GPS原理及其应用课件.ppt

1、GPS原理及其应用主讲 刘云1ppt课件GPS定义nGPS的英文全称是：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position Systemn测量用户的 PVT：nPosition(三维位置三维位置)nVelocity(三维速度三维速度)nTime(时间时间)2ppt课件日常生活中的GPS33ppt课件日常生活中的GPS车载手机44ppt课件日常生活中的GPSnDeray 的北京到巴黎 單車旅行（http:/btp.deray.org/）GPS定位技术与应用55ppt课件目前，拥有定位系统的国家或地区:6ppt课件有人说过，只有我们想不到

2、的，没有有人说过，只有我们想不到的，没有GPSGPS做不到的。做不到的。有人预言，有人预言，GPSGPS将改变我们的生活方式。将改变我们的生活方式。7ppt课件空间部分由24颗GPS卫星组成地面监控系统由监测站、主控站、注入站组成用户部分由GPS接收机组成监测站注入站主控站GPSGPS系统的组成系统的组成8ppt课件空间部分9ppt课件10ppt课件11ppt课件1个主控站个主控站 3个注入站个注入站 5个监测站个监测站 太平洋太平洋印度洋印度洋大西洋大西洋12ppt课件用户设备用户设备空间部分空间部分（24星）星）单工单工不断发出测距波5个监控站3个注入站1个主控站双工双工单工单工地面监地面

3、监控系统控系统13ppt课件14ppt课件15ppt课件16ppt课件=用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度17ppt课件18ppt课件TOPCONTOPCON产品产品19ppt课件20ppt课件Leica GPS接收机接收机21ppt课件南方仪器厂南方仪器厂22ppt课件23ppt课件手持型手持型GPS机机车载型车载型GPS机机24ppt课件单频机单频机双频机双频机25ppt课件1.GPS1.GPS卫星信号的组成卫星信号的组成（1 1）载波信号）载波信号 L L1

4、 1载波，波长载波，波长=19.03cm=19.03cm，频率，频率f f1 1=1575.42MHZ=1575.42MHZ L L2 2载波，波长载波，波长=24.42cm=24.42cm，频率，频率f f2 2=1227.6OMHZ=1227.6OMHZ。（2 2）测距码）测距码 C/A C/A码（粗码码（粗码/捕获码）：调制在捕获码）：调制在L L1 1载波上。结构公开，载波上。结构公开，不同的卫星有不同的不同的卫星有不同的C/AC/A码。码。P P码码（精码）：调制在精码）：调制在L L1 1和和L L2 2载波上。载波上。（3 3）数据码（）数据码（D D码）（导航电文）码）（导航电

5、文）提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。航和定位。26ppt课件GPSGPS的常用坐标系的常用坐标系-WGS-84世界大地坐标系：世界大地坐标系：原点原点是地球的质心是地球的质心Z Z轴轴指向国际时间局指向国际时间局BIH1984.0BIH1984.0定义的协议地球北极（定义的协议地球北极（CTPCTP）方向）方向X X轴轴指向指向BIH1984.0BIH1984.0的零子午面和的零子午面和CTPCTP相对应的赤道的交点相

6、对应的赤道的交点Y轴垂直于垂直于ZOXZOX平面且与平面且与Z Z、X X轴构成右手坐标系轴构成右手坐标系 协议地球北极CTPZWGS-84YWGS-84XWGS-84国际时间局(BIH)定义的零子午圈O地球质心协议 地赤 道球27ppt课件GPSGPS定位原理定位原理 28ppt课件29ppt课件XllVl Xl lll30ppt课件XllVlXllllllllVVVllVlllXlX31ppt课件XllVlXllllVll32ppt课件XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离=传播时间 x 光速33ppt课件 GPSGPS采用的采用的单程测距原理（单工通信）单程测距原理（单

7、工通信）。这就要求卫星时。这就要求卫星时钟与接收机时钟要严格同步。但实际上，两者难于严格同步，钟与接收机时钟要严格同步。但实际上，两者难于严格同步，因此存在不同步误差，另外，测距码在大气中传播还受到大因此存在不同步误差，另外，测距码在大气中传播还受到大气电离层折射及大气对流层的影响，产生延迟误差。因此，气电离层折射及大气对流层的影响，产生延迟误差。因此，测距码所求得距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称其测距码所求得距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称其为为“伪距伪距”。由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响，可以通由于卫星钟差、电离层折射和大气对流的影响，可以通过导航电文中所给的有关参数

8、加以修正，而接收机的钟差却过导航电文中所给的有关参数加以修正，而接收机的钟差却难以预先准确地确定，所以把接收机的钟差当作一个未知数，难以预先准确地确定，所以把接收机的钟差当作一个未知数，与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出4 4个未知个未知参数参数，即，即3 3个点位坐标分量和个点位坐标分量和1 1个钟差参数个钟差参数，所以至少同时，所以至少同时观观测测4 4颗卫星颗卫星。34ppt课件伪距测量与载波相位测量伪距测量与载波相位测量（1 1）伪距测量）伪距测量(C/AC/A码与码与P P码都是伪随机码码都是伪随机码)伪随机码作用：（1）多星

9、共享信道（2）测传输时差扩频通信基础知识35ppt课件扩频通信基础知识-伪随机码n伪随机码具有良好的自相关特性及互相关特性M序列（一种伪随机码）的自相关函数36ppt课件扩频通信技术基础知识窄带信号窄带信号扩频码扩频码扩频码扩频码信号合并信号合并宽带信号宽带信号噪声噪声噪声噪声+宽带信号宽带信号信号与噪声分离信号与噪声分离tP(t)P(t)P(t)P(t)P(t)tttt9.6 K9.6 K1.2288 M1.2288 M37ppt课件扩频系统原理示意(1)1.25 MHz30 KHzPower is“Spread”Over a Larger Bandwidth38ppt课件扩频系统原理示意(

10、2)许多码信道被单独扩展,然后加在一起,形成一个“”39ppt课件扩频系统原理示意(3)UNWANTED POWERFROM OTHER SOURCES使用使用“正确正确”的数学序列可以将的数学序列可以将任一个码信道从接收到的复合任一个码信道从接收到的复合信号中抽去出来信号中抽去出来.40ppt课件扩频扩频/解扩频解扩频白噪声突发干扰扩频前信号扩频前信号扩频后信号扩频后信号解扩后信号解扩后信号解扩前信号解扩前信号白噪声突发干扰S(f)fS(f)fS(f)fS(f)f41ppt课件系统所允许的最大干扰电平系统所允许的最大干扰电平解调门限解调门限扩频/解扩原理频域解释 功率谱功率谱可以给所有用户共

11、享的功率可以给所有用户共享的功率增益增益其他用户干扰信号其他用户干扰信号EchipEb/No=Ec/Io 增益42ppt课件扩频技术+1 -1+1 -1 -1 -1 -1+1+1+1扩频扩频解扩频解扩频符号符号码片码片数据数据扩频码扩频码扩频码扩频码数据数据100101 1 0 1 1 0 0 1扩频后的信号扩频后的信号43ppt课件扩频技术 -1 -1 -1+1+1+1解扩解扩干扰信号干扰信号数据数据 -1+1 -1+1其他的经过其他的经过扩频后的信号扩频后的信号积分后的结果积分后的结果+8 -81 1 0 1 1 0 0 11 1 0 1 1 0 0 11 1 1 1 1 1 1 1扩频后

12、的信号扩频后的信号扩频码扩频码信号信号噪声噪声44ppt课件D=V(dT)n测距伪随机码 n每一卫星播发一个伪随机测 距 码信号，该信号大约每1毫秒播 发一次n接收仪同时复制出一个同样结构的 信号并与接收到的卫星信号进行比较。n由信号的延迟时间(dT)推算出 卫星至接收仪的距离n接收仪时钟应与卫星钟校时dT 接收到的卫星测距码 接收仪复制出的测距码45ppt课件一个简单的CDMA发射机-仲恺通信原理试验箱方案SIGN:1Kbit/S的信息码GOLD:100Kbit/S的GOLD码(一种伪随机码)S-KP:被伪随机码扩频后的信息码码(一种伪随机码)PSK:二进制调相信号。46ppt课件相应的CD

13、MA接收机Gold同步47ppt课件Gold同步捕获:使本地产生的Gold码与接收到的Gold码相位误差小于1个码片跟踪:在捕获的基础上，完全对准接收信号Gold码与本地Gold码。nGoldGold同步是接收机的关键部分。同步是接收机的关键部分。接收机组成：Gold同步（扩频码的捕获和跟踪）、载波提取、PSK解调和差分译码、汉明解码。nGoldGold同步对于同步对于GPSGPS的意义的意义：可确定电播传播时延。nGoldGold同步的分步实现同步的分步实现：48ppt课件Gold同步第一步：捕获包络检波解扩时钟PN码发生器扣码BPF门限判决解调滑动相关捕获原理滑动相关捕获原理49ppt课件

14、Gold同步第二步：跟踪PN码的跟踪码的跟踪包络检波BPF包络检波BPF环路滤波压控时钟PN码发生器)(t)(t50ppt课件51ppt课件D=c TNn载波相位观测n载波L1的波长为19cm，L2的波长为24 cm n接收仪将接收到的卫星载波信号的相位与其自身产生 的参考载波信号的相位进行比较n接收仪开机后，相位整周数未知(带有整周模糊度)n跟踪卫星时间较长时距离的变化可以测定(整周数保持 不变)接收到的卫星相位接收仪复制出的相位52ppt课件53ppt课件GPS模块市场上的GPS模块很多，大致可分为三种：n单点模式产品单点模式产品，如MOTOROLA M12、GARMIN GPS 25L、

15、GPS 15L等，其单点定位精度为m左右。nGPS/GLONASS双系统产品双系统产品，如ARGO-16GPS/GLONASS,其定位精度与单点模式产品相似，但在定时精度上高一些，价格也略高一些。n差分差分GPS系统系统，其实就是使用单点模式产品的差分功能进行差分GPS（DGPS）定位，其定位精度大大提高。但此种方式需要自建一个基准站，因此费用太高。54ppt课件 主要性能指标如下：（1）有标准定位服务实现了全导航精度；（3）位置精度位置精度:15m；（4）速度限制：515m/s；（5）热启动时间：15s；（6）重捕获时间:2s;（7）自动定位（年里已知，初始位置和时间数据未知）时间：1.5分

16、钟；（8）冷启动（初始位置、时间、年历数据一致、星历表未知）时间:45s;（9）高性能接收装置跟踪12颗卫星。55ppt课件GPS15L在加电后基本运行过程：（1）自检）自检。加电后开始自检，并通过输出通道报告自检结果，自检过程将检测RAM、flash、接收器、实时时钟和晶振。（2）初始化）初始化。自检完毕后，将开始卫星探测和跟踪过程。整个探测过程是完全自动，正常情况下，GPS 15L将用45s的时间获取位置定位信息，之后通过输出通道传送有效位置、速度和时间信息。（3）导航）导航。探测完毕后，GPS 15L将通过输出通道发送有效的导航信息，包括经纬度、海拔、速度、日期/时间、误差估计、卫星和接

17、收器状态。（4）卫星数据收集）卫星数据收集。在运行时，GPS 15L将自动更新卫星轨道数据。GPS串口模块应用实例56ppt课件天线BNC接头串行接口串行接口57ppt课件GPS15L硬件接口58ppt课件59ppt课件60ppt课件（1）输出语句使能）输出语句使能/禁用（禁用（PGRMO）$PGRMO，*hh：目标语句名（如GPGSA、PGRMT、GPRMC等）；：目标语句的状态设置。为0则禁用此目标语句，为1则使能此目标语句，为2则禁用所有语句，为3则使能所有语句（GPALM语句除外），为4则恢复出厂值。61ppt课件（2）推荐最小）推荐最小GPS/TRANSIT数据（数据（GPRMC）$

18、GPRMC，*hh：UTC（世界时）当地时间。“时时分分秒秒”格式。：工作状态。A为可用，V为接收器报警，不可用。：纬度。“度度分分.分分分分”格式（前面的0也会传送）。：纬度半球。N或者S。：经度。“度度分分.分分分分”格式（前面的0也会传送）。：经度半球。E或者W。：对地速度。000.0999.9节（前面的0也会传送）。：对地航向。000.0359.9（前面的0也会传送）。：UTC当地时间。“天天月月年年”格式。：磁变。磁偏角地球磁场在不同时间、不同地点的偏差，000.0180.0.：磁变方向。E或者W。：工作方式。A为自主，D为差分，E为评估，N为数据无效。62ppt课件代码走读及参考文献n源代码参见n参考文献：戴佳，戴卫恒.51单片机C语言程序设计程序精讲，北京：电子工业出版社，2006,04,236-24663ppt课件