第三节 GPS定位 GPSNAVSTAR global positioning system的简称，即导航星全球定位系统。 它是由美国研制和控制的一套卫星导航 系统
第三节 GPS定位 GPS是NAVSTAR global positioning system的简称，即导航星全球定位系统。 它是由美国研制和控制的一套卫星导航 系统
一、 GPS系统组成 1.概述 GPS系统在航海、航空、地面交通管理等的主要作用 是：求得用户的位置和速度等。 GPS系统属于全球、 全天候定位系统。定点 定位精度可精确到20m, 动点定位精度可精确到 100m,而未来这一定 位精度还有可能提高。 GPS系统的缺陷是不 能在水下定位；受人为 因素影响大。 GPS NAVIGATION
1.概述 一、GPS系统组成 GPS系统在航海、航空、地面交通管理等的主要作用 是：求得用户的位置和速度等。 GPS系统属于全球、 全天候定位系统。定点 定位精度可精确到20 m， 动点定位精度可精确到 100 m，而未来这一定 位精度还有可能提高。 GPS系统的缺陷是不 能在水下定位；受人为 因素影响大
2.设置 GPS系统是由空间系统（导航卫星）、地面控制系统（地 面站)和用户（导航仪）三部分组成的， Space Control User
GPS系统是由空间系统（导航卫星）、地面控制系统（地 面站）和用户（导航仪）三部分组成的， 2.设置
1)导航卫星 GPS系统的导航卫星(satellite 由21颗工作卫星和3颗备用卫星共 24颗卫星组成。24颗卫星平均分 布在6条圆形轨道上，每条轨道上 均匀分布4颗卫星。 卫星轨道高度（卫星高度）为 20183km,轨道与天赤道交角为 55°。卫星绕地球飞行一周需要 约12h。GPS卫星的设置方式， 使得在地球上任何地点、任何时 刻都可以至少看到5颗卫星，其 中至少有4颗卫星仰角大于7°.5 卫星每天通过地球上同一上空的时间约提前4min。 GS卫星的作用是接收来自地面站的信息，向用户发送导航电文 卫星发送导航电文的频率为L1=1575.42MHz,L21227.60MHz
1）导航卫星 GPS系统的导航卫星（satellite） 由21颗工作卫星和3颗备用卫星共 24颗卫星组成。24颗卫星平均分 布在6条圆形轨道上，每条轨道上 均匀分布4颗卫星。 卫星轨道高度（卫星高度）为 20183 km，轨道与天赤道交角为 55°。卫星绕地球飞行一周需要 约12h。GPS卫星的设置方式， 使得在地球上任何地点、任何时 刻都可以至少看到5颗卫星，其 中至少有4颗卫星仰角大于7°.5。 卫星每天通过地球上同一上空的时间约提前4 min。 GPS卫星的作用是接收来自地面站的信息，向用户发送导航电文。 卫星发送导航电文的频率为L1 =1575.42MHz，L2 =1227.60MHz
导航电文以连续编码脉冲信号的形式发射，编码信号为二 进制伪随机噪声码，分为CA码(CA-clear acquisition)和P码 (P-precision)两种。CA码是一种粗码，速率为1.023MHz, 周期为1s,属于短周期低速率。P码是一种精码，速率为 10.23MHz,周期约为7天，属于长周期快速码。 导航电文由5个子帧组成一帧，时间30s。25帧组成一个主帧， 时间12.5min,一个主帧是一个完整的历书。 GPS时间与国际原子时间有19s的固定差值，因不采用跳 秒调整，GPS时间与UTC时间整秒数差值不断地增加。GPS时 间与UTC时间的时间差在卫星导航电文中播发。 10111100011001101001110001110001011110001100110100111000111000 TT几 A Short Repeating PRN Code Sample
导航电文以连续编码脉冲信号的形式发射，编码信号为二 进制伪随机噪声码，分为CA码（CA-clear acquisition）和P码 （P-precision）两种。CA码是一种粗码，速率为1.023MHz， 周期为1 ms，属于短周期低速率。P码是一种精码，速率为 10.23MHz，周期约为7天，属于长周期快速码。 导航电文由5个子帧组成一帧,时间30s。25帧组成一个主帧， 时间12.5 min，一个主帧是一个完整的历书。 GPS时间与国际原子时间有19s的固定差值，因不采用跳 秒调整，GPS时间与UTC时间整秒数差值不断地增加。GPS时 间与UTC时间的时间差在卫星导航电文中播发
2)地面站 GPS的地面站分为主控站、监测站、注入站。 Peter H.Dana 5/27195 Falcon AFB Colorado Springs Master Control Hawaii Monitor Station ● Monitor Station Kwajalein Ascension Island Diego Garcia Monitor Station Monitor Station Monitor Station Global Positioning System(GPS)Master Control and Monitor Station Network
2）地面站 GPS的地面站分为主控站、监测站、注入站
3)GPS导航仪 GPS导航仪用于接收卫星信号并显示卫星船位
3）GPS导航仪 GPS导航仪用于接收卫星信号并显示卫星船位
二、GPS定位原理 1.测伪距 GPS导航仪根据导航电文中的卫星星历解算出卫星在空间的 位置。根据导航电文的编码信号，测量卫星发射的信号从卫星 传播到用户的时间（△t),卫星发射的信号在空间的传播速 度为C=3*105km/s,用户到卫星的距离为： r*=C△t 距离r称为用户观测时刻到卫星的“伪距”，因为这一距离是 不准确的，主要是测量时间△t含有误差，所以伪距公式也可 由下式表示： r;=r;+C△tu+(C△tAiC△tsi) r;=r*-C△tn(C△tAi+C△tsi) 上式中r,是用户到第i卫星的真距离，△t是用户钟的钟差， △t:是第i颗卫星信号的传播延时误差，△ts:是第i颗卫星钟的 钟差
二、GPS定位原理 1.测伪距 GPS导航仪根据导航电文中的卫星星历解算出卫星在空间的 位置。根据导航电文的编码信号，测量卫星发射的信号从卫星 传播到用户的时间（Δt），卫星发射的信号在空间的传播速 度为C =3*105km/s，用户到卫星的距离为： r i * =CΔt 距离r i *称为用户观测时刻到卫星的“伪距”，因为这一距离是 不准确的，主要是测量时间Δt含有误差，所以伪距公式也可 由下式表示： r i * = ri + CΔtu +（CΔtAi-CΔtSi） ri = r i * -CΔtu-（CΔtAi+CΔtSi） 上式中ri是用户到第i卫星的真距离，Δtu是用户钟的钟差， ΔtAi是第i颗卫星信号的传播延时误差，ΔtSi是第i颗卫星钟的 钟差
2.位置线原理 以用户接收时刻第i颗卫星在空中的位置为原点，以虹：为 半径得到一个空间圆球面，则用户必然位于这个圆球面上，这 个圆球面称为用户位置球面
2.位置线原理 以用户接收时刻第i颗卫星在空中的位置为原点，以ri为 半径得到一个空间圆球面，则用户必然位于这个圆球面上，这 个圆球面称为用户位置球面
3用户位置计算 由于卫星发射时刻的位置是在空间，而且卫星到用户的距 离很远，当求得卫星发射时刻到用户的距离时，是不能画出 空间球面的，也就无法在平面上画出用户位置线，即不能在海 图上画出船位。 实际上，GPS定位是GPS导航仪解伪距方程得到的。 I1=[(Xs1-X)2+(Ys-Y)2+(Zs1Z)2]1/2+CX△t I2=[(Xs2-X)2+(Ys2-Y)2+(Zs2-Z)2]1/2+CX△tu I3[(Xs3X)2+(Ys3-Y)2+(Zs3Z)2]/2+CX△t I4=[(Xs4-X)2+(Ys4-Y)2+(Zs4-Z)2]1/2+CX△tu 上在方程组中Xs1、Ys1、Zs1,Xs2、Ys2、Zs2,Xs3、Ys3 Zs3,Xs4、Ys4、Zs4由定位卫星的位置。方程组中用户位置X、 Y、Z和用户钟差△t,4个未知数，解以上4个方程组成的方程 组即可得到。 二维定位需要三颗卫星，三维定位需要四颗卫星。目的 是为消除用户时钟偏差
3.用户位置计算 由于卫星发射时刻的位置是在空间，而且卫星到用户的距 离很远，当求得卫星发射时刻到用户的距离ri时，是不能画出 空间球面的，也就无法在平面上画出用户位置线，即不能在海 图上画出船位。 实际上，GPS定位是GPS导航仪解伪距方程得到的。 r1 *=[（XS1-X）2+（YS1-Y）2+（ZS1-Z）2] 1/2 + CXΔtU r2 *=[（XS2-X）2+（YS2-Y）2+（ZS2-Z）2] 1/2 + CXΔtU r3 *=[（XS3-X）2+（YS3-Y）2+（ZS3-Z）2] 1/2 + CXΔtU r4 *=[（XS4-X）2+（YS4-Y）2+（ZS4-Z）2] 1/2 + CXΔtU 上在方程组中XS1、YS1、ZS1，XS2、YS2、ZS2，XS3、YS3、 ZS3，XS4、YS4、ZS4由定位卫星的位置。方程组中用户位置X、 Y、Z和用户钟差ΔtU4个未知数，解以上4个方程组成的方程 组即可得到。 二维定位需要三颗卫星，三维定位需要四颗卫星。目的 是为消除用户时钟偏差