GPS原理及其应用

测距的方法
码相位(伪距法)测距 测量载波相位差测距
距离测定原理
Xll
Vl
距离测定原理
Xll
Vl
距离测定原理
Xll
Vl
距离测定原理
Xll
距离 = 传播时间 x 光速
Vl
GPS采用的单程测距原理（单工通信）。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， 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， 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“伪距”。
GPS原理及其应用
主讲 刘云
GPS定义
GPS的英文全称是：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System
测量用户的 PVT：
Position(三维位置) Velocity (三维速度) Time(时间)
日常生活中的GPS
年5月25日，我国第三颗“北斗一号”卫星发射 成功，6月1日，我国自主研发的“北斗运营服务 平台”正式开通，这标志着我国已经拥有了完全 自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规 模应用进入了实质性阶段。
GPS系统的特点:
1、全球，全天候工作 2、功能多，应用广 3、测站之间无需通视 4、定位精度高 ，隐蔽性好 5、观测时间短 6、提供三维坐标 7、操作简便 8、免费、容易
（一）采集数据
作用：
（二）编辑电文 （三）诊断功能
（四）调整卫星
(2)注入站
地点：三个站分别设大西洋的阿松森(Ascension)岛、 印度洋的狄哥·伽西亚(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦 迦兰(Kwajalein) 的三个美国军事基地上。
设备： 一台直径3.6m的天线，一台S波段发射机和一台计算机。
功率谱
系统所允许的最大干扰电平
增益
解调门限 可以给所有用户共享的功率
其他用户干扰信号
Echip
扩频技术
符号
1
0
0
1
0
数据
+1
-1
码片
扩频码
+1
11011001
-1
扩频
扩频后的信号
+1
-1
扩频码
+1
-1
解扩频
+1
数据
-1
扩频技术
扩频后的信号 1 1 0 1 1 0 0 1
+1
-1
+1
扩频码
11011001
1)定位速度快。 2)无多值性问题。 3)可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模 糊度）的辅助资料。 4)一次定位精度不高，（P码定位误差约为10 m， C/A码定位误差约为 20～30 m）。
载波相位测距
载波相位观测
载波L1的波长为19cm ，L2的波长为24 cm
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
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
航和定位。
GPS的常用坐标系-- WGS--84世界大地坐标系：
原点是地球的质心
Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球北极（CTP）方向 X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP相对应的赤道的交点 Y轴垂直于ZOX平面且与Z、X轴构成右手坐标系
空间部分
由21颗工作卫星 和3颗备用卫星。
空间部分
24颗卫星（21+3） 6个轨道平面（相互交角60°） 55º轨道倾角(相对于赤道面) 20200km轨道高度（地面高度） 11h58min（恒星时）轨道周期 5h7min出现在地平线以上（每颗星）
GPS系统中卫星的作用
①用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波)向广 大用户连续不断地发送导航定位信号。
GPS用户部分
用户部分观测和记录由若干卫星发送的数据,并运 用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度
=
用户部分包括用户组织系统和根据要求安装相应的设备， 但其中心设备是GPS接收机。它是一种特制的无线电接收机， 用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。
G
P 机内软件
接收天线
S
天线单元
用 GPS接收机硬件
（1）伪距测量 伪距——由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传
播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机 钟的误差以及无线电通过电离层和对流层中的延迟，实际 测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值， 因此一般称量测出的距离为伪距。
用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距；用P码进行测量 的伪距为P码伪距。 (C/A码与P码都是伪随机码)
前置放大器
户
接收单元
设 备
GPS数据的后期处理软件
TOPCON产品
Leica GPS接收机
南方仪器厂
图片：导航型GPS机
手持型GPS机
车载型GPS机
图片：大地型GPS接收机
单频机
双频机
GPS定位的基本原理
1.GPS卫星信号的组成
卫星信号
载波信号(L1，L2) 测距码(P码,C/A码)
②在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入 站不断发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并 通过GPS信号电路，适时地和发送给广大用户。
③接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调 度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。
GPS地面监控部分
1个主控站
斯 平 士
3个注入站
阿 松
狄 哥
卡 瓦
·
森伽 迦
岛西 兰
➢ 跟踪:在捕获的基础上，完全对准接收信号Gold码与本地 Gold码。
Gold同步第一步：捕获
解扩
解调
BPF
包络检波
PN码发生器
时钟 扣码
滑动相关捕获原理
门限判决
Gold同步第二步：跟踪
(t)
BPF
(t)
BPF
包络检波 包络检波
＋ ∑
－
PN码 发生器
压控 时钟
环路滤波
PN码的跟踪
伪距法定位的优缺点
VCO
Gold同步
GOLD序列 发生器3
GOLD 3置位
扣码电路 判断是否停止扣码
Gold同步
Gold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。
Gold同步对于GPS的意义：可确定电播传播时延。
Gold同步的分步实现：
➢ 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
数据码(导航电文或D码)
（1）载波信号
L1载波，波长λ=19.03cm，频率f1=1575.42MHZ L2载波，波长λ=24.42cm，频率f2=1227.6OMHZ。
（2）测距码
C/A码（粗码/捕获码）：调制在L1载波上。结构公开， 不同的卫星有不同的C/A码。
P码（精码）：调制在L1和L2载波上。 （3）数据码（D码）（导航电文）
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， 与测站坐标一起解算。这样，在一个观测站上要解出4个未知 参数，即3个点位坐标分量和1个钟差参数，所以至少同时观 测4颗卫星。
伪距测量与载波相位测量
星信号进行比较。 由信号的延迟时间(dT)推算出 卫星至接收仪的距离 接收仪时钟应与卫星钟校时
D = V (dT)
一个简单的CDMA发射机--仲恺通信原理试验箱方案
信号 SIGN 发生器1
扩频1
S-KP PSK PSK 调制器1
功放
TX
GOLD
GOLD序列发 生器
TX-CW (10.7M)
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。
亚
5个监测站
夏 威 夷 岛
大西洋
印度洋
太平洋
单工
不断发出测距波
用户设备
空间部分（24星）
双工
单工
3个注入站 5个监控站
地面监 控系统
1个主控站
(1)主控站
地点：位于科罗拉多的斯平士(Colorado Springs)的 联合空间执行中心(CSOC)
设备：主控站拥有大型电子计算机，用作数据采集、 计算、传输、诊断、编辑等。
3
日常生活中的GPS
车载
手机
4
日常生活中的GPS
Deray 的北京到巴黎 單車旅行 （http://btp.deray.org/）
GPS定位技术与应用
5
目前，拥有定位系统的国家或地区:
美国——GPS(始建于1973年) 俄罗斯——GLONASS（始建于1978年目前在轨道
上只有6颗星可用 ） 欧盟——Galileo(伽利略计划)（始建于2002年） 日本——准天顶卫星系（2008年投入使用） 中国——北斗导航定位卫星（2002年已应用，07
作用：对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，并向 主控站提供观测数据。
监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制， 定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和三大 洋的美军基地上，保证了全球GPS定轨的精度要求。由这五个监 测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。
作用： 主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个
注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫 星发送给广大用户，这就是所用的广播星历。此外，注 入站能主动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的 工作状态。
(3)监测站
地点：五个监测站：除一个主控站、三个注入站兼作外，还有一 个在夏威夷岛
设备：监控站有双频GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行 观测，每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集 气象要素等数据
伪随机码作用：（1）多星共享信道 （2）测传输时差
扩频通信基础知识
扩频通信基础知识--伪随机码
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
扩频通信技术基础知识
P(t)
t
窄带信号
9.6 K
扩频码 P(t)
宽带信号 t
1.2288 M
P(t)
t
噪声
9.6 K
信号与噪声分离
Z WGS-84
协议地球北极CTP
国际时间局(BIH) 定义的零子午圈
X WGS-84
O
协议地 球赤 道
地球质心
Y WGS-84
GPS定位原理
利用三个以上卫星的已知空间位置，交会出地 面未知点（用户接收机）的位置。
(x2 ,y2，z2)
(x1 ,y1，z1)
ρ1
ρ2
(x3 ,y3，z3)
ρ3
(X ,Y，Z)
通过导航电文解译出三颗卫星的坐标，通过测量 求出三颗卫星到测站的距离ρ，用距离交会即可求出 测站点的坐标（X , Y，Z）。
ρ12 = (X - X1)2 + (Y - Y1)2 + (Z - Z1)2 ρ22 = (X – X2)2 + (Y – Y2)2 + (Z – Z2)2 ρ32 = (X – X3)2 + (Y – Y3)2 + (Z – Z3)2
P(t)
t
1.2288 M 信号合并
扩频码
噪声+宽带信号
P(t)
t
扩频系统原理示意(1)
Power is “Spread” Over a Larger Bandwidth
30 KHz
1.25 MHz
扩频系统原理示意(2)
许多码信道被单独扩展, 然后加在一起,形成一个
“复合信号”
扩频系统原理示意(3)
相应的CDMA接收机
载波提取
汉明解码
PSK解调
差分译码
高放 RX 超前1/2位
乘法器1 TX1 BPF1
包络检波1 TX3 门限判决
TX2
GD-TX
乘法器2 CQ1 BPF2 CQ2 包络检波2 CQ3
GD-CQ
VCO-
减法器
C
滞后1/2位
乘法器3 ZH1 BPF3 ZH2 包络检波3 ZH3 GD-ZH
使用“正确”的数学序列可以将 任一个码信道从接收到的复合
信号中抽去出来.
UNWANTED POWER FROM OTHER SOURCES
扩频/解扩频
S(f)
S(f)
扩频前信号
f
S(f)
S(f)
突发干扰
白噪声
扩频后信号
f
突发干扰 白噪声
解扩后信号
f
解扩前信号
f
扩频/解扩原理－频域解释
Eb / No = Ec / Io ×增益
有人说过，只有我们想不到的，没有GPS做不到的。 有人预言， GPS将改变我们的生活方式。
GPS系统的组成 GPS卫星系统的组成
空间星座部分 （空间部分）
地面支撑系统 （地面监控部分）
GPS接收机 （用户部分）
空间部分 由24颗GPS卫星组成
用户部分 由GPS接收机组成
注入站 主控站
监测站
地面监控系统 由监测站、主控站、注入站组成
-1
解扩
数据
11111111
Leabharlann Baidu+1 -1
其他的经过
扩频后的信号
+1
-1
干扰信号
+1
-1
+8
积分后的结果
-8
信号
噪声
测距码伪距测定
接收到的卫星测距码
接收仪复制出的测距码
dT
测距伪随机码 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 接收仪同时复制出一个同样结构的 信号并与接收到的卫