GPS卫星的导航电文和卫星信号 GPS课件

导航系统概述GPS导航系统是一种基于卫星的全球性定位和导航系统为用户提供精准的位GPS,置、导航和时间信息它由一个由颗卫星组成的星座系统和地面监控、控制24及用户设备三部分组成是当今世界上最先进和最广泛使用的定位导航技术,系统的组成部分GPS卫星系统主要由颗卫星组成它们以个轨道面分布在地球上空约公里的高度GPS24,620,200地面控制站地面控制中心负责监控和维护卫星的轨道和时钟保证系统的正常运行GPS,用户接收机最终用户使用的接收设备可接收和处理卫星信号提供定位、导航和时间同步等服务GPS,,卫星基本信息GPS2420K颗卫星公里高度系统由颗卫星组成分布在个不卫星平均位于地球表面公GPS24,6GPS20,200同的轨道面上里的高轨道上12H$10B运行周期总投资每颗卫星的运行周期为约小时系统的总投资超过亿美元12GPS100卫星的工作原理GPS卫星发射信号卫星会不断发射包含卫星信息的电波信号GPS接收器接收信号接收器会接收来自多颗卫星的电波信号GPS测量距离通过测量接收信号的时间延迟可计算出接收器到卫星的距离,三角定位接收器同时获取多颗卫星的距离信息利用三角测量算出自身位置,卫星的编号和轨道GPS卫星编号卫星轨道地球覆盖范围GPS GPS每颗卫星都被赋予一个独特的编号以卫星以准圆轨道环绕地球平均高度约由于卫星轨道和高度每颗卫星的信号覆GPS,1GPS,,GPS到之间的整数表示这些编号也称为空间公里绕地一周需要约小时卫星盖范围约为直径约公里的圆形区域32,20,200,1212,600车辆编号轨道倾斜角为度确保任何时间和地点至地球上任何位置都可以接收到来自至少颗Space VehicleNumber,SVN55,4少有颗卫星在视线范围内卫星的信号4卫星的导航电文结构GPS导航电文结构子帧和页码同步和解码兼容性设计卫星的导航电文包含卫星导航电文被分为个子帧每个用户需要首先从接收的卫星信导航电文被设计成高度兼容的GPS5,状态、时钟偏差和星历等重要子帧包含个页码这些页码号中同步出导航电文然后解标准格式既可以被老款接10,,GPS信息结构复杂但条理清晰携带了卫星的轨道参数、钟差码得到各类信息这需要复杂收机解析又能被新一代接收,,它由多个子帧和页码组成可信息、电离层延迟等为用户的数字信号处理算法是定机无缝接收处理这确保了,,,GPS以实时告知用户卫星的健康状提供定位所需的关键数据位的关键前提系统的长期可用性GPS况和定位信息导航电文的组成部分星历数据时间信息12包括卫星位置、速度、钟差等包括时间、周数、星期等GPS,信息用于确定卫星的轨道和时为定位和导航提供时间参考,间系统状态信息校正数据34描述卫星的健康状态和系统的包括电离层和对流层延迟校正,操作状态确保数据的可靠性改善定位精度,导航电文的同步过程接收数据1从卫星接收导航电文信号GPS同步信号2匹配信号的特征以确保正确解码解码电文3提取导航电文中的各项关键信息计算坐标4利用解码后的数据计算出接收机的位置导航电文的同步过程包括四个步骤首先接收来自卫星的导航电文信号然后根据特征参数对信号进行同步接下来解码电文中的关键信息最后GPS:GPS,,,利用解码数据计算出接收机的位置坐标整个过程确保了导航信息的正确接收和处理载波和伪码的基本概念载波伪码载波是无线电波的高频振荡信号伪码是一种唯一标识每颗卫星,GPS携带着导航电文的信息它被用的特殊编码用于同步接收器与卫,于将电文发送到接收器星信号它是测距和定位的基础组合应用载波和伪码配合使用可以实现接收器精确测量与定位它们是系统,GPS GPS的核心技术伪距测量的原理测量距离发射信号通过计算信号从发射到接收的时间差可以得出卫星到接收机的伪距离,卫星定期发射无线电信号包含卫星的时间和位置信息GPS,123接收信号地面接收机接收到这些信号并记录下信号抵达的时间,伪距测量的误差误差类型描述影响卫星钟差误差卫星钟不完全同步导可以通过卫星导航电致的误差文中的钟差校正项来消除电离层延迟误差电离层折射率引起的可用电离层模型或双伪距测量增大频观测进行补偿对流层延迟误差大气折射率引起的伪可用对流层模型进行距测量增大补偿多路径效应误差信号反射和绕射引起在接收机设计和天线的伪距测量增大选择时应该考虑减小此类误差星历信息的作用和获取精确定位实时更新12星历信息包含卫星位置和时钟卫星会周期性地广播更新GPS数据为接收机提供精确的后的星历信息确保用户始终获,GPS,定位和导航服务得最新的卫星状态数据信号接收信号探测34接收机通过解码导航电文中的星历信息也有助于接收机GPS星历数据可以精确地确定卫星快速捕获和跟踪卫星信号提高,,的位置和时间定位效率星历信息的误差及其影响星历信息记录了GPS卫星的轨道位置和速度信息由于各种因素的影响,星历信息包含一定的误差,主要来源包括卫星钟差、大气延迟、相对论效应等这些误差会导致卫星位置的不确定性,从而影响定位精度因此需要对星历信息进行修正和补偿,以提高GPS定位的可靠性时钟偏差信息的作用保证定位精度同步网络时间卫星的原子钟会存在小幅偏差这些偏差会影响接收机测量到接收机需要与卫星上的原子钟保持同步时钟偏差信息可以用GPS,GPS,的时间时钟偏差信息可以补偿这些误差从而提高定位精度于校正接收机时钟确保网络中的时间统一,,星历信息和时钟偏差的组合应用星历信息1提供卫星轨道和钟差数据时钟偏差信息2反映卫星钟表误差组合应用3提高定位精度星历信息和时钟偏差信息可以结合使用互相校正和补充从而提高定位的精度这是通过分析卫星的位置和钟表误差结合伪距测量数,,GPS,据最终得到更准确的用户坐标和时间的过程,电离层延迟的成因及其影响电离层的形成延迟的原因影响程度电离层是地球大气层中的一个区域由于电离层中自由电子的存在会导致信电离层延迟的大小会随时间和地理位置,GPS太阳辐射的作用大气中的分子和原子被号传播的速度减慢从而产生传播延迟的变化而变化赤道地区和极地地区的,,电离而形成这种离子化过程会影响这种延迟会给定位和时间测量带来电离层延迟往往更大对精度的影响GPS,GPS信号的传播误差也更大GPS对流层延迟的成因及其影响大气压力大气压力会影响电磁波在大气中传播的速度从而导致信号的传播延迟,GPS水汽含量大气中的水汽含量也会影响电磁波的传播速度引起对信号的延迟,GPS温度变化温度的变化会引起大气密度的变化从而影响电磁波的传播速度造成误差,,多路径效应的原因及其影响多路径效应的原因多路径效应的影响产生多路径效应的环境信号在传播过程中可能会遇到障碍物导多路径效应会造成接收机测量到的距离与实多路径效应常见于建筑物密集、地形复杂的GPS,致信号被反射或折射产生多径效应这种际距离不一致从而导致定位精度下降严环境例如市区、峡谷和山区这些环境中,,,现象会造成接收到的信号混杂了不同经路的重的情况下还会引起信号丢失和失锁存在大量可能导致信号反射的障碍物信号影响定位的精度,卫星信号强度的概念及其意义信号强度的定义测量方法信号强度是指接收机收到卫星发射信号的功率强度它反映信号强度通常用分贝表示可以通过信号功率测量仪或dB,了卫星信号的传输质量接收机测量GPS意义与影响优化措施信号强度直接影响定位精度和可靠性强信号可提高抗干扰采用更高性能的天线优化接收机及配置等措施可提高信号强,,能力提升定位性能度,卫星信号接收的完整性信号强度覆盖范围卫星信号强度代表信号的质量和可靠多颗卫星的组合可以提高覆盖范围确,性较强的信号可以确保导航定位的保任何位置都能接收到足够的卫星信准确性和可靠性号信号完整性故障检测信号完整性指接收的卫星信号是正系统能够检测和识别卫星信号故障并,确、可靠的可以提供准确的定位和时在用户使用时及时报警保证导航服务,,间信息的可靠性差分系统的基本原理GPS基准站1基准站位于已知坐标的地点接收机2从基准站接收卫星信号数据差分修正3计算基准站和用户之间的差异精确定位4将差分修正应用于用户接收机差分系统通过在已知位置设置基准站来接收卫星信号计算与用户接收机之间的差异并将这些差分修正数据传给用户从而大幅提高定位精度这GPS,,,种基于差分技术的方法可以有效抵消各种错误源使用户获得更精确的位置信息,差分系统的优势及应用GPS提高定位精度增强可靠性差分系统可以大幅降低接利用多个参考站校正卫星信号可GPS GPS,收机的定位误差从而提高定位精以提高定位系统的可靠性和完整,度达到厘米级别性,广泛应用差分技术广泛应用于测绘、航海、农业、交通等领域在提高定位精度GPS,和安全性方面发挥重要作用单点定位和相对定位的区别单点定位相对定位单点定位是利用单独一台接收机获取位置信息的方法它适用相对定位需要两台或多台接收机协同工作它可以通过接收机GPS GPS于日常生活中的导航和定位需求定位精度为几米到几十米之间的相对距离计算出更精确的位置信息定位精度可达厘米级单点定位的定位方法及精度测距测量1单点定位使用测距技术通过接收颗以上卫星的信号计算接,4GPS,收机到各卫星的距离然后通过三边测量原理确定接收机的位置,定位精度2单点定位的平面精度一般为米高程精度为米但会受5-20,10-30到多种误差源的影响如卫星轨道、时钟、电离层和对流层延迟,等误差校正3通过使用电离层和对流层改正模型并获取卫星精确星历和时钟,修正信息可以进一步提高单点定位的精度,相对定位的定位方法及精度基于基准站相对定位使用一个基准站作为参考，计算移动接收机与基准站之间的相对距离差分定位算法通过比较接收机和基准站的观测数据可以计算出高精度的相对,位置定位精度相对定位可以达到厘米级别的高精度适用于测绘、工程测量等,领域精密测量的应用领域GPS测绘和制图工程勘探精准农业海洋测量精密测量在测绘和制图领精密测量在工程勘探领域精密测量技术可用于指导精密测量在海洋测量领域GPS GPS GPS GPS域有广泛应用可用于地形测广泛应用如地质勘探、矿产资农业生产的各个环节提高生产中有重要应用用于海洋地形测,,,,量、影像测量和地籍测量等源勘探和水文勘探等效率和质量量、海洋动力监测等技术的发展趋势与展望GPS技术推动应用自动驾驶引领新趋势拓展至深空探测5G GPS随着网络的普及可实现更快的数据精确的定位是实现自动驾驶的关键技术技术正逐步应用于火星探测等深空任务5G,GPS GPS GPS,传输和更低的延迟为超精准定位和实时导之一未来将与高精度地图、车载传感器等为航天器的定位导航提供可靠保障开启,,,GPS航等创新应用提供支撑技术深度融合在太阳系范围内的新征程总结与思考全面回顾技术发展趋势总结技术的发展历程及其组展望技术未来的发展方向包GPSGPS,成部分全面回顾的工作原理括精度提升、应用领域拓展以及,GPS和测量原理与其他技术的融合使用注意事项继续探索提醒用户注意测量的常见误鼓励学习者持续关注技术的GPSGPS差来源以及如何采取措施提高发展不断拓展在各领域的应,,定位精度用。