GPS复习材料

第一章

GPS特点：观测站之间不需要通视、提供三维坐标、定位精度高、操作简便、观测时间短、全天候24小时作业。

定位系统发展历程：无线电导航、天文导航、惯性导航系统。

卫星定位测量三个发展阶段：卫星三角测量、卫星多普勒定位测量、GPS卫星定位测量

无线电导航定位系统的主要缺点在于：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不够。

天文导航系统：定位精度不高，且可见光的传播受气象影响。

惯性导航系统：定位精度随时间加长而降低，因此需要不断地修正。

什么是定位：确定点在某一坐标系中的位置；相关的英语单词：Positioning、Location、Orientation、Navigation、Guidance、Tracking

原始的定位方法：

1、利用天体进行定向：日、月、特别的星体

2、利用自然现象：植物的生长态势（如苔藓）

3、采用人造的器械：司南，指南针

4、利用人工建筑：烽火台

常规（地面）定位方法的局限性：

1、观测点之间需要保证通视

2、需要修建觇标/架设高大的天线

3、边长受到限制

4、观测难度大

5、效率低：无用的中间过渡点

6、需要事先布设大量的地面控制点/地面站

7、无法同时精确确定点的三维坐标

8、观测受气候、环境条件限制

9、受系统误差影响大，如地球旁折光

10、难以确定地心坐标

子午导航系统特征：

1、卫星少，无法实现实时定位；

2、轨道低，难以精密定轨；

3、频率低，难以消除电离层影响。

GPS组成：空间部分、地面监控部分、用户接收部分

GPS卫星星座由24颗卫星组成，21颗工作卫星3颗备用卫星，6个地心轨道平面每个平面4颗，卫星轨道平面相对于赤道面的倾角55°，各轨道平面的升交点赤经相差60°，轨道平均高度20200km。

GPS特点：

a)站点间不需要通视；

b)能提供三维坐标

c)定位精度高

d)操作简便

e)观测时间短

f)全天候24小时作业

GPS卫星的三个功能：

a) 执行地面监控站指令，接受、存储由地面监控站发来的导航电文；

b) 向用户播送导航电文，提供导航和定位信息；

c) 通过高精度卫星钟向用户提供精密时间标准；

GPS 卫星的基本功能

1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。

2 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。

3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。

4 向用户发送定位信息。

5 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。

地面监控部分

GPS 的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3）

（1） 监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS 接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。

（2） 主控站

除协调和管理地面监控系统外，主要任务：

1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。

2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS 卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。

3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。

4）启用备用卫星代替失效工作卫星。

（3）注入站：主要设备为1台直径3.6m 的天线、1台c 波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

整个GPS 系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。

GPS 接收机: 接收GPS 卫星发射的无线电信号，获得必要的定位信息和观测量，经数据处理完成定位工作。

GPS 接收机由硬件和数据处理软件、微处理机及终端设备组成。接收机硬件包括主机、天线和电源。

第二章

GPS 卫星的测距码信号与伪距测量原理：GPS 定位的基本观测量是观测站（用户接收天线）至GPS 卫星（信号发射天线）的距离（或称信号传播路径），它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟）或测定卫星载波信号相位在该路径上的变化周数（相位延迟）来导出的。公式：

GPS 卫星信号概述

GPS 卫星所发射的信号包括载波信号、P 码（或Y 码）、C/A 码和数据码（或D 码）等多种信号分量，其中P 码和C/A 码统称为测距码。

GPS 卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素；

（1）适应多用户系统要求。

t v ∆=ρ

（2）满足实时定位要求。

（3）满足高精度定位需要。

（4）满足军事保密要求。

GPS卫星信号的组成部分

载波（Carrier）

L1

L2

测距码（Ranging Code）

C/A码（目前只被调制在L1上）

P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）

卫星（导航）电文（Message）

码与码的产生

（1）码的概念

码: 表达不同信息的二进制数及其组合，称为码

码元: 一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。

编码: 如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。

数码率: 在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。

（2）随机噪声码

假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序列（或随机噪声码序列）。它是一种非周期性序列，无法复制，但其自相关性好。而相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距精度，极其重要。

根据码序列自相关系数的取值，可以判断两个随机码序列的相应码元是否对齐。当自相关系数R(t)=1时,表明两个结构相同的随机码序列，相应的码元相互对齐.

（3）伪随机噪声码及其产生

尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用。

GPS采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random Noice——PRN）简称伪随机码或伪码: 是一组具有一定周期的取值为01的码序列。它的特点是：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。

伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有0或1两种状态。移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置1脉冲。移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置1脉冲的作用下而工作的。

PRN作用:

1、传送导航电文

2、用做测距信号

3、识别不同卫星

GPS的测距码：

GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。

（1）C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码长Nu=210-1=1023比特，码元宽为tu=1/f1=0.97752s,（f1为基准频率f0的10分之1，1.023 MHz）,相应的距离为293.1m。周期为Tu= Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。