航空航天技术——GPS全球卫星定位系统.ppt
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1、 GPS 基础技术研究阶段(1938-1973)基础技术研究1954-1956 扎奇里亚斯与松下公司制作出第一个自足式便携原子钟1957麻省理工学院开始研究卫星跟踪项目1961 航空公司开始了GPS系统的发展工作,用于满足军事需要1958年美国开始研制卫星定位系统(子午仪系统)(Transit)计划实施发展阶段(1973-1993)GPS实施计划共分三个阶段u第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。u第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS
2、定位精度远远超过设计标准。u第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成 技术发展成熟阶段(1994-2008)国内GPS民用方面发展 1/6陆地运输海洋运输建筑采矿农业电力系统民用航空通信医疗应用测绘科研家电主要民用范围 纸质地图Say Goodbye 2006年廉价PND方案发布,各大硬件厂商的生产成本得到了更好的控制,PND的价格由原来的天价慢慢走下神坛,给了普通消费者选择的机会,增加了GPS的普及速度。全覆盖地图的发布从根本上解决了GPS行业发展的一大瓶颈,解决了GPS
3、普及上的难题。国内GPS民用方面发展 2/6 2007年GPS井喷式发展,移动导航在非智能手机上的应用使产业的发展速度成几何级增长。截止至07年底,市场上出现的GPS品牌多达千余,除了诺基亚、摩托罗拉这样的手机巨头和专注于此产业的GARMIN、任我游、新科等知名品牌外,其他小作坊品牌更是多如牛毛。国内GPS民用方面发展 3/6GPS市场品牌、产品鱼龙混杂 国内GPS民用方面发展 4/6 2008年GPS市场的复合增长率达到34.3,其中GPS手机成为增长速度最快的部分。消费人群也由高端车主逐渐延伸到中低端,这主要得益于消费者对于GPS带来方便的认知度越来越高,同时一些大品牌主流机型的价格下调也
4、成为销量增长的主要推动力。TD-SCDMA-3G标准试运行 GPS产品定位不再局限于导航功能,除了具备卫星同步精确定位、最佳路径搜索、同步语音导航、生活资讯查询等功能和城市地图精准导航之外,还会集移动电视、视频播放和电子相册等娱乐功能,并融入了蓝牙免提、倒车后视、TMC、电子狗、WIFI等实用功能于一身。国内GPS民用方面发展 5/6功能更加多样,产品更加实用 挑战与机遇并存。2009年GPS市场来说,一直处在一种“半沉睡”的状态,与前两年所出现的“井喷”现象擦肩而过。低价扰市和盗版地图横行成为阻碍GPS市场正常发展的隐患。2009年,包括燃油税改革,汽车产业调整和振兴规划、购置税减半、汽车下
5、乡、汽车报废补贴、汽车以旧换新等一系列鼓励汽车消费利好政策的密集出台,带动上半年汽车销量增长。GPS地图数据发展迅猛,硬件逐步提高,扩展功能更加多元化。国内GPS民用方面发展 6/6 GPS基础概念坐标系统时间系统GPS卫星星历导航电文和卫星信号GPS接收机的类型与工作原理 GPS坐标系统坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的.在GPS定位中,通常采用两类坐标系统:一类是在空间固定的坐标系,另一类是与地球体相固联的坐标系统.坐标系原点一般取地球质心,而坐标轴的指向具有一定的选择性,为了使用上的方便,国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向,这种共同确认的坐标系称为协议坐
6、标系.为了确定用户接收机的位置,GPS卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统.GPS时间系统在天文学和空间科学技术中,时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准,也是利用卫星进行定位的重要基准。为精密导航和测量需要,全球定位系统建立了专用的时间系统,由GPS主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统,秒长与原子时相同,但与国际原子时的原点不同,即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差。IAT-GPST=19s,GPS时与协调时的时刻,规定在1980年1月6日0时一致,随着时间的积累,两者的差异将表现为秒的整数倍 GPS时间系统在GPS卫星定位中,时间系统的重要性表现在:
7、GPS卫星作为高空观测目标,位置不断变化,在给出卫星运行位置同时,必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm,则相应的时刻误差应小于2.6 10-6s。准确地测定观测站至卫星的距离,必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm,则信号传播时间的测定误差应小于3 10-11s GPS卫星轨道卫星轨道在GPS定位中的意义:卫星在空间运行的轨迹称为轨道,描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。1.卫星作为位置已知的高空观测目标,在进行绝对定位时,卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度;2.在相对定位时,当基线较长或精度要求较高时,轨道误差影响不可忽略。3.为了制订
8、GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号,也需要知道卫星的轨道参数。GPS卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息,是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度,GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。外推的星历实时提供精度不高计算后所得星历事后提供精度较高,达分米 GPS卫星信号关于GPS卫星信号GPS卫星所发射信号包括载波信号、P码(或Y码)、C/A码和数据码(或D码)等多种信号分量,而其中P码和C/A码统称为测距码。GPS卫星信号的产生、构成和复制等,都涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题。GPS卫星信号的测距码C/A码C/A码:用于粗
9、测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。C/A码的码元宽度大,假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的1/101/100,则相应的测距误差为29.32.93m。由于精度低,又称粗码。GPS卫星信号的测距码 P码 P码是卫星的精测码,码率为10.23MHZ,产生的原理与C/A码相似,但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。P码的周期长,267天重复一次。P码的捕获一般是先捕获C/A码,再根据导航电文信息,捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10,若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100,则相应的距离误差为0.29m,仅为C/A码的1
10、/10,故P码称为精码。P码是专为军用!GPS卫星导航电文GPS卫星的导航电文,是用户用来定位和导航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息。导航电文又称为数据码(或D码)。导航电文也是二进制码,依规定格式组成,按帧向外播送。每帧电文含有1500比特,播送速度50bit/s,每帧播送时间30s。GPS接收机天线前置放天线前置放大器大器信号处理信号处理器器微处理器微处理器导航计算机导航计算机震荡器震荡器用户信息用户信息传输传输数据存储器数据存储器外部传输外部传输电源电源 GPS用户设备主要包括GPS接
11、收机及其天线、微处理机及其终端设备和电源等。接收机和天线是核心部分,习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射信号,并进行处理,获取导航电文和必要的观测量。GPS接收机工作原理当GPS卫星在用户视界升起时,接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星,并能够跟踪这些卫星的运行;对所接收到的GPS信号,具有变换、放大和处理的功能,以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件,而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包,才是完整的
12、GPS信号用户设备。GPS 内涵GPS简史GPS的主要目的GPS构成GPS原理 GPS简史GPS 是Global Positioning System(全球定位系统)的简称,中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成 GPS的主要目的为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。GPS构成(1/3)1.空间部分 GPS的空间部分是由24颗
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