1、衛星導航電子課件第二部分衛星導航電子課件第二部分四、四、GPS接收機接收機按用途分：按用途分： 導航型（又稱導航儀）、測地型和授時型導航型（又稱導航儀）、測地型和授時型按接收機工作原理分：按接收機工作原理分： 碼相關型（碼相關型（Correlation Channel）、平方型（）、平方型（Squaring Channel）、混合型（）、混合型（Hybrid Channel）、碼相位型（）、碼相位型（Code Phase Channel）、干涉型（）、干涉型（Interferometry Channel）按信號通道分：按信號通道分： 多通道（多通道（Multi-Channel）、序貫通道（）、

2、序貫通道（Sequencing Channel）、多路復用（）、多路復用（Multiplexing Channel）按接收衛星信號的頻率分：按接收衛星信號的頻率分： 單頻（單頻（L1載波）和雙頻（載波）和雙頻（L1+L2載波）載波）（一）（一）GPS接收機分類接收機分類（二）（二） CA碼、單頻（碼相關型）碼、單頻（碼相關型）GPS接收機工作原理接收機工作原理前置放大器前置放大器電源電源變頻器及中放變頻器及中放信號信號解擴解擴解調解調本機偽碼本機偽碼發生器發生器衛星電文衛星電文多普勒頻多普勒頻移測量移測量顯示器和鍵盤顯示器和鍵盤信號通道信號通道顯示模塊顯示模塊導航導航計算計算偽碼測量偽碼測量微

3、處理器微處理器第三節第三節 GPSGPS定位誤差及美國定位誤差及美國GPSGPS政策政策一、一、GPS誤差種類誤差種類 偽測距誤差、幾何誤差、美國偽測距誤差、幾何誤差、美國GPS政策帶來的誤差、政策帶來的誤差、速度誤差和海圖標繪誤差。速度誤差和海圖標繪誤差。 通常將通常將GPS定位的誤差等效為測距離誤差，稱之定位的誤差等效為測距離誤差，稱之為用戶等效測距誤差。為用戶等效測距誤差。二二.偽測距誤差：偽測距誤差：l星歷表誤差星歷表誤差(2.7m ) 、l衛星鐘剩余誤差衛星鐘剩余誤差(3.1m)l群延遲誤差群延遲誤差l電離層折射誤差電離層折射誤差(0.4m-P,6.4m-CA)l對流層折射誤差、對流

4、層折射誤差、(0.4m)l多徑效應多徑效應(1.2m-P,3.1m-CA)1.衛星誤差：衛星誤差：2.信號傳播誤差：信號傳播誤差：3.衛星導航儀誤差：衛星導航儀誤差：l導航儀通道間誤差導航儀通道間誤差(0.15m-P,0.6m-CA)l導航儀噪聲和量化誤差導航儀噪聲和量化誤差(0.24m-P,2.44m-CA)綜合以上誤差預算數據，若計算方法取上述誤差平方和的綜合以上誤差預算數據，若計算方法取上述誤差平方和的平方根，則由總的合成誤差引起平方根，則由總的合成誤差引起GPS接收機等效測距誤差為接收機等效測距誤差為4.3m(P碼碼)和和8.6m(CA碼碼)。點擊看圖點擊看圖三三.幾何誤差：幾何誤差：

5、 GPS定位的幾何誤差反映的是：當測距誤差為定位的幾何誤差反映的是：當測距誤差為定值時，觀測者與衛星間的空間幾何圖形不同時，定值時，觀測者與衛星間的空間幾何圖形不同時，定位誤差的大小也不同。定位誤差的大小也不同。精度幾何因子（精度幾何因子（GDOP）：）： 用來描述用戶與衛星的幾何關系對定位誤差用來描述用戶與衛星的幾何關系對定位誤差影響的大小。影響的大小。443322112222ggggGDOPtzyx GDOP值越小，選用的衛星的幾何圖形配置越理想，值越小，選用的衛星的幾何圖形配置越理想，位置和時間的偏差值也越小。位置和時間的偏差值也越小。 4顆衛星與測者所構成的幾何四面體體積與顆衛星與測者

6、所構成的幾何四面體體積與GDOP成反比。成反比。2222tzyxGDOP 當當=1時，則：時，則：22)()(TDOPPDOPGDOP22)()(VDOPHDOPPDOPGDOP:精度幾何因子；精度幾何因子； PDOP：三維位置精度幾何因子；：三維位置精度幾何因子；HDOP：水平方向精度幾何因子；：水平方向精度幾何因子； TDOP：時鐘偏差幾何因子；：時鐘偏差幾何因子；VDOP：高程精度幾何因子：高程精度幾何因子一般地，一般地，PDOP4，位置精度較高；，位置精度較高； PDOP9，位，位置精度較差。置精度較差。l例題例題：GPS接收機等效測距誤差接收機等效測距誤差()為為4.3m(P碼碼)和

7、和8.6m(CA碼碼)，假設某，假設某GPS接收機顯示其接收機顯示其PDOP=0.8，則位置誤差分別為多少？則位置誤差分別為多少？GPS接收機最佳的選星原則接收機最佳的選星原則HDOP值的選擇值的選擇四四.速度測量誤差：速度測量誤差： GPS速度測量精度受導航儀動態特性影響。速度測量精度受導航儀動態特性影響。五五.海圖標繪誤差：海圖標繪誤差： 由于海圖和由于海圖和GPS接收機坐標系選取不同產生的誤差。接收機坐標系選取不同產生的誤差。六六.美國美國GPS政策政策l對不同的對不同的GPS用戶提供不同的服務方式（用戶提供不同的服務方式（PPS和和SPS） lSA：Selective Availabi

8、lity, 技術（衛星軌道參數慢技術（衛星軌道參數慢變）和變）和技術（衛星頻率抖動）技術（衛星頻率抖動）lAS：Anti-spoofing，將，將P碼與碼與W碼模碼模2和，形成更保和，形成更保密的密的Y碼。碼。七七.美國美國GPS現代化現代化GPS現代化步驟現代化步驟:第一步，發射第一步，發射12顆顆GPS BLOCK R型衛星，增加軍用型衛星，增加軍用M碼、在碼、在L2頻道上增加頻道上增加CA碼、提高信號發射功率；碼、提高信號發射功率；第二步，發射第二步，發射6顆顆GPS BLOCK F型衛星，除了具有型衛星，除了具有R型衛星的全部功能外，還增加了型衛星的全部功能外，還增加了L5民用頻率；民

9、用頻率；第三步，發射第三步，發射GPS BLOCK 型衛星，即所謂的第三代型衛星，即所謂的第三代GPS衛星，美國計劃用衛星，美國計劃用20年時間完成年時間完成GPS 計劃，取代目計劃，取代目前的前的GPS 為什么美國要提出為什么美國要提出GPS現代化規劃？現代化規劃？第四節第四節 DGPS衛星導航系統衛星導航系統差分差分GPS（Differential GPS）基本原理）基本原理DGPS基準臺基準臺用戶用戶衛星衛星1.偽距差分（米級）偽距差分（米級）2.位置差分（米級）：位置差分（米級）：3.相位平滑差分（亞米級）：相位平滑差分（亞米級）：4.載波相位差分（厘米級）：載波相位差分（厘米級）：5

10、.局域差分：局域差分：6.廣域和廣域增強差分：廣域和廣域增強差分：二、中國沿海無線電指向標二、中國沿海無線電指向標/差分差分GPS（RBN-DGPS）（一）中國沿海無線電指向標（一）中國沿海無線電指向標/差分差分GPS基準臺的設置基準臺的設置l北海海區：北海海區：大三山、老鐵山、成山角、秦皇島、大三山、老鐵山、成山角、秦皇島、北塘、王家麥；北塘、王家麥；l東海海區：東海海區：大戢山、燕尾港、蒿技港、定海、大戢山、燕尾港、蒿技港、定海、石塘、天達山、鎮海角；石塘、天達山、鎮海角；l南海海區：南海海區：鹿嶼、三灶、硇洲島、防城、抱虎鹿嶼、三灶、硇洲島、防城、抱虎角、三亞、洋浦角、三亞、洋浦大戢山大

11、戢山RBN-DPS：燈塔始建于：燈塔始建于1869年，年，1997年建成年建成RBN-DGPS，位于長江口外東偏南海域中，地處長江口與杭州，位于長江口外東偏南海域中，地處長江口與杭州灣的交匯處，隸屬上海海事局航標處。灣的交匯處，隸屬上海海事局航標處。（二）無線電指向標（二）無線電指向標/差分差分GPS系統組成系統組成 l基準臺：基準臺：跟蹤、測量衛星的偽距、載波相位和差分跟蹤、測量衛星的偽距、載波相位和差分校正數據，并格式化為標準的信號格式播發給用戶校正數據，并格式化為標準的信號格式播發給用戶 。l播發臺：播發臺：播發指向信號，依規定的強度和速率播發播發指向信號，依規定的強度和速率播發DGPS

12、修正信息和指向標狀況及基準臺狀況信息。修正信息和指向標狀況及基準臺狀況信息。l完善性監控臺：完善性監控臺：監測監測GPS的完善性和播發的差分修的完善性和播發的差分修正值的正確性，監控基準臺，計算并登錄系統運行數正值的正確性，監控基準臺，計算并登錄系統運行數據的統計結果。據的統計結果。 l監控中心：監控中心：監測、控制各監測、控制各RBN-DGPS站的工作。站的工作。 （三）無線電指向標（三）無線電指向標/差分差分GPS技術指標技術指標l工作頻率：工作頻率：國際電聯劃分的海上無線電指向標頻率國際電聯劃分的海上無線電指向標頻率（283.5325.0kHz）范圍。）范圍。l差分全球定位系統識別碼差分

13、全球定位系統識別碼 ：航標和燈塔管理機構的航標和燈塔管理機構的國際組織（國際組織（IALA）分配）分配 l單站信號作用距離單站信號作用距離 ：300km l差分信息調制方式和播發類別：差分信息調制方式和播發類別：MSK調制方式調制方式 ，調，調相單信道數據傳送（相單信道數據傳送（G1D） l信號格式和信息類型信號格式和信息類型 ：RTCM SC-104信號格式標準信號格式標準 1.DGPS只能消除和削弱基準站和用戶只能消除和削弱基準站和用戶GPS衛星衛星導航儀的導航儀的公共測距誤差公共測距誤差，包括：，包括：衛星鐘剩余誤差、衛星鐘剩余誤差、星歷表誤差、電離層和對流層折射誤差、星歷表誤差、電離層

14、和對流層折射誤差、SA與與AS誤差誤差。 2.對于對于非公共誤差非公共誤差：多徑效應、導航儀噪聲、量：多徑效應、導航儀噪聲、量化誤差、通道間偏差，化誤差、通道間偏差，DGPS不能消除和削弱不能消除和削弱。 3.DGPS的的差分效果差分效果隨著用戶與隨著用戶與DGPS基準站之基準站之間的距離間的距離增大而逐漸變差增大而逐漸變差。（。（見表見表5-3）三三.DGPS的定位精度：的定位精度：誤誤 差差DGPS定點觀測誤差定點觀測誤差( (m) )0 0 n mile100100n mile500 500 n mile e1 000 1 000 n mile2 000 2 000 n mile衛星鐘剩

15、余誤差衛星鐘剩余誤差0 000000.000.000 000000 000000 00000星歷表誤差星歷表誤差0 000 00 0.090.090 046460 09l9l1 18282SA引起的誤差引起的誤差0 000000.000.000 000000 000000 00000電離層折射誤差電離層折射誤差0 000002 219194 488886 64 48 82323對流層折射誤差對流層折射誤差0 000001 183831 183831 183831 18383多徑效應多徑效應0 000000 000000 000000 000000 00000導航儀噪聲導航儀噪聲0 091910

16、 091910 09l9l0.910.910 09191用戶偽測距誤差用戶偽測距誤差(rms)0 091912 299995 530306 677778 86969水平位置誤差水平位置誤差( (HDOP=1.5)(2drm=1.5)(2drms)s)2 274 74 9 91414151585852020111126262020表表53 DGPS定位誤差與距離的關系定位誤差與距離的關系第五節第五節 GPS衛星導航儀在船舶導航上的應用衛星導航儀在船舶導航上的應用一、一、GPS衛星導航儀主要功能衛星導航儀主要功能1.顯示定位和導航數據顯示定位和導航數據(位置更新時間約位置更新時間約ls，導航，導航

17、數據更新時間約數據更新時間約35s)2.能夠設置一些參數能夠設置一些參數3.顯示衛星信息顯示衛星信息4.能存儲、設計航線和航路點能存儲、設計航線和航路點5.報警報警6.接口功能接口功能二、二、GPS衛星導航儀的初始化衛星導航儀的初始化 l日常啟動時只需按下電源鍵，衛星導航儀即能自日常啟動時只需按下電源鍵，衛星導航儀即能自動定位動定位 l第一次啟動或某些特殊情況下可以進行初始化輸第一次啟動或某些特殊情況下可以進行初始化輸入，加快定位速度入，加快定位速度三、三、GPS衛星導航儀的顯示方式衛星導航儀的顯示方式 1導航數據顯示方式導航數據顯示方式2用戶顯示方式用戶顯示方式3標繪顯示方式標繪顯示方式4航

18、路顯示方式航路顯示方式5操舵顯示方式操舵顯示方式四、利用四、利用GPS衛星導航儀進行航路點（衛星導航儀進行航路點（WAYPOINTS）/航線航線(ROUTE)導航導航 五、利用五、利用GPS衛星導航儀進行航跡線衛星導航儀進行航跡線(plot trail)標繪標繪 標繪船舶歷史航跡可以幫助駕駛員了解船舶標繪船舶歷史航跡可以幫助駕駛員了解船舶歷史動態和在航道上運動的趨勢，并可用于設計歷史動態和在航道上運動的趨勢，并可用于設計返航航線返航航線 。六、利用六、利用GPS衛星導航儀進行定點導航衛星導航儀進行定點導航 拋錨、丟錨、人員落水、特殊事件的位置拋錨、丟錨、人員落水、特殊事件的位置 七、利用七、利

19、用GPS衛星導航儀報警衛星導航儀報警 錨更警錨更警（ANC ALARMANC ALARM）到達警到達警(ARV ALARM)(ARV ALARM) 七、利用七、利用GPS衛星導航儀報警衛星導航儀報警 偏航警（偏航警（XTE）八、用八、用GPS衛星導航儀計算距離與方位（衛星導航儀計算距離與方位（CALCULATE）九、利用九、利用GPS衛星導航儀定位時的注意事項衛星導航儀定位時的注意事項（一）定位變慢的問題（一）定位變慢的問題（二）（二）HDOP值設定值設定（三）衛星狀態顯示（三）衛星狀態顯示（四）定位模式選擇（四）定位模式選擇（五）坐標系選用（五）坐標系選用（六）（六）GPS顯示的航向和速度顯

20、示的航向和速度（七）時差的輸入（七）時差的輸入（八）（八）GPS導航儀實際誤差估算導航儀實際誤差估算第六節第六節 GPS在航海測量中的應用在航海測量中的應用一、一、GPS用于船舶機動性能測定用于船舶機動性能測定（一）利用（一）利用GPS衛星導航衛星導航儀測量船速儀測量船速（二）利用（二）利用GPS衛星導航衛星導航儀測量船舶旋回半徑儀測量船舶旋回半徑（三）利用（三）利用GPS衛星導航儀測量船舶舵角提前量衛星導航儀測量船舶舵角提前量（四）利用（四）利用GPS衛星導航儀測量船舶航向穩定性衛星導航儀測量船舶航向穩定性1.載體姿態的確定：載體姿態的確定：航向角航向角橫搖角橫搖角縱搖角縱搖角 載體坐標系相

21、對于地平坐載體坐標系相對于地平坐標系之間的空間取向，即為載標系之間的空間取向，即為載體姿態。體姿態。 利用三副利用三副GPS天線構成兩天線構成兩條獨立基線，觀測條獨立基線，觀測6顆衛星形成顆衛星形成6個觀測方程可求解載體姿態。個觀測方程可求解載體姿態。 載體姿態測量精度與基線測載體姿態測量精度與基線測量精度及基線長度成正向關系。量精度及基線長度成正向關系。二、二、GPS用于船舶等載體的姿態測定用于船舶等載體的姿態測定2.GPS/DGPS羅經：羅經：3GPS天線系統，通過測量天線系統，通過測量GPS載波相位的方法解算航載波相位的方法解算航向；向；GPS/DGPS羅經穩定時間羅經穩定時間4分鐘以內

22、，隨動性能高，靜分鐘以內，隨動性能高，靜態指向精度達態指向精度達0.6，耗電少。，耗電少。三三. GPS用于其他方面：用于其他方面： 精密授時、車輛指揮和調度、筑路勘測與精密授時、車輛指揮和調度、筑路勘測與自動施工、氣象預報、農林業、漁業、海洋自動施工、氣象預報、農林業、漁業、海洋作業等廣泛領域的科研與實際應用。作業等廣泛領域的科研與實際應用。圖5-24 北斗雙星定位系統組成框圖第七節第七節 北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統發北斗衛星導航系統發展概述展概述第一代第一代第二代第二代一一. 北斗星導航系統的組成（第一代雙星有源系統）北斗星導航系統的組成（第一代雙星有源系統）組成：衛

23、星網、地面控制中心、用戶設備組成：衛星網、地面控制中心、用戶設備功能：區域、全天候、高精度、近于實時的定位，功能：區域、全天候、高精度、近于實時的定位，1s內完成定位，精度優于內完成定位，精度優于20m，DGPS狀態下精度為狀態下精度為25m。二二. 北斗星導航星座（第一代雙星有源系統）北斗星導航星座（第一代雙星有源系統）2+1顆備用衛星；顆備用衛星；軌道高度軌道高度36000KM左右，軌道傾角左右，軌道傾角0；覆蓋范圍：覆蓋范圍：5N55N，70E145E；發射頻率：上行發射頻率：上行L頻段頻段/下行下行S頻段頻段/C頻段頻段三三. 北斗星導航工作原理（第一代雙星有源系統）北斗星導航工作原理

24、（第一代雙星有源系統） 用戶用戶中心站中心站第一代北斗衛星星導航缺陷：第一代北斗衛星星導航缺陷：用戶不隱蔽、容量有限、僅能二維定位、不用戶不隱蔽、容量有限、僅能二維定位、不與其他衛星導航系統兼容。與其他衛星導航系統兼容。第八節第八節 格羅納斯和伽利略衛星導航系統格羅納斯和伽利略衛星導航系統一、格羅納斯（一、格羅納斯（GLONASS）衛星導航系統）衛星導航系統（一）（一）GLONASS導航衛星網導航衛星網l24顆衛星組成，平均分布在顆衛星組成，平均分布在3個軌道個軌道l軌道高度：軌道高度：19 100km左右，中軌軌道左右，中軌軌道l運行周期：約運行周期：約11 h 15 minl軌道傾角：約軌道傾角：約64.8l發射頻率：發射頻率：同時發射同時發射L1、L2兩種頻率，分別為：兩種頻率，分別為：1 602MHz+N0.5625MHz和和1 246MHz+N0.4375MHz l衛星電源：衛星電源：太陽能電源、電池和可替換能源太陽能電源、電池和可替換能源 l衛星鐘：衛星鐘：銫鐘銫鐘 （二）（二）GLONASS的現狀及未來發展的現狀及未來發展二、伽利略（二、伽利略（GALILIEO）衛星導航系統）衛星導航