沿海无线电指向标（一）中国沿海无线电指向标/差分差分GPS基准台的设置基准台的设置l北海海区：北海海区：大三山、老铁山、成山角、秦皇岛、大三山、老铁山、成山角、秦皇岛、北塘、王家麦；北塘、王家麦；l东海海区：东海海区：大戢山、燕尾港、蒿技港、定海、大戢山、燕尾港、蒿技港、定海、石塘、天达山、镇海角；石塘、天达山、镇海角；l南海海区：南海海区：鹿屿、三灶、硇洲岛、防城、抱虎鹿屿、三灶、硇洲岛、防城、抱虎角、三亚、洋浦角、三亚、洋浦大戢山大戢山R
11、BN-DPS：灯塔始建于：灯塔始建于1869年，年，1997年建成年建成RBN-DGPS，位于长江口外东偏南海域中，地处长江口与杭州，位于长江口外东偏南海域中，地处长江口与杭州湾的交汇处，隶属上海海事局航标处。湾的交汇处，隶属上海海事局航标处。（二）无线电指向标（二）无线电指向标/差分差分GPS系统组成系统组成 l基准台：基准台：跟踪、测量卫星的伪距、载波相位和差分跟踪、测量卫星的伪距、载波相位和差分校正数据，并格式化为标准的信号格式播发给用户校正数据，并格式化为标准的信号格式播发给用户。l播发台：播发台：播发指向信号，依规定的强度和速率播发播发指向信号，依规定的强度和速率播发DGPS修正信息
12、和指向标状况及基准台状况信息。修正信息和指向标状况及基准台状况信息。l完善性监控台：完善性监控台：监测监测GPS的完善性和播发的差分修的完善性和播发的差分修正值的正确性，监控基准台，计算并登录系统运行数正值的正确性，监控基准台，计算并登录系统运行数据的统计结果。据的统计结果。l监控中心：监控中心：监测、控制各监测、控制各RBN-DGPS站的工作。站的工作。（三）无线电指向标（三）无线电指向标/差分差分GPS技术指标技术指标l工作频率：工作频率：国际电联划分的海上无线电指向标频率国际电联划分的海上无线电指向标频率（283.5325.0kHz）范围。）范围。l差分全球定位系统识别码差分全球定位系统
13、识别码：航标和灯塔管理机构的航标和灯塔管理机构的国际组织（国际组织（IALA）分配）分配 l单站信号作用距离单站信号作用距离：300km l差分信息调制方式和播发类别：差分信息调制方式和播发类别：MSK调制方式调制方式，调，调相单信道数据传送（相单信道数据传送（G1D）l信号格式和信息类型信号格式和信息类型：RTCM SC-104信号格式标准信号格式标准 1.DGPS只能消除和削弱基准站和用户只能消除和削弱基准站和用户GPS卫星卫星导航仪的导航仪的公共测距误差公共测距误差，包括：，包括：卫星钟剩余误差、卫星钟剩余误差、星历表误差、电离层和对流层折射误差、星历表误差、电离层和对流层折射误差、SA
14、与与AS误差误差。2.对于对于非公共误差非公共误差：多径效应、导航仪噪声、量：多径效应、导航仪噪声、量化误差、通道间偏差，化误差、通道间偏差，DGPS不能消除和削弱不能消除和削弱。3.DGPS的的差分效果差分效果随着用户与随着用户与DGPS基准站之基准站之间的距离间的距离增大而逐渐变差增大而逐渐变差。（。（见表见表5-3）三三.DGPS的定位精度：的定位精度：误误 差差DGPS定点观测误差定点观测误差(m)0 0 n mile100100n mile500 500 n mile e1 000 1 000 n mile2 000 2 000 n mile卫星钟剩余误差卫星钟剩余误差0 00000
15、0.000.000 000000 000000 00000星历表误差星历表误差0 000 00 0.090.090 046460 09l9l1 18282SA引起的误差引起的误差0 000000.000.000 000000 000000 00000电离层折射误差电离层折射误差0 000002 219194 488886 64 48 82323对流层折射误差对流层折射误差0 000001 183831 183831 183831 18383多径效应多径效应0 000000 000000 000000 000000 00000导航仪噪声导航仪噪声0 091910 091910 09l9l0.91
16、0.910 09191用户伪测距误差用户伪测距误差(rms)0 091912 299995 530306 677778 86969水平位置误差水平位置误差(HDOP=1.5)(2drms)=1.5)(2drms)2 274 74 9 91414151585852020111126262020表表53 DGPS定位误差与距离的关系定位误差与距离的关系第五节第五节 GPS卫星导航仪在船舶导航上的应用卫星导航仪在船舶导航上的应用一、一、GPS卫星导航仪主要功能卫星导航仪主要功能1.显示定位和导航数据显示定位和导航数据(位置更新时间约位置更新时间约ls，导航，导航数据更新时间约数据更新时间约35s)2
17、.能够设置一些参数能够设置一些参数3.显示卫星信息显示卫星信息4.能存储、设计航线和航路点能存储、设计航线和航路点5.报警报警6.接口功能接口功能二、二、GPS卫星导航仪的初始化卫星导航仪的初始化 l日常启动时只需按下电源键，卫星导航仪即能自日常启动时只需按下电源键，卫星导航仪即能自动定位动定位 l第一次启动或某些特殊情况下可以进行初始化输第一次启动或某些特殊情况下可以进行初始化输入，加快定位速度入，加快定位速度三、三、GPS卫星导航仪的显示方式卫星导航仪的显示方式 1导航数据显示方式导航数据显示方式2用户显示方式用户显示方式3标绘显示方式标绘显示方式4航路显示方式航路显示方式5操舵显示方式操
18、舵显示方式四、利用四、利用GPS卫星导航仪进行航路点（卫星导航仪进行航路点（WAYPOINTS）/航线航线(ROUTE)导航导航 五、利用五、利用GPS卫星导航仪进行航迹线卫星导航仪进行航迹线(plot trail)标绘标绘 标绘船舶历史航迹可以帮助驾驶员了解船舶标绘船舶历史航迹可以帮助驾驶员了解船舶历史动态和在航道上运动的趋势，并可用于设计历史动态和在航道上运动的趋势，并可用于设计返航航线返航航线。六、利用六、利用GPS卫星导航仪进行定点导航卫星导航仪进行定点导航 抛锚、丢锚、人员落水、特殊事件的位置抛锚、丢锚、人员落水、特殊事件的位置 七、利用七、利用GPS卫星导航仪报警卫星导航仪报警 锚
19、更警锚更警（ANC ALARMANC ALARM）到达警到达警(ARV ALARM)(ARV ALARM)七、利用七、利用GPS卫星导航仪报警卫星导航仪报警 偏航警（偏航警（XTE）八、用八、用GPS卫星导航仪计算距离与方位（卫星导航仪计算距离与方位（CALCULATE）九、利用九、利用GPS卫星导航仪定位时的注意事项卫星导航仪定位时的注意事项（一）定位变慢的问题（一）定位变慢的问题（二）（二）HDOP值设定值设定（三）卫星状态显示（三）卫星状态显示（四）定位模式选择（四）定位模式选择（五）坐标系选用（五）坐标系选用（六）（六）GPS显示的航向和速度显示的航向和速度（七）时差的输入（七）时差的
20、输入（八）（八）GPS导航仪实际误差估算导航仪实际误差估算第六节第六节 GPS在航海测量中的应用在航海测量中的应用一、一、GPS用于船舶机动性能测定用于船舶机动性能测定（一）利用（一）利用GPS卫星导航卫星导航仪测量船速仪测量船速（二）利用（二）利用GPS卫星导航卫星导航仪测量船舶旋回半径仪测量船舶旋回半径（三）利用（三）利用GPS卫星导航仪测量船舶舵角提前量卫星导航仪测量船舶舵角提前量（四）利用（四）利用GPS卫星导航仪测量船舶航向稳定性卫星导航仪测量船舶航向稳定性1.载体姿态的确定：载体姿态的确定：航向角航向角横摇角横摇角纵摇角纵摇角 载体坐标系相对于地平坐载体坐标系相对于地平坐标系之间的
21、空间取向，即为载标系之间的空间取向，即为载体姿态。体姿态。利用三副利用三副GPS天线构成两天线构成两条独立基线，观测条独立基线，观测6颗卫星形成颗卫星形成6个观测方程可求解载体姿态。个观测方程可求解载体姿态。载体姿态测量精度与基线测载体姿态测量精度与基线测量精度及基线长度成正向关系。量精度及基线长度成正向关系。二、二、GPS用于船舶等载体的姿态测定用于船舶等载体的姿态测定2.GPS/DGPS罗经：罗经：3GPS天线系统，通过测量天线系统，通过测量GPS载波相位的方法解算航载波相位的方法解算航向；向；GPS/DGPS罗经稳定时间罗经稳定时间4分钟以内，随动性能高，静分钟以内，随动性能高，静态指向
22、精度达态指向精度达0.6，耗电少。，耗电少。三三.GPS用于其他方面：用于其他方面：精密授时、车辆指挥和调度、筑路勘测与精密授时、车辆指挥和调度、筑路勘测与自动施工、气象预报、农林业、渔业、海洋自动施工、气象预报、农林业、渔业、海洋作业等广泛领域的科研与实际应用。作业等广泛领域的科研与实际应用。图5-24 北斗双星定位系统组成框图第七节第七节 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统发北斗卫星导航系统发展概述展概述第一代第一代第二代第二代一一.北斗星导航系统的组成（第一代双星有源系统）北斗星导航系统的组成（第一代双星有源系统）组成：卫星网、地面控制中心、用户设备组成：卫星网、地面控制中
23、心、用户设备功能：区域、全天候、高精度、近于实时的定位，功能：区域、全天候、高精度、近于实时的定位，1s内完成定位，精度优于内完成定位，精度优于20m，DGPS状态下精度为状态下精度为25m。二二.北斗星导航星座（第一代双星有源系统）北斗星导航星座（第一代双星有源系统）2+1颗备用卫星；颗备用卫星；轨道高度轨道高度36000KM左右，轨道倾角左右，轨道倾角0；覆盖范围：覆盖范围：5N55N，70E145E；发射频率：上行发射频率：上行L频段频段/下行下行S频段频段/C频段频段三三.北斗星导航工作原理（第一代双星有源系统）北斗星导航工作原理（第一代双星有源系统）用户用户中心站中心站第一代北斗卫星
24、星导航缺陷：第一代北斗卫星星导航缺陷：用户不隐蔽、容量有限、仅能二维定位、不用户不隐蔽、容量有限、仅能二维定位、不与其他卫星导航系统兼容。与其他卫星导航系统兼容。第八节第八节 格罗纳斯和伽利略卫星导航系统格罗纳斯和伽利略卫星导航系统一、格罗纳斯（一、格罗纳斯（GLONASS）卫星导航系统）卫星导航系统（一）（一）GLONASS导航卫星网导航卫星网l24颗卫星组成，平均分布在颗卫星组成，平均分布在3个轨道个轨道l轨道高度：轨道高度：19 100km左右，中轨轨道左右，中轨轨道l运行周期：约运行周期：约11 h 15 minl轨道倾角：约轨道倾角：约64.8l发射频率：发射频率：同时发射同时发射L
25、1、L2两种频率，分别为：两种频率，分别为：1 602MHz+N0.5625MHz和和1 246MHz+N0.4375MHz l卫星电源：卫星电源：太阳能电源、电池和可替换能源太阳能电源、电池和可替换能源 l卫星钟：卫星钟：铯钟铯钟（二）（二）GLONASS的现状及未来发展的现状及未来发展二、伽利略（二、伽利略（GALILIEO）卫星导航系统）卫星导航系统（一）伽利略系统发展概述（一）伽利略系统发展概述（二）伽利略系统的组成（二）伽利略系统的组成l伽利略卫星星座：伽利略卫星星座：计划由计划由30颗卫星构成，平均分布在颗卫星构成，平均分布在3个地球轨道上，轨道高度为个地球轨道上，轨道高度为23
26、616km，轨道倾角为，轨道倾角为56 l地面监控中心：地面监控中心：控制伽利略卫星、管理导航任务控制伽利略卫星、管理导航任务 l用户接收机用户接收机 伽利略系统不同级别的用户服务：伽利略系统不同级别的用户服务：1.免费公共服务（免费公共服务（PVT）：）：定位精度（定位精度（95%）：单频接收水）：单频接收水平方向平方向15m、高度方向、高度方向35m，双频接收水平方向，双频接收水平方向4m、高度方、高度方向向8m；2.精确完备的导航服务（精确完备的导航服务（AI）：）：签约服务；仅提供双频接收，签约服务；仅提供双频接收，定位精度（定位精度（95%）水平方向）水平方向4m，高度方向，高度方向
27、8m；3.距离修正及授时服务（距离修正及授时服务（RT）：）：即差分服务，签约服务；即差分服务，签约服务；单频或双频用户的定位精度优于单频或双频用户的定位精度优于1m，三频用户定位精度优，三频用户定位精度优于于10cm。4.高度完备性服务（高度完备性服务（HI）：）：针对对生命安全要求非常高的用针对对生命安全要求非常高的用户市场提供最高精度、最高系统连续可用性、高度抗干扰能户市场提供最高精度、最高系统连续可用性、高度抗干扰能力的服务，该服务仅针对具有特殊授权的高级签约用户开放。力的服务，该服务仅针对具有特殊授权的高级签约用户开放。【卫星导航系统部分】【卫星导航系统部分】【完】【完】太 空电波折射电离层对流层GPS信号传播误差之：电离层及对流层折射误差信号传播误差之：电离层及对流层折射误差无反射信号无反射信号多径反射信号多径反射信号GPS信号传播误差之：多径效应误差看完返回看完返回
