GPS全球卫星定位系统.pptx
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1、 GPS 一、GPS的发展历史二、GPS基础概念三、GPS技术原理四、GPS的应用五、GPS在物流中的应用六、GPS技术的商业前景 基础技术研究阶段基础技术研究阶段(1938-19731938-1973)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)一、GPS的发展历史 计划实施发展阶段计划实施发展阶段(1973-19931973-1993)GPSGPS实施计划共分三个阶段实施计划共分三个阶段u
2、第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从19731973年到年到19791979年,共发射了年,共发射了4 4颗颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。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。从第二阶段为全面研制和试验阶段。从19791979年到年到19841984年,又陆续发射了年,又陆续发射了7 7颗颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPSGPS定位精度远远超过设定位精度远远超过设计标准。计标准。u第三阶段为实用组网阶段。第三阶段为实用组网阶段。19891989年年
3、2 2月月4 4日第一颗日第一颗GPSGPS工作卫星发射成工作卫星发射成功,表明功,表明GPSGPS系统进入工程建设阶段。系统进入工程建设阶段。19931993年底实用的年底实用的GPSGPS网即网即(21+321+3)GPSGPS星座已经建成星座已经建成 技术发展成熟阶段技术发展成熟阶段(1994-20081994-2008)国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 1/61/6陆地运输陆地运输海洋运输海洋运输建筑建筑采矿采矿农业农业电力系统电力系统民用航空民用航空通信通信医疗应用医疗应用测绘测绘科研科研家电家电主要民用范围主要民用范围 纸质地图纸质地图Say GoodbyeSay Go
4、odbye 20062006年廉价年廉价PNDPND方案发布,各大硬件厂商的生产成本得到了更好的控制,方案发布,各大硬件厂商的生产成本得到了更好的控制,PNDPND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,增加了了GPSGPS的普及速度。的普及速度。全覆盖地图的发布从根本上解决了全覆盖地图的发布从根本上解决了GPSGPS行业发展的一大瓶颈,解决了行业发展的一大瓶颈,解决了GPSGPS普及上的难题。普及上的难题。国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 2/62/6 20072007年年GPSGPS井喷式发展,移动
5、导航在非智能手机上的应用使产业的发展井喷式发展,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。速度成几何级增长。截止至截止至0707年底,市场上出现的年底,市场上出现的GPSGPS品牌多达千余,除了诺基亚、摩托罗拉品牌多达千余,除了诺基亚、摩托罗拉这样的手机巨头和专注与此产业的这样的手机巨头和专注与此产业的GARMINGARMIN任我游、新科等知名品牌外,其他任我游、新科等知名品牌外,其他小作坊品牌更是多如牛毛。小作坊品牌更是多如牛毛。国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 3/63/6GPSGPS市场品牌、产品鱼龙混杂市场品牌、产品鱼龙混杂 国内国内GPSGPS民用方面发展
6、民用方面发展 4/64/6 20082008年年GPSGPS市场的复合增长率达到市场的复合增长率达到34.334.3,其中,其中GPSGPS手机成为增长速手机成为增长速度最度最 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于消费者对于GPSGPS带来方便的认知度越来越高,同时一些大品牌主流机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成为销量增长的主要推动力。型的价格下调也成为销量增长的主要推动力。TD-SCDMA-3GTD-SCDMA-3G标准试运行标准试运行 GPSGPS产品定位不再局限于导航功
7、能,除了具备卫星同步精确定位、最佳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,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、车后视、TMCTMC、电子狗、电子狗、WIFIWIFI等实用功能于一身。等实用功能于一身。国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 5/65/6功能更加多样,产品更加实用功能更加多样,产品更加实用 挑战与机遇并存。挑战与机遇并存。2
8、009 2009年年GPSGPS市场来说,一直处在一种市场来说,一直处在一种“半沉睡半沉睡”的状态,与前两年所出的状态,与前两年所出现的现的“井喷井喷”现象擦肩而过。低价扰市和盗版地图横行成为阻碍现象擦肩而过。低价扰市和盗版地图横行成为阻碍GPSGPS市场正市场正常发展的隐患。常发展的隐患。2009 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车下乡、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。集出台,带
9、动上半年汽车销量增长。GPS GPS地图数据发展迅猛,硬件逐步提高,扩展功能更加多元化地图数据发展迅猛,硬件逐步提高,扩展功能更加多元化 。国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 6/66/6 GPSGPS基础概念基础概念坐标系统坐标系统时间系统时间系统GPSGPS卫星星历卫星星历导航电文和卫星信号导航电文和卫星信号GPSGPS接收机的类型与工作原理接收机的类型与工作原理 GPSGPS坐标系统坐标系统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是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的义的.在在GPSGPS定位中,通常采用两类坐标系统:一类是在空定位中,通常采用两类坐标系统:一
10、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标系称为协议坐标系协议坐标系.为了确定用户接收机的位置,为了确定用户接收机的位置,GPSGPS卫星的瞬时位置通卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统常应化算到统一的地球坐标系统.GPSGP
11、S时间系统时间系统在天文学和空间科学技术中,在天文学和空间科学技术中,时间系统时间系统是精确描述天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。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,由时间系统,由GPSGPS主控站的原子钟控制。主控站的原子钟控制。GPSGPS时属于原子时系统,秒长与原子时相同,但与国时属于原子时系统,秒长与原子时相同,但与国际原子时的原点不同,即际原子时的原点不同,即GPSTGPST与与IATIAT在任一
12、瞬间均有一常在任一瞬间均有一常量偏差。量偏差。IAT-GPST=19sIAT-GPST=19s,GPSGPS时与协调时的时刻,规定时与协调时的时刻,规定在在19801980年年1 1月月6 6日日0 0时一致,随着时间的积累,两者的差异时一致,随着时间的积累,两者的差异将表现为秒的整数倍将表现为秒的整数倍 GPSGPS时间系统时间系统在在GPSGPS卫星定位中,卫星定位中,时间系统时间系统的重要性表现在:的重要性表现在:GPSGPS卫星作为高空观测目标,位置不断变化,在给出卫星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。例如当要求运行位置同时,必须给出相
13、应的瞬间时刻。例如当要求GPSGPS卫星的位置误差小于卫星的位置误差小于1 1cmcm,则相应的时刻误差应小于则相应的时刻误差应小于2.6 2.6 10-610-6s s。准确地测定观测站至卫星的距离,必须精密地测定信号的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。若要距离误差小于传播时间。若要距离误差小于1 1cmcm,则信号传播时间的测则信号传播时间的测定误差应小于定误差应小于3 3 10-1110-11s s GPSGPS卫星轨道卫星轨道卫星轨道卫星轨道在在GPSGPS定位中的意义定位中的意义:卫星在空间运行的轨迹称为轨道,描述卫星轨道位置卫星在空间运行的轨迹称为轨道,描
14、述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。和状态的参数称为轨道参数。1.1.卫星作为位置已知的高空观测目标,在进行绝对定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;位时,卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度;2.2.在相对定位时,当基线较长或精度要求较高时,轨在相对定位时,当基线较长或精度要求较高时,轨道误差影响不可忽略。道误差影响不可忽略。3.3.为了制订为了制订GPSGPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射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。的信号,也需要知道卫星的轨道参数。GPSGPS卫星星历卫星星历卫星星
15、历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息,是一组对应某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。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根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度,度,GPSGPS卫星星历分为卫星星历分为预报星历预报星历和和后处理星历后处理星历。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 GPSGPS卫星信号卫星信号关于关于GPSGPS卫星信号卫星信号GPSGPS卫星所发射信号包括载波信号、卫星所发射信号包括载波信号、P P码(或码(或Y Y码)、码)、C/AC/A码和数据码(或码和数据码(或D D码)
16、等多种信号分量,而其中码)等多种信号分量,而其中P P码和码和C/AC/A码统称为测距码。码统称为测距码。GPSGPS卫星信号的产生、构成和复制等,都涉及到现代卫星信号的产生、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。数字通信理论和技术方面的复杂问题。GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码码码的概念的概念在现代数字通信中,广泛使用二进制数(在现代数字通信中,广泛使用二进制数(0 0和和1 1)及其)及其组合,来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组组合,来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合,称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为合,称为码。一位二进
17、制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。码和信息量的度量单位。如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化,如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化,并按某种预定规则,表示成二进制数的组合形式,则这一并按某种预定规则,表示成二进制数的组合形式,则这一过程称为编码。过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中,每秒传输的比特数称在二进制数字化信息的传输中,每秒传输的比特数称为数码率,表示数字化信息的传输速度,单位为为数码率,表示数字化信息的传输速度,单位为bit/sbit/s。GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码随机噪声码随机噪声码既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合,是
18、一既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合,是一组二进制的数码序列,则这一序列就可以表达成以组二进制的数码序列,则这一序列就可以表达成以0 0和和1 1为为幅度的时间函数。幅度的时间函数。假设一组码序列假设一组码序列u(t)u(t),对某一时刻来说,码元是对某一时刻来说,码元是0 0或或1 1完全是随机的,但出现的概率均为完全是随机的,但出现的概率均为1/21/2。这种码元幅度的。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列,称为取值完全无规律的码序列,称为随机码序列(或随机噪声随机码序列(或随机噪声码序列)码序列)。它是一种非周期性序列,无法复制,但其自相。它是一种非周期性序列,无法复制,但其自相关
19、性好。而相关性的好坏,对提高利用关性好。而相关性的好坏,对提高利用GPSGPS卫星码信号测卫星码信号测距精度,极其重要。距精度,极其重要。GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码伪随机噪声码伪随机噪声码尽管随机码具有良好的自相关性,但却是一种非周期尽管随机码具有良好的自相关性,但却是一种非周期序列,不服从任何编码规则,实际中无法复制和利用。序列,不服从任何编码规则,实际中无法复制和利用。GPSGPS采用了一种伪随机噪声码(采用了一种伪随机噪声码(Pseudo Random Pseudo Random NoiceNoicePRNPRN)简称伪随机码或伪码。它的特点是:具有简称伪随机码或伪码。
20、它的特点是:具有随机码的良好自相关性,又具有某种确定的编码规则,是随机码的良好自相关性,又具有某种确定的编码规则,是周期性的,容易复制。周期性的,容易复制。GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码C/AC/A码码C/AC/A码:用于粗测距和捕获码:用于粗测距和捕获GPSGPS卫星信号的伪随机码。卫星信号的伪随机码。它是由两个它是由两个1010级反馈移位寄存器组合而产生。级反馈移位寄存器组合而产生。C/AC/A码的码元宽度大,假设两序列的码元对齐误差为码的码元宽度大,假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的为码元宽度的1/101/10 1/1001/100,则相应的测距误差为,则相应的测距误差
21、为29.329.3 2.932.93m m。由于精度低,又称由于精度低,又称粗码粗码。GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码 P P码码 P P码是卫星的精测码,码率为码是卫星的精测码,码率为10.2310.23MHZMHZ,产生的原理产生的原理与与C/AC/A码相似,但更复杂。发生电路采用的是两组各由码相似,但更复杂。发生电路采用的是两组各由1212级反馈移位寄存器构成。级反馈移位寄存器构成。P P码的周期长,码的周期长,267267天重复一次天重复一次。P P码的捕获一般是先码的捕获一般是先捕获捕获C/AC/A码,再根据导航电文信息,捕获码,再根据导航电文信息,捕获P P码。由于码。
22、由于P P码的码的码元宽度为码元宽度为C/AC/A码的码的1/101/10,若取码元对齐精度仍为码元宽,若取码元对齐精度仍为码元宽度的度的1/1001/100,则相应的距离误差为,则相应的距离误差为0.290.29m m,仅为仅为C/AC/A码的码的1/101/10,故,故P P码称为码称为精码精码。P P码是专为码是专为军用军用!GPSGPS卫星导航电文卫星导航电文GPSGPS卫星的导航电文,是用户用来定位和导航的数据卫星的导航电文,是用户用来定位和导航的数据基础。基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间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
23、改正、大气折射改正和系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由由C/AC/A码捕获码捕获P P码等导航信息。导航电文又称为码等导航信息。导航电文又称为数据码(或数据码(或D D码)码)。导航电文也是二进制码,依规定格式组成,按帧向外导航电文也是二进制码,依规定格式组成,按帧向外播送。每帧电文含有播送。每帧电文含有15001500比特,播送速度比特,播送速度5050bit/sbit/s,每帧每帧播送时间播送时间3030s s。GPSGPS卫星导航电文卫星导航电文导航电文的格式:导航电文的格式:123451234567891030s6s0.02s0.6s子帧子帧4 4、5 5各含各含25
24、25页页一个子帧一个子帧一个字码一个字码一个主帧一个主帧一个页面一个页面 GPSGPS卫星导航电文卫星导航电文一帧导航电文的内容一帧导航电文的内容TLTLW WHOWHOW数据块数据块1 1时钟修正参数时钟修正参数TLTLW WHOWHOW数据块数据块2 2星历表星历表TLTLW WHOWHOW数据块数据块2 2星历表继续星历表继续TLTLW WHOWHOW数据块数据块3 3卫星历书等卫星历书等TLTLW WHOWHOW数据块数据块3 3卫星历书等卫星历书等子帧子帧 1 1一个子帧一个子帧6 6s s长,长,1010个字,每字个字,每字3030比特比特1 1帧帧3030s s15001500比
25、特比特子帧子帧 3 3子帧子帧 4 4子帧子帧 5 5子帧子帧 2 2 GPSGPS卫星信号的载波和调制卫星信号的载波和调制GPSGPS卫星信号包含三种信号分量:载波、测距码和数卫星信号包含三种信号分量:载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHzf0=10.23MHz的控制下产生,的控制下产生,GPSGPS卫星信号卫星信号示意图示意图如下如下基本频率基本频率10.2310.23MHzMHzL L1 1载波载波1575.421575.42MHzMHzL L2 2载波载波1227.601227.60MHzMHzC/AC/A
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