GPS 北斗基础知识

40º 02.1′N
116º 18.2′E
GPS基础知识—原理
GPS地面控制部分
1个主控站：负责计算参数、卫星控制、系统工作 5个监测站：负责收集数据并传送给主控站 3个地面控制站：负责更新在轨卫星信息.
Colorade Spings Hawaii Diego Garcia 主控站 注入站 监测站 Ascension Kwajalein
GPS基础知识—原理
GPS定位推算方程
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GPS基础知识—原理
纬度 经度 高程 三维坐标
GPS数据
位置
速度
V北 V东 V天
三维速度
N
cap
ss e t Vi
e
时间
UTC
世界协调时
12 : 30 : 45 . 000000000
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GPS基础知识—术语
WGS84： 1984年世界大地坐标系(Word Geodetic System 1984即WGS84)。WGS-84坐标系是美国国防部研制确定的大地坐标系，是一 种协议地球坐标系。WGS-84坐标系的定义是：原点是地球的质 心，空间直角坐标系的Z轴指向BIH（1984.0）定义的地极 （CTP）方向，即国际协议原点CIO，它由IAU和IUGG共同推荐。 X轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z，X轴 构成右手坐标系。WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联 合会第17届大会测量常数推荐值，采用的两个常用基本几何参 数： 长半轴a=6378137m；扁率f=1:298.257223563
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GPS基础知识—术语
GPS时： GPS time 俗称GPS系统时间。根据地面监控站和卫星上的 原子钟的时间加权而得到的，作为GPS信号的时间基准。 CORS：Continuous Operational Reference System CORS系统由基 准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系 统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间 通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。 VRS：就是虚拟参考站（Virtual Reference Station）的意思，需要 移动站先将接收机的位置信息发送到数据处理中心，数据处理 中心会根据移动站的位置“虚拟”出一个参考站，然后，将虚 拟出的参考站改正数据播发给移动站，所以在这条通讯线路上 是双向通讯的。而通用的位置信息就是NMEA-0183中的GGA信 息。
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GPS基础知识—术语
API：application programming interface 应用编程接口 是NovAtel接收机专为客户提供二次开发的一个接口，是付费功 能，要求购买接口定义和底层程序，以实现客户的定制应用。
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GPS基础知识—原理
差分数据类型
1.RTCM 由海事服务的无线电技术委员会制定的差分GPS标准 2.RTCA 由航空服务的无线电技术委员会制定的差分GPS标准 两种差分的比较 RTCA传输数据量少==》误码率小，但差分时间短，22秒 RTCM传输数据量多==》误码率大，但差分时间长，60秒 3.CMR 某些类型仪器特有的差分标准(如Trimble) NovAtel也可作其差分基准站
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GPS基础知识—术语
精度因子：dilution of precision（DOP） 描述卫星的几何位置对误差贡献的因子。GPS的误差为测距误差 与精度因子之乘积。其值越小越好。 TTFF： time to first fix（TTFF） 接收机通电后获得首次正确定 位的时间。 SBAS： satellite based augmentation system（SBAS）利用地球静 止轨道卫星播发差分修正及其他信息，以提高卫星导航用户的 精度及其性能的广域增强系统。 WAAS： wide area augmentation system（WAAS） 由美国研制的，利用广域差分技术、卫星完好性监测技术和GPS 导航信号转发技术，用地球静止卫星作为数据链以GPS L1载频 播发这些增强信息，用户使用相宜的接收机系统。WASS提高GPS 的完好性、精度和可用性，主要为美国民用航空服务。
GALILEO -系统
GALILEO是由欧盟和欧空局联合开发的一个新的导航系统 伽利略由30颗位于地球上空约23616km的三个圆形的中央地球轨道平 面上的卫星所组成 伽利略和GPS由一定的相关性。
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GPS基础知识—原理
西星 140° 36086.463 0° 24h 3) 115 °, 25° 4) 95°, 35° 转发中心站信号 北斗一号时 新54北京坐标系 XYZ X’Y’Z’ 备用星（中） 115° 36086.463 0° 24h 5) (125°,25°) (115°,25°) 6) (115°,40°) (95°, 35°) 转发中心站信号 北斗一号时 新54北京坐标系 XYZ X’Y’Z’
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GPS基础知识—原理
3、GPS的误差源
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GPS基础知识—原理
GPS误差源Fra Baidu bibliotek
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GPS基础知识—原理
4、GPS常见差分方法和原理
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GPS基础知识—原理
GPS基础知识—原理
北斗系统框图
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GPS基础知识—原理
北斗II--COMPASS
07年4月14日我国在西昌成功地发射了第一颗北斗二代卫 星，此次发射的北斗导航卫星（ＣＯＭＰＡＳＳ－Ｍ１），是中 国北斗导航系统（ＣＯＭＰＡＳＳ）建设计划的第一颗卫星，飞 行在高度为２１５００公里的中圆轨道。这颗卫星的发射成功， 标志着我国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶 段。 中国正在实施的北斗卫星导航系统计划空间段由5颗静止轨道 卫星和30颗非静止轨道卫星组成，将提供开放服务和授权服务。 开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度 为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米／秒。
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GPS基础知识—原理
接收机 系统 L1 L1/L2
用户接收机部分
导航
定位
方案级 精密级 定位级 导航级
向客户提供满意的卫星导航定位全面解决方案
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GPS基础知识—原理
2、GPS定位的基本原理
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GPS基础知识—原理
其它全球定位系统
GLONASS-系统
GLONASS所属于俄罗斯 GLONASS目前24颗中只有有十颗卫星在工作，所以并不是全方位运作 的 GLONASS与GPS关于时间和位置的定义是不一致的
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GPS基础知识—原理
其它全球定位系统
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GPS基础知识—术语
测距码：是伪随机码（PRN），分为粗码（C/A码）和精码（P码）。 粗码用于捕获信号及粗略定位。精码用于精密定位，但由于美 国的AS政策，P码是保密的，禁止非特许用户使用。 星历：卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，也可以说卫星星历就是 一组对应某一时刻的卫星轨道参数及其变率。有了卫星星历就 可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。GPS卫星星历分为预 报星历（广播卫星星历）和后处理星历（精密卫星星历） 。 历书：GPS卫星电文中包含的所有在轨卫星的粗略轨道参数。 载频 ：L1、L2为GPS卫星所发射信号的载频，L1为1575.42MHz，L2为 1227.60MHz。L5为GPS卫星将增发的民用信号的载频，预定为 117**5MHz。
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GPS基础知识—原理
5、GPS客户端产品基本结构
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GPS基础知识—原理
14. GPS接收机基本框图
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GPS基础知识—术语
GPS：全球定位系统（Global Positioning System） GNSS:全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System ） 导航电文：包括卫星星历、时间、时钟改正、电离层延时改正和卫星 工作状态信息等，是导航定位的数据基础，也称数据码（D 码）。由导航电文可知该卫星当前的位置和卫星工作情况。 GPS信号： L1和L2载波与测距码（C/A码和P码）和数据码（导航电 文）调制后，从而产生两种导航定位信号。 第一种导航定位信号包含：C/A-L1载波、L1-C/A码、L1-P 码、P- L1载波、D码（导航电文）。 第二种导航定位信号包含：P- L2载波、L2-P码、D码（导航 电文）。 两种导航定位信号合成后，即GPS信号，连续不断地向用户发 送。单频接收机使用第一种导航定位信号，双频接收机使用两 种导航定位信号。
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GPS基础知识—原理
GPS空间部分
6个轨道平面, 轨道平面倾角为55度 4 颗卫星/ 轨道平面 21颗卫星+ 3 备份 运行周期 12 hours 每天绕地球2周 高度: 20,200 Km 卫星发射信号
L1: 1575.42 MHz L2: 1227.60 MHz
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内容提纲
一、GPS基本原理 二、常见术语
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GPS基础知识—原理
1、GPS系统的组成
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GPS基础知识—原理
GPS系统由三部分组成
空间星座部分
用户设备部分
地面控制部分
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差分定位系统，可以提高GPS定位精度
1.一种相对定位，需要有1个已知点 2.已知点发送差分改正数 3.移动站通过差分改正数，可修正相关的系统误差
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GPS基础知识—原理
差分定位分类 按照参考站发送的信息方式可分为： A. 位置差分 B. 伪距差分 C. 相位平滑伪距差分 D. 载波相位差分（RTK） 按照差分参考站与移动站距离的远近可分为： A. 局域差分系统（Local Area Differential GPS） B. 区域差分系统（Regional Differential GPS） C. 广域差分系统（Wide Area Differential GPS）
北斗定位系统
东星 位置 轨道高 倾角 周期 80° 36086.463 0° 24h 1) 125°, 25° 波束 2) 115°, 40° 信号 时间系统 坐标系统 卫星位置 卫星速度 转发中心站信号 北斗一号时 新54北京坐标系 XYZ X’Y’Z’
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40º 02.1′N
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GPS基础知识—术语
SPAN：同步位置姿态导航技术 SPAN技术结合GPS和惯性测量功能，能够不间断地输出高精度的 位置和姿态数据。利用RT-2改正数，SPAN技术不仅可以达到厘 米级的定位精度，还可以提供精确的速度、加速度和旋转测量 等动态应用数据，其惯性技术在GPS信号不可靠的情况下仍可以 不间断地提供位置输出。
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GPS基础知识—术语
NMEA-0183：美国国家海洋电子协会制定的海用电子设备接口标准及 数据格式，许多GPS接收机采用这种标准作为一种数据输入输出 格式。 IMU：惯性测量单元，可输出载体三轴的角速度，加速度值。 INS： inertial navigation system（INS） 利用惯性仪表（陀螺 仪和加速度计）、参考方向和初始位置来测量载体运动方向、 速度。算出载体即时位置的自主式推算导航系统。 UTC时： universal time coordinated（UTC）以世界时作为时间初 始基准，以原子时作为时间单元（s）基础的标准时间。