GPS定位基本原理PPT课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
星站距离 = 光速 × 码元宽度tu × 移位数
第22页/共41页
原理：
利用同步发出的信号达到接收机的时间延迟推算 距离。
星站距离 = 光速 × GPS信号时间延迟量
信号源：GPS卫星，接收机自身同步复制 接收器：接收机自身。
复制信号快速到达(自身复制，无延迟)， GPS信号延迟到达(光速）。
第23页/共41页
一个福尔摩斯探案的故事
本故事纯属虚构， 如有雷同，实属巧合
第1页/共41页
整点报时， 每4秒1响
Big Ben，伦敦， 1859年建立
广播电台同 步向全英国 播报钟声
第2页/共41页
一天，一个富家女孩被一伙 劫匪绑架，送往某处藏匿……
第3页/共41页
木制楼梯吱吱 响，可能是个 旧听楼听。收音机， 该缓到解1一0楼下了紧吧？ 张~~~
第9页/共41页
根据福尔摩斯的推断，警察如 神兵天降，将女孩解你 让救我们出死怎来个么明找！白到！这的？
第10页/共41页
福尔摩斯的破案逻辑
从奇怪的13响出发推断。
广播信号：光速传播，约300,000,000m/s。 钟声：音速传播，约340m/s。
13响的构成：
• 第1响： 来自收音机 • 第2-12响：来自Big Ben和收音机 • 第13响：来自Big Ben
得到了星站距离后 如何定位？
第24页/共41页
如果距Big Ben约1360m的10层以上旧楼很多……
第25页/共41页
如果有两个Big Ben ……
第26页/共41页
如果有三个Big Ben ……
第27页/共41页
没有三个Big Ben，
但有很多
卫星！
第28页/共41页
总共24颗GPS卫星。 地球任意一点可以看到5-12颗卫星。
卫星信号是电磁波，以光速传播。 卫星距地面很远，轨道高度为20200km。
第16页/共41页
第17页/共41页
如何求算信号传播时间？
t0: 卫星发出码信号 （Big Ben）
t0: 接收机同步产生相同的码信号 （电台广播复制钟声）
t1: 接收机接收到卫星信号 （女孩听到Big Ben钟声） Δt = ？
连接的蜂窝基站的位置来确定设备的位置。
• 基于距离的TOA定位 (Time of Arrival，到
达时间)基于距离差的TDOA定位 (Time Difference of Arrival,到达时间差)都是基于电 波传播时间的定位方法
第37页/共41页
TOA/TDOA定位
三基站定位方法
第38页/共41页
(z z1 )2 (z z2 )2
d32 (x x3 )2 ( y y3 )2 (z z3 )2
(x,y,z)为待求的接收机位置，
d为卫星到接收机的距离，
(xi,yi,zi)为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。
第33页/共41页
结论：接收机观测到3颗以上卫星即可实现定位。
P2
P3
任一卫星的瞬时位置可根据星历计算得到。
黑色 = 可见, 红色 = 不可见, 绿色 = 视线
第29页/共41页
第30页/共41页
空间距离交会法定位
在太空中！
第31页/共41页
第32页/共41页
距离交会法观测方程
dd1222
(x (x
y1 )2 x2 )2
(y (y
y1 y2
)2 )2
第39页/共41页
第40页/共41页
感谢您的观看！
第41页/共41页
第11页/共41页
推断女孩藏身地点：
• 距离Big Ben足够近的地方（能听到钟声） • 距离Big Ben约1360m（4s后听到钟声） • 10层以上的旧楼
第12页/共41页
很幸运，满足条件的只有一个楼！
下班后摸彩票去！
第13页/共41页
原理：
利用同步发出的信号达到接收信号地点的时间延 迟推算距离。
P1
d2
d3
d1
第34页/共41页
A-GPS定位
A-GPS定位（辅助GPS定位）是一种混合定 位，是GPS定位技术与GSM网络的结合。 A-GPS具有很高的定位精度，目前正被越来 越广泛的使用。
第35页/共41页
GSM网络蜂窝基站
蜂窝基站
第36页/共41页
• COO定位是一种单基站定位，即根据设备当前
第18页/共41页
GPS基于电路产生的伪随机码相位对齐方 式实现时间延迟量的计算。
伪随机码（ Pseudo Random Noice ）：
▪ 以等概率产生0和1。 ▪ 具有良好的自相关性。 编码信号移位后与原信号进行异或运算，产生新序列， 自相关函数R判定自相关性：
R = (N0 - N1) / (N0 + N1)
能否对任意一个人的手机号码进行定位呢？
1、到公安或是国家安全局去申请执行定位监控； 2、移动通讯运营商内部的内奸获得； 3、手机植入后台定位程序； 4、把定位设备偷偷的放到他的包包内，或是车上； 5、取得被定位人的同意，去采用移动通讯运营商提供的定位服
务；一般是由SP服务公司承接的，按次收费的。
根据中华人民共和国的 法律，对没有得到授权人的 手机进行定位是犯法的，只 有公安、国安部门才有这个 权力，
完全对齐时，R=1，未对齐时，R≈0。
第19页/共41页
未对齐：（错开1位）
111100010011010 011110001001101 100010011010111
R = (7 - 8) / (7 + 8) = -1/15 ≈ -0.067
完全对齐：
1 1 1 1 0 00 10 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 00 10 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0 0
R = (15 - 0) / (15 + 0) = 1
第20页/共41页
接收机接收到GPS卫星信号后，通过若干
次移位，最终可与自身复制的码对齐（R=1）。
复制信号 GPS信号
R
第21页/共41页
GPS信号时间延迟Δt = 码元宽度tu × 移位数
传输一个bit所需要的时间。 tu=1 / f
f是信号传输频率，已知数。
求求你们照他们的话做，我想回家！
第6页/共41页
录音很快被快递送到她爸 妈手中……
第7页/共41页
无巧不成书，大侦探福尔 摩斯恰巧是女孩父母的好朋友， ……
第8页/共41页
英国有成千上万 的10层以上的老 旧思建考筑中，，她请藏勿哪打 呢扰？… … 我来搞定它！
Yeah, I GET IT !
距离 = 音速 × 钟声时间延迟量
信号源：Big Ben，广播（同步发出） 接收器：女孩的耳朵。
广播信号快速到达(光速，延迟时间可忽略)， 声音信号延迟到达(音速）。
第14页/共41页
GPS定位是以星站距离测量为基础的， 同样利用了时间延迟求算距离的方法。
（星站距离：GPS卫星到接收机的距离）
第15页/共41页
跟着数羊睡觉 吧，1，2， 3，……，11， 12，13！ 劫匪打开收音机一…定…是数错了！
午夜，开始播送 Big Ben的报时 钟声，当当……
第4页/共41页
过了很久，劫匪要她录音， 以向她爸妈索要赎金……
第5页/共41页
爸、妈，有人劫持了我，他们索要一 百万英镑，送到指定地点。
我被藏在一幢很旧的房子里，老旧得 走楼梯地板都会吱吱作响！爬了10楼后 又听见电台播放的午夜报时钟声响了13 下，我好害怕！
第22页/共41页
原理：
利用同步发出的信号达到接收机的时间延迟推算 距离。
星站距离 = 光速 × GPS信号时间延迟量
信号源：GPS卫星，接收机自身同步复制 接收器：接收机自身。
复制信号快速到达(自身复制，无延迟)， GPS信号延迟到达(光速）。
第23页/共41页
一个福尔摩斯探案的故事
本故事纯属虚构， 如有雷同，实属巧合
第1页/共41页
整点报时， 每4秒1响
Big Ben，伦敦， 1859年建立
广播电台同 步向全英国 播报钟声
第2页/共41页
一天，一个富家女孩被一伙 劫匪绑架，送往某处藏匿……
第3页/共41页
木制楼梯吱吱 响，可能是个 旧听楼听。收音机， 该缓到解1一0楼下了紧吧？ 张~~~
第9页/共41页
根据福尔摩斯的推断，警察如 神兵天降，将女孩解你 让救我们出死怎来个么明找！白到！这的？
第10页/共41页
福尔摩斯的破案逻辑
从奇怪的13响出发推断。
广播信号：光速传播，约300,000,000m/s。 钟声：音速传播，约340m/s。
13响的构成：
• 第1响： 来自收音机 • 第2-12响：来自Big Ben和收音机 • 第13响：来自Big Ben
得到了星站距离后 如何定位？
第24页/共41页
如果距Big Ben约1360m的10层以上旧楼很多……
第25页/共41页
如果有两个Big Ben ……
第26页/共41页
如果有三个Big Ben ……
第27页/共41页
没有三个Big Ben，
但有很多
卫星！
第28页/共41页
总共24颗GPS卫星。 地球任意一点可以看到5-12颗卫星。
卫星信号是电磁波，以光速传播。 卫星距地面很远，轨道高度为20200km。
第16页/共41页
第17页/共41页
如何求算信号传播时间？
t0: 卫星发出码信号 （Big Ben）
t0: 接收机同步产生相同的码信号 （电台广播复制钟声）
t1: 接收机接收到卫星信号 （女孩听到Big Ben钟声） Δt = ？
连接的蜂窝基站的位置来确定设备的位置。
• 基于距离的TOA定位 (Time of Arrival，到
达时间)基于距离差的TDOA定位 (Time Difference of Arrival,到达时间差)都是基于电 波传播时间的定位方法
第37页/共41页
TOA/TDOA定位
三基站定位方法
第38页/共41页
(z z1 )2 (z z2 )2
d32 (x x3 )2 ( y y3 )2 (z z3 )2
(x,y,z)为待求的接收机位置，
d为卫星到接收机的距离，
(xi,yi,zi)为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。
第33页/共41页
结论：接收机观测到3颗以上卫星即可实现定位。
P2
P3
任一卫星的瞬时位置可根据星历计算得到。
黑色 = 可见, 红色 = 不可见, 绿色 = 视线
第29页/共41页
第30页/共41页
空间距离交会法定位
在太空中！
第31页/共41页
第32页/共41页
距离交会法观测方程
dd1222
(x (x
y1 )2 x2 )2
(y (y
y1 y2
)2 )2
第39页/共41页
第40页/共41页
感谢您的观看！
第41页/共41页
第11页/共41页
推断女孩藏身地点：
• 距离Big Ben足够近的地方（能听到钟声） • 距离Big Ben约1360m（4s后听到钟声） • 10层以上的旧楼
第12页/共41页
很幸运，满足条件的只有一个楼！
下班后摸彩票去！
第13页/共41页
原理：
利用同步发出的信号达到接收信号地点的时间延 迟推算距离。
P1
d2
d3
d1
第34页/共41页
A-GPS定位
A-GPS定位（辅助GPS定位）是一种混合定 位，是GPS定位技术与GSM网络的结合。 A-GPS具有很高的定位精度，目前正被越来 越广泛的使用。
第35页/共41页
GSM网络蜂窝基站
蜂窝基站
第36页/共41页
• COO定位是一种单基站定位，即根据设备当前
第18页/共41页
GPS基于电路产生的伪随机码相位对齐方 式实现时间延迟量的计算。
伪随机码（ Pseudo Random Noice ）：
▪ 以等概率产生0和1。 ▪ 具有良好的自相关性。 编码信号移位后与原信号进行异或运算，产生新序列， 自相关函数R判定自相关性：
R = (N0 - N1) / (N0 + N1)
能否对任意一个人的手机号码进行定位呢？
1、到公安或是国家安全局去申请执行定位监控； 2、移动通讯运营商内部的内奸获得； 3、手机植入后台定位程序； 4、把定位设备偷偷的放到他的包包内，或是车上； 5、取得被定位人的同意，去采用移动通讯运营商提供的定位服
务；一般是由SP服务公司承接的，按次收费的。
根据中华人民共和国的 法律，对没有得到授权人的 手机进行定位是犯法的，只 有公安、国安部门才有这个 权力，
完全对齐时，R=1，未对齐时，R≈0。
第19页/共41页
未对齐：（错开1位）
111100010011010 011110001001101 100010011010111
R = (7 - 8) / (7 + 8) = -1/15 ≈ -0.067
完全对齐：
1 1 1 1 0 00 10 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 00 10 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0 0
R = (15 - 0) / (15 + 0) = 1
第20页/共41页
接收机接收到GPS卫星信号后，通过若干
次移位，最终可与自身复制的码对齐（R=1）。
复制信号 GPS信号
R
第21页/共41页
GPS信号时间延迟Δt = 码元宽度tu × 移位数
传输一个bit所需要的时间。 tu=1 / f
f是信号传输频率，已知数。
求求你们照他们的话做，我想回家！
第6页/共41页
录音很快被快递送到她爸 妈手中……
第7页/共41页
无巧不成书，大侦探福尔 摩斯恰巧是女孩父母的好朋友， ……
第8页/共41页
英国有成千上万 的10层以上的老 旧思建考筑中，，她请藏勿哪打 呢扰？… … 我来搞定它！
Yeah, I GET IT !
距离 = 音速 × 钟声时间延迟量
信号源：Big Ben，广播（同步发出） 接收器：女孩的耳朵。
广播信号快速到达(光速，延迟时间可忽略)， 声音信号延迟到达(音速）。
第14页/共41页
GPS定位是以星站距离测量为基础的， 同样利用了时间延迟求算距离的方法。
（星站距离：GPS卫星到接收机的距离）
第15页/共41页
跟着数羊睡觉 吧，1，2， 3，……，11， 12，13！ 劫匪打开收音机一…定…是数错了！
午夜，开始播送 Big Ben的报时 钟声，当当……
第4页/共41页
过了很久，劫匪要她录音， 以向她爸妈索要赎金……
第5页/共41页
爸、妈，有人劫持了我，他们索要一 百万英镑，送到指定地点。
我被藏在一幢很旧的房子里，老旧得 走楼梯地板都会吱吱作响！爬了10楼后 又听见电台播放的午夜报时钟声响了13 下，我好害怕！