GPS导航应用.docx
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GPS导航应用
GPS导航应用
第1章绪论
•引子
•河北王朝案
•手机定位
•iPodTouch①
•iPodTouch②
•iPodTouch的定位应用
•iPodTouch的定位应用
•iPodTouch中可能用于定位的传感器
无线
*802.11b/g/nWLAN（仅限于802.11n2.4GHz）
*蓝牙®2.1+EDR
*内置支持Nike+iPod
感应器
*三轴陀螺仪
*方向感应器
*环境光线感应器
光学传感器
*前置摄像头
*后置摄像头
•iPodTouch所采用的定位技术
•基于WIFI的定位
–利用设备附近的WIFI接入点（AP）来进行定位
•Skyhook
•电子地图
•导航定位的需求
武器制导；航海、航空；陆路交通；航天；公共安全；个人…
•一点说明
GPS导航应用不仅限于导航定位
•第1节GPS的应用
•GPS的应用
•基本应用
定位（P）；测速（V）；授时（T）
•延伸应用
大气科学；海面高；…
•军事国防
GPS在军事国防中的应用
特点
–工作简单快速
–不易受外界条件（烟、雾、雨、雪、光照等）的影响
对军事行动的影响
–攻击行动由地毯式、席卷式向远程、非接触式精确、快速打击转变
单兵作战及人员搜救；战机、舰只、车辆导航；武器制导
•交通运输
民用航空
在航途中、导航、进场、着陆和地面引导飞行；空中交通管制
水上运输
船载导航，包括海洋和沿岸导航；进港、港口调度；内陆水路导航；海事管理监控
陆路交通运输
车载导航；出租车、货车、公共汽车的车队管理；辅助驾驶
铁路运输
列车控制；列车管理；编组管理；跟踪测量和旅客信息服务
物流
•其他领域
能源领域
精密定时，优化电力输送；处线中断或网络故障的监测；水、陆地震勘探；精确确定井位及相关设施的位置及平台方向
金融、银行和保险
用于在线金融交易，如时间戳记、基于时间的加密。
用于保险方面，如控制和追踪贵重货物的方法。
农业与渔业
监控化肥、除草剂和杀虫剂的施放（精细农业）。
正常产量监控，用于维护农业环境。
船舶导航、定位，鱼资源监视。
确认渔船在指定水域作业，以防止侵入他国水域。
农业用地管理登记
个人导航
基于位置的服务（LBS）。
判定主叫者位置。
人员跟踪
搜救及危机处理
人员搜救。
危机处理。
人道救援
测量领域
建立维持时空基准。
测量定位。
放样。
形变监测。
水道测量。
GIS数据采集。
航空摄影测量
环境监测、减灾防灾
污染范围确定、肇事船只追踪。
地壳运动监测。
地面沉降监测
科学研究
大气科学
–高空物理（电离层）
–GPS气象（地、空基GPS气象、无线电掩星）
地球重力场
卫星定轨
•GPS无法应用的领域
室内、地下等封闭空间。
生物体内部。
深空。
水体内部…
第2章导航发展简史
第1节定位、测速与测时
•时间、位置与运动状态
何时？
何地？
是最常被提及的问题
时间、位置与运动状态是物体的基本外在属性
•测时、定位与测速
确定时间、位置与运动状态的技术方法就是测时、定位与测速
•定位与导航
定位：
确定目标的空间位置
导航：
获取载体的空间位置，并控制其从一点到另一点的运动的过程或技术方法
定位与导航的关系：
定位是导航的一项关键技术
•朴素的导航方法
导航方法：
天体位置；自然景观；人工建筑；自然现象；生物活动；指南针/罗盘
•朴素的定位方法
定位方法
–最邻近法：
利用最相邻的目标进行定位
–参照物法：
根据相对于某一参照物的方位和距离进行定位
•朴素的授时与测时
授时与测时方法
–天体位置或形态：
太阳高度（角）；月相
–生物活动：
鸡鸣
–简单计时器：
沙漏；燃香
•科学的导航、定位与测时①
导航、定位
–与参照物的几何关系，通过数学计算得出
•科学的导航、定位与测时②
测时
–与参照物的几何关系，通过数学计算得出
–原子运动
第2节导航技术的发展
•经典导航技术
航位推算
利用载体的航向和速度矢量，根据其在某一时刻的位置推算出另一时刻位置的导航方法（实际上是一种极坐标法）。
地标领航
利用地面或海上固定可视参照物进行目的地指引。
天文导航
利用天体进行导航：
观测两个以上的不同天体可得多个天文船位圆，多圆相交，交点就是天文船位。
经典导航技术的局限
精度低；可用性差；无法进行全天候导航
•无线电导航
概况
利用无线电信号进行导航；产生于20世纪30年代；在二战期间得到广泛应用
根据信标台所处位置分类
地基/陆基无线电导航；空基无线电导航；星基无线电导航
根据工作方式分离
无线电导航台；无线电导航系统
地基无线电导航台（通过定向天线确定到发射天线的方向）
–康索尔（CONSOL）
–VOR（VHFOmni-Range）
地基无线电导系统（通过确定到多个发射天线间的距离差或距离）
–罗兰C（Loran-C–LOngRAngeNavigation）
–奥米伽导航系统（OMEGANavigationSystem）
–塔康（TACAN–TacticalAirNavigation，TACAN）
地基无线电导航的局限性
工作范围小；精度低
人造地球卫星
人造卫星：
由人类制造，并放置到围绕地球或其它天体的轨道上的物体。
人类第一颗卫星－Sputnik1
–拥有国：
前苏联
–发射时间：
1957.10.04
–意义：
证明了卫星轨道运行的可行性，也开启了人类的空间时代
卫星导航：
利用星载无线电信标进行导航，即星基无线电导航
•子午卫星系统
子午卫星系统的产生与发展
1.1957年10月4日，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星–Sputnik1
2.美国霍普金斯大学应用物理实验室（JHU/APL）的吉尔（WilliamGuier）博士和魏芬巴哈（GeorgeWeiffenbach）博士利用地面Sputnik1信号多普勒测量资料对其进行了精确定轨
3.JHU/APL的麦克卢尔（FrankMcClure）博士和克什纳（RichardKershner）博士提出了利用多普勒测量方法进行定位的思想
4.1958年，受美国海军委托，在克什纳博士领导下，开始开展子午卫星系统的研究
5.1964年1月，子午卫星系统建成并投入军用
6.1967年7月，子午卫星系统解密并提供民用
子午卫星系统的概况①
名称：
正式名称为海军导航系统（NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem），由于卫星采用极轨道，故也称为Transit（子午卫星导航系统）
子午卫星系统概况③
空间部分
–卫星星座：
6颗卫星；6个极轨道面；轨道高度1075km
–信号
频率1：
149.988MHz（4.9996MHz30）
频率2：
399.968MHz（4.9996MHz80）
星历（广播星历）
子午卫星系统概况④
地面控制部分：
跟踪站；计算中心；注入站；控制中心；海军天文台
用户部分：
多普勒接收机
子午卫星定位的原理
双曲定位
1.利用接收机，采用多普勒测量的方法，测定其在不同时间至同一卫星的距离差
2.卫星轨道（位置）已知
3.距离差交会
子午卫星系统的局限性
一次定位时间过长（需要进行多普勒积分）
无法进行连续定位（卫星数少，不同卫星信号频率相同）
定位精度低
第3节全球定位系统的产生和发展
全球定位系统的建立
前期准备
–美国海军Timation计划
•始于1964年，利用卫星播发精确的时间参考信号进行测距和时间传递
•1967年和1969年分别发射了Timation-1和Timation-2，搭载石英钟
•1974年发射NTS-1（NavigationTechnologySatellite1），首次搭载原子钟（2台铷钟）
•1977年发射NTS-2，首次搭载铯钟
–美国空军621B计划
•采用伪随机噪声（PRN–PseudoRandomNoise）码进行距离测量
•在1968至1971年间利用飞机进行试验
项目开展
–1973年，美国防部成立联合工作办公室（JPO–JointProgramOffice），JPO综合TRANSIT、Timation和621B等方案的优点，提出了NAVSTAR/GPS项目方案
–1973年12月17日，正式批准NAVSTAR/GPS项目
–1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始
–1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段
–1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战
–1993年12月8日，宣布系统具备初步工作能力（IOC–InitialOperationalCapability）
–1995年4月27日，宣布系统具备完全工作能力（FOC–FullOperationalCapability）
–1998年宣布开始GPS现代化计划
全球定位系统概况
建立国家：
美国
名称：
NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem–NAVSTARGPS
卫星星座（设计方案）：
24颗GPS卫星
载波信号频率两个：
L1，L2
信号调制：
载波信号上调制有测距码（L1上为C/A码和P码，L2上为P码）和导航电文
系统基本功能：
定位（P）、测速（V）、授时（T）
全球定位系统的基本定位方式:
单点定位
第4节其他卫星导航系统的概况
•GLONASS
GLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）
开发者:
俄罗斯（前苏联）
系统构成:
卫星星座;地面控制部分;用户设备
GLONASS与GPS的比较
运行状况
–从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
–过去一段时期，由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，导致该系统不能维持正常工作。
–目前上述状况已得到改善。
到目前为止（2011年9月21日），GLONASS系统共有27颗卫星在轨。
•伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统
–2002年3月24日，欧盟决定研制组建
–卫星星座将：
30颗卫星（27+3）；3个轨道面;轨道高度23616km；轨道倾角为56°。
–信号频率：
E5a，E5b，Eb，E2-L1-E1
–服务内容：
公开服务（公开）；安全服务（公开）；商业服务（特许）；政府服务（特许）
–运行状况：
GIOVE-A；GIOVE-B
•中国北斗卫星导航定位系统
概况
–我国独立自主建立的导航卫星系统
–系统由两颗地球静止卫星构成，故又被称为双星系统
–2000年10月31日发射了第一颗试验卫星
–2000年12月21日发射了第二颗试验卫星
系统组成
–空间卫星部分：
2~3颗地球静止卫星（GEO）
–地面部分（以地面控制中心站为主）
–北斗用户终端
中国新一代卫星导航定位系统
名称：
CNSS（CompassSatelliteNavigationSystem）；也被称为北斗二代
星座：
30颗MEO+5颗GEO
信号频率：
E1，E2，E5B和E6
第3章基础知识
•大地坐标与WGS-84
大地/椭球坐标系
定义：
以参考椭球为依据建立的坐标系被称为大地坐标系，又被称为椭球坐标系。
大地坐标：
大地纬度（B）；大地经度（L）；大地高/椭球高（H）
WGS84
WorldGeodeticSystem1984
1984年世界大地系统
GPS系统内部所采用坐标参照系
GPS卫星所发送的广播星历基于此系统
•地图投影
地图投影的产生：
无法将地球表面的地形、地物毫无变形地表示到一个平面上
通俗的地图投影定义：
将球面坐标转换为平面坐标。
（圆柱投影、圆锥投影、方位投影）
地图投影的定义：
投影是球面坐标与平面坐标间的映射关系，可以用下面的数学表达式表示：
式中：
x，y为平面坐标系下的坐标；B，L为大地
纬度和经度；f1，f2为单值、连续、有界的函数，
也被称为投影函数。
地图投影的类型
•GPS时
GPS时
GPST
秒长：
原子时秒长
起点：
1980年1月6日0时
特点：
连续计时，无跳秒
计时方法
–GPS周数+周内秒数
–GPS周数：
从1980年1月6日起计的周数，从第0周起算
–周内秒数：
从当周周日0时起算的秒数
第4章GPS系统的组成与信号结构
GPS定位的基本原理
第1节GPS坐标和时间系统
GPS坐标和时间系统
GPS坐标系统：
1984年世界大地坐标系（WGS-84–WorldGeodeticSystem）
GPS时间系统–GPS时（GPST）
–秒长：
原子时秒长
–计时方法：
GPS周（GPSWeek）+周内秒数（TOW），每周以周日零时为起点
–时间起点：
1980年1月6日0时（在该时刻与UTC同步）
–其他特点：
无跳秒
–目前：
GPST−UTC=15（2011年3月16日）
第2节GPS的组成
•GPS的组成
GPS的空间部分构成：
由GPS卫星所组成的GPS卫星星座
GPS卫星星座（2011.03.15）
GPS卫星的功能：
接收、存储导航电文；生成用于导航定位的信号（测距码、载波）；发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）；接受地面指令，进行相应操作；其他特殊用途，如通讯、监测核暴等
•地面监控部分
GPS地面监控部分的组成：
主控站：
1个；监测站：
5个；注入站：
3个；通讯与辅助系统
地面监控部分的功能：
跟踪GPS卫星；确定卫星轨道及卫星钟改正数；预报卫星轨道，建立卫星钟改正模型；编制成导航电文，并通过注入站送往卫星；通过注入站向卫星发布各种指令
•用户部分
用户部分的组成：
用户；接收设备
用户部分的功能：
测定从接收机至GPS卫星的距离；接收卫星星历；利用上述信息确定自己的三维位置、三维运动速度和钟差等参数
第3节GPS卫星的信号结构
•GPS卫星信号的成分
载波
–可运载调制信号的高频振荡波
–L1，L2
测距码
–用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码
–C/A码（目前只被调制在L1上），P（Y）码（被分别调制在L1和L2上）
导航电文
–由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星空间位置、工作状态、卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据的二进制码，也被称为数据码（D码）
•载波的作用和类型
作用：
搭载其它调制信号；测距；测定多普勒频移
类型
目前：
L1–频率：
154f0=1575.43MHz；波长：
19.03cm
L2–频率：
120f0=1227.60MHz；波长：
24.42cm
现代化后：
增加L5–频率：
115f0=1176.45MHz；波长：
25.48cm
选择两（多）个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟
–电离层折射延迟与信号的频率有关
•测距码
测距码的作用和性质
作用：
测距
性质
–为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise），既具有随机噪声的特性，又可以精确定义
–不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）
–对齐的同一组码间的相关系数为1
C/A码
名称：
粗码/捕获码（Coarse/AcquisitionCode）
码率：
1.023MHz
周期：
1ms
1周期含码元数：
1023
码元宽度：
293.05m
调制载波：
L1
P码
名称：
精码（PreciseCode）
码率：
10.23MHz
周期：
7天
1周期含码元数：
6187104000000
码元宽度：
29.30m
调制载波：
L1和L2
现代化后测距码的变化
在L2上调制C/A码
在L1和L2增加调制M码（军用码）
•导航电文
导航电文的作用及基本结构
形式：
码率50Hz的比特流
作用：
向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息
组织方式
–字（30bit）
–子帧（由10个字组成）
–（主）帧（由5个子帧组成）
–导航电文（由25个（主）帧组成）
第5章GPS测量的基本原理和方法
第1节码伪距测量
测距方法：
离散脉冲信号测距、连续测距码或载波信号测距（在GPS中采用的是此类方法）
距离测定的基本思路：
通过某种方式测定卫星信号从卫星至接收机的传播时间。
，其中Δt卫星信号传播时间
•信号（测距码）传播时间的测定
卫星与接收机各自根据自身的时钟产生信号；卫星经过一段时间的传播到达接收机；接收机通过对本地信号在时间轴上平移，直至与所接收到的卫星信号对齐，所平移的时间即为所测定的信号传播时间。
测距码测距的必要条件：
必须了解测距码的结构
测距码测距的特点：
采用CDMA（码分多址）技术，可区分不同卫星信号；易于捕获微弱的卫星信号；可提高测距精度；便于对系统进行控制和管理（如AS）。
码伪距的观测方程
第2节单点定位与测时
•单点定位的定义
单点定位：
根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法，也被称为绝对定位
测时
单点测时（位置未知）：
同时观测4颗以上卫星，求解位置和钟差参数
单点测时（位置已知）：
仅需观测1颗卫星，求解钟差参数
共视法：
利用2台接收机同时观测相同的卫星进行时间传递
单点定位精度与用户等效距离误差
用户等效距离误差（UERE）是将单点定位时可能发生的所有误差归化到站星距离上所得的结果。
当卫星分布相同时，用户等效距离误差越小，定位精度越高。
单点定位精度与卫星分布
当用户等效距离误差相同时，卫星分布越好（数量多且分布均匀），定位精度越高。
•
DOP值
DOP：
精度衰减因子（DilutionofPrecision）
DOP值与定位精度---------------------------------------
DOP值的性质
–DOP值与单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件
–DOP值越小，定位的几何条件越好
DOP值的类型
–GDOP–GeometryDilutionofPrecision（几何精度衰减因子）
–PDOP–PositionDilutionofPrecision（位置精度衰减因子）
–TDOP–TimeDilutionofPrecision（时间精度衰减因子）
–HDOP–HorizontalDilutionofPrecision（水平精度衰减因子）
–VDOP–VerticalDilutionofPrecision（垂直精度衰减因子）
第3节多普勒测量
信号锁定
频率/码延迟搜索
多普勒观测量
多普勒观测量是接收信号与发射信号的频率差异
•单点测速：
据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对速度的方法
第4节载波相位测量
载波相位测量
在GPS中，还可以将载波的相位作为站星间距离的观测量，
载波相位测量的特点是精度高（可达毫米级），但存在模糊度和周跳问题
广泛应用于测绘等对精度要求较高的领域
第6章GPS的误差源
第1节GPS测量的环节及影响因素
GPS测量的环节
影响GPS测量的因素
与卫星有关的因素：
卫星轨道误差，卫星钟差，相对论效应
与传播途径有关的因素：
电离层（折射）延迟，对流层（折射）延迟，多路径效应
与接收设备有关的因素：
接收机天线相位中心的偏移和变化，接收机钟差，接收机内部噪声
各因素影响GPS测量的方式
使观测值产生偏差的因素：
卫星钟差，相对论效应，电离层（折射）延迟，对流层（折射）延迟，多路径效应，接收机钟差，接收机内部噪声
使参考点产生偏差的因素：
卫星轨道误差；接收机天线相位中心的偏移和变化
第2节时钟误差
时钟特性及其对卫星测距的影响
钟差：
钟读数与真实系统时间之间的差异，在GPS中有卫星钟差和接收机钟差两类
单点定位中卫星钟差的处理方法：
利用导航电文中的钟差改正模型参数进行改正
单点定位中接收机钟差的处理方法：
作为未知数进行估计
第3节相对论效应
狭义相对论和广义相对论
狭义相对论：
1905；运动将使时间、空间和物质的质量发生变化
广义相对论：
1915；将相对论与引力论进行了统一
狭义相对论效应的影响
狭义相对论效应：
时钟在惯性空间中的运动速度不同所引起的时钟频率差异
狭义相对论效应对卫星钟的影响：
狭义相对论效应使卫星上钟的频率变慢
广义相对论效应的影响
广义相对论效应：
时钟所处位置的地球引力位不同所引起的时钟频率差异
广义相对论效应对GPS卫星钟的影响：
广义相对论效应使卫星上钟的频率变快
相对论效应对卫星钟的综合影响
狭义相对论＋广义相对论：
总体上将使得卫星的时钟相对于其在地面时加快
应对相对论效应的方法
方法（分两步）：
首先考虑假定卫星轨道为圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。
第一步：
地面调低钟频，入轨后由于相对论效应而大体接近标准频率
第二步：
改正
第5节卫星星历误差
卫星星历误差
定义：
由星历所给出的卫星在空间中的位置与其实际位置之差。
对单点定位的影响：
主要取决于用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形，但总体上量级与星历误差相当。
星历类型
广播星历：
由GPS的地面控制部分所确定和提供的，经GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报星历。
精密星历：
为满足大地测量、地球动力学研究等精密应用领域的需要而研制、生产的一种高精度的事后星历。
不同卫星星历的误差
第6节大气折射
大气折射效应
•大气折射：
信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。
也称大气延迟。
在GPS测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。
•色散介质与非色散介质
–色散介质：
对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同
–非色散介质：
对不同频率的信号，所产生的折射效应相同
–对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质
地球大气结构
电离层延迟
电离层延迟与下列因素有关：
信号频率；信号传播途径上的总电子含量（TEC）。
【总电子含量（TEC–TotalElectronContent）：
底面积为一个单位面积沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。
】
电子密度与大气高度的关系：
电子含量与地方时的关系：
太阳活动情况与电子含量
•电子含量与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加
•太阳活动周期约为11年，上一高峰为2001年
电子含量与地理位置的关系
电离层延迟的应对（单点定位）
双频改正：
仅适用于双频接收机
Klob
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