GPS卫星导航系统的设置.pptx
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1、GPS地面站由跟踪站、主控站和注入站三部分组成。地面站跟踪所有的卫星,测量卫星轨道参数和卫星钟的误差,预测修正模型参数,星钟同步和向卫星注入新的信息。(1)跟踪站 跟踪站又称监测站,分别设在夏威夷、斯普林斯、阿森松岛、选戈加西亚岛和夸贾林环礁上。跟踪站设置有精确原子钟和GPS接收机,所测伪距每15 s更新一次。电离层和气象数据每15 min平滑一次。它的任务是接收包括环境数据在内的卫星的各种信息,并将测定的信息传送到主控(制)站。(2)主控站 主控站设在福尔肯空军基地的联合空间工作中心。主控站从各跟踪站收集跟踪数据,对卫星轨道参数、时间偏差进行评价,并计算出各卫星原子钟的校正参量、卫星历书、卫
2、星星历、系统状态等,再编成导航信息码后,送给注入站。(3)注入站 注入站也称地面控制站或称地面天线,分别设在阿森松岛、选戈加西亚岛和夸贾林。注入站将导航信息注入卫星,每天12次 2GPS导航卫星网GPS导航星座有21颗工作卫星和3颗备用卫星共计24颗卫星,平均分布在6个轨道上,每个轨道上有4颗卫星。(1)GPS导航卫星 轨道高度:20 183 km左右,高轨轨道。运行周期:约12 h(71788 min)。轨道倾角:约55GPS导航卫星轨道任意轨道型。全球任何地方的观测者,在地平线7.5以上至少可以看到4颗卫星,在地平线以上至少可以观测到5颗卫星,最多可看到11颗卫星。发射频率:同时发射两种频
3、率。分别为1 57542 MHz(L1波段)和 122760MHz(L2波段),由导航数据及伪随机噪声码P和CA码调制,L2由导航数据及P码调制;将来有可能用Y码(YP+W)调制(军用)。发射双频L1.L2是为了校正电离层产生的附加延时。(2)GPS导航卫星电文 卫星发射的导航信息称为“导航电文”,由L1和L2波段中的两种载波频率播发,并由P码和CA码调制。P码P码(Precision)码是一种连续、快速、长周期的伪随机二进制序列码,其码率为1023 MHz,码周期为7天。每个周期开始于每星期六格林尼治标准时午夜1200时。这种码具有精确的时间和距离测量能力。每颗卫星的P码码型均不一样,一般P
4、码难于获得。P码由两对12级线性反馈移位寄存器模2和构成。CA码 CA(ClearAcquisition)码是一种低速,短周期的伪随机二进制序列码,其码率为P码的l/10即1023MHz,其周期为l ms。CA码本身具有的测距精度较低,但它具有协助获得P码能力,这是因为CA码周期短,且码元速率也低,对CA码的匹配锁定比较容易。当CA码锁定之后,通过卫星导航电文的转换字码(HOW)的转换就可以获得P码。P码在7d中,每6s向用户发送一次转换字码(HOW)。CA码由两个10级线性反馈移位寄存器模2和构成。导航电文 导航电文是卫星发射的导航信息。GPS卫星发射的导航电文包括卫星上各有关系统的工作状态
5、、系统时间、卫星钟偏差校正参量、卫星星历、卫星历书数据、卫星识别标志以及与卫星导航有关的其他信息。GPS时间 GPS卫星导航系统采用的时间基准称为GPS时间。它是以主控站的高精度原子钟作为时间基准的,并规定1980年1月6日UTC时间的零点作为起点,与国际原子时间有19 s的固定差值。由于不采用跳秒调整,GPS时间与UTC时间整秒数差值不断地增加。GPS时间与UTC的时间差在卫星电文中播发,给出星期数和星期开始时起算的秒数。CA码与P码技术的优点 CA码与P码具有抗干扰、用码分多址识别卫星、伪码(CA码与P码)加密、精确测时和测距等优点。二、GPS卫星导航定位原理 GPS是种测距定位系统,利用
6、测定高轨卫星信号的传播延时(电波在空间传播的时间)和多普勒频移,计算出卫星与用户之间的距离、距离变化率,以精确测定用户位置(三维)、速度(三维)和时间参数。测定出用户到3颗卫星的距离可以得到以卫星为球心,以卫星到用户的距离为半径的三个球面,其交点就是用户的三维空间位置。GPS卫星导航仪接收其视界内一组卫星的导航信号,从中取得卫星星历、时钟校正参量、大气校正参量等数据,并且测量卫星信号的传播延时和多普勒频移。根据卫星星历计算出卫星发射信号时的位置;根据卫星信号的传播延时和光速的乘积计算出卫星与用户的距离;根据卫星信号的传播延时、光速、多普勒频移计算出用户的三维运行速度。若用户时钟无偏差,用户利用
7、3颗卫星可以得到以卫星为球心、以卫星到用户的距离为半径的3个球面,其交点就是用户三维空间位置。然而,一般用户无精确的时钟,需要用第4颗卫星来估算出用户时钟偏差。因此,用户位置方程应包含三维空间位置和用户时钟偏差。三、卫星轨道参数导航卫星绕地球运行的路径,称为卫星轨道。描述卫星在空间的位置和运行情况的参数称为卫星轨道参数。1开普勒定律(1)卫星绕地球运动的轨道是一个椭圆,地球的质心位于这个椭圆的一个焦点上。(2)在卫星运行轨道上,卫星与地心的连线即向径,在相同的时间内,卫星向径扫过的面积相等。(3)卫星运动周期的平方和其轨道长半径的立方成正比。2卫星无摄动运行的轨道参数(1)升交点赤经 2)轨道
8、倾角(3)近地点幅角(4)轨道长半径(5)轨道偏心率(6)平近点角 卫星导航系统的特点是:(1)设置卫星不受地理、气象或其他条件限制,可按需要在各种轨道上配置。(2)卫星可见的地球表面称为卫星的覆盖区域,只要少数儿颗卫星就可覆盖全球。导航卫只的运行轨道高度般是离地面1000m以上,卫星离地面越高,覆盖区域越大,覆盖全球所需卫星的颗数越少。(3)卫星的导航范围可从地面、水面、近地空间延伸到外层空间。卫星导航系统的特点是:()卫星导航不受气象条件和年、月、季节及昼夜限制。在任意时间和任意气象的条件下边进行全天候导航 (5)卫星导航网都具有定数日的卫星。用户选择几何位置最好的些卫星进行导航定位定位精
9、度高。由于卫星导航仪采用电子计算机进行运算可随时显示船舶的经纬度和其他导航数据。()卫星导航不需使用特种海图和表册。使用方便且安全经济可靠。卫星导航系统的特点是:(7)卫星辐射的平均功率只有几瓦到几十瓦。卫星电波不会因地形、地物遮挡而衰减大部分卫星导航系统工作于甚高频或波段,电波受电离层、对流层吸收衰减很少,所以卫星离地面虽然很高,但地面用户仍能收到足够强的信号。()卫星导航系统具有全球、全天候和高精度定位的能力 卫星导航系统的特点是:9)卫星轨道漂移,需增加扰动补偿系统,改进卫星上的设备,需地面站精确测定卫星的轨道参数和精确地预报。(10)地面工程庞大,设备昂贵,维修费用高,卫星寿命短,有些
10、卫星导航系统还存在间断、不实时和只能区域性导航定位等缺点。(11)卫星导航系统还不能为水下运载体提供导航。(12)卫星导航系统易受少数国家的垄断和控制,服务于所设国家的最高利益:在战争中不能为全球提供可靠的导航,并且是个突出的打击目标。第八节 GPS卫星导航仪用GPS卫星信号进行定位和导航的接收设备称为GPS卫星导航仪。航海导航通常使用CA码、单频GPS卫星导航仪。一、GPS卫星导航仪的工作过程GPS卫星导航仪根据其内存存储的GPS历书计算卫星的概略位置。每颗GPS卫星都发射星座内卫星的历书,由GPS卫星导航仪接收并存人内存,该历书有效期为7天以上.GPS卫星导航仪根据历书计算GPS卫星的概略
11、位赞,根据键人的推算船位、时间、精度几何因子阀值。选择仰角5、几何配置最好的4颗或3颗卫星,以后定时检测、改选配置的卫星,使几何配置最好。初始启动时;GPS卫星导航仪搜捕卫星,收集并存储历书。此时,若知道临空GPS卫星的编号,键人以后。将加快GPS历书的收集。GPS卫星导航仪根据其微处理器提供的估计多普勒频移及指令捕捉GPS卫星。GPS卫星导航仪不断移动本振频率及本机伪码搜索GPS卫星,直至与卫星伪码同步为止。码同步后转入载波相位跟踪,检测及存储导航电文。GPS卫星导航仪根据所接收的星历计算出卫星发射信号时的位置,根据卫星信号的传播延时和光速的乘积计算出卫星与用户的距离,根据卫星信号的传播延时
12、、光速、多普勒频移计算出用户的三维运行速度。用户根据所测得34颗卫星的伪距、计算出用户的三维空间位置,钟差、航速、航向等导航数据。GPS卫星导航仪依键令,显示定位、导航、标绘等信息。二、GPS卫星导航仪一般操作方法 1启动 GPS卫星导航仪的启动通常分为日常启动、热启动和冷启动三种。近期生产的GPS卫星导航仪仅需按下电源键即可启动。(1)日常启动 船舶在营运航行或停泊期间,日常的关机后的启动称为日常启动。由于GPS卫星导航仪已存储关机前的数据(包括经度、纬度、历书等)并且时钟在运行,日常启动时只需按下电源键,卫星导航仪即能自动定位。(2)热启动 如果船位变化不大于100英里(请查阅仪器说明书,
13、如某仪器为600nmile)或三个月(请查阅仪器说明书,如某仪器为半年)以内进行过通电接收,卫星导航仪已收集历书,进行启动,称为热启动。热启动时,只需按下电源键使参考振荡器加热(最多20min)后,GPS卫星导航仪即可自动定位。(3)冷启动 GPS卫星导航仪安装后第一次启动;GPS卫星导航仪所存历书太陈旧或者所有数据(包括历书)被清除;船舶航行100英里(请查阅仪器说明书,如某仪器为600 n mile),三个月(请查阅仪器说明书,如某仪器为半年)以上该GPS卫星导航仪没有通电接收卫星信号进行定位,再进行启动称为冷启动。冷启动时,须进行初始化输入。冷启动后,GPS卫星导航仪需搜索卫星,重新收集
14、历书,30 min以后,才有初始船位数据更新;若已知开机时,临空GPS卫星的编号,输入编号后20 min即有初始船位数据更新 冷启动时初始化输入如下:(1)核对年、月、日和时间,如与当时不符,应重新输入。(2)输入概略船位的经度和纬度。(3)置定HDOP阀值,一般置10。(4)输入天线高度。它只在二维(2D)定位时用。天线高度不准确会影响定位精度。(5)置定测地系。使卫导仪计算所用的测地系坐标尽量接近于所使用海图的测地系坐标(6)置定所在的区时。(7)置定各种报警范围或距离。时间输入误差应不超过15 min(或者1 h,请参阅仪器使用说明书)经、纬度输入误差应不超过1(或者10,请参阅仪器使用
15、说明书)。HDOP阀限值关系到卫星定位的精度。由于HDOP随着卫星与测者的运动而变化,若HDOP阀值置定太小,则相对定位机会减少。当定位时HDOP大于所置定的阀值,GPS接收机就报警而不作GPS更新位置。一般HDOP阀值范围在0099之间,置定于10左右为好。2GPS定位 启动后,GPS卫星导航仪收到3颗有效卫星即进行定位计算,随即自动显示二维定位(2DNavigation)船位的经度和纬度;收到4颗有效卫星进行定位计算后,随即自动显示三维定位(3D Navigation)的经度、纬度和GPS卫星导航仪天线的高度。GPS卫星导航仪显示如下:(1)现时航迹向TRK;对地速度一GS。(2)纬度(3
16、)经度 (4)高度(altitudc)近似为天线到海平面高度,船舶通常使用二维定位(2D Navigation),可人工键人GPS卫星导航仪天线高度的实测数值。(5)显示可选择的画面显示目录,例如:PLOT、CDI、NAV、POSN等 3GPS导航航路点导航操作过程如下:(1)按功能键(或代码),令GPS卫星导航仪进行航路点操作。(2)键人航路点的编号和名称。(3)键入航路点的纬度。(4)键人航路点的经度。(5)键人(或由GPS卫星导航仪自动记录)存储航路点的日期时间。(6)依次键人一系列航路点(GPS卫星导航仪可存储几百个航路点,因机型不同,存储航路点的数目不同)后,查阅刚编制好的航路点表,
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