gps资料 2
《现代导航技术与方法》2 全球定位系统(GPS)
GPS系统组成
2.3.1 空间段
空间段结构
6条轨道，每条轨道至少4颗星，至少24颗星构成星座 目前在轨32颗卫星 椭圆轨道长半轴约为26560km，偏心率小于0.02 卫星运行周期为半个平恒星日，约为11小时58分 轨道倾角约为55°
卫星星座设计原则
信号全球、连续、多重覆盖 几何分布好，导航性能佳 鲁棒性和可维护性
IIR-05 44 28 00-07-16 00-08-17 B3 Rb2
IIR-06 41 14 00-11-10 00-12-10 F1 Rb1
IIR-07 54 18 01-01-30 01-02-15 E4 Rb1
IIR-08 56 16 03-01-29 03-02-18 B1-A Rb3
2.2.2 时间系统
协调世界时（UTC）
世界时：属于地球实时时间系统，反映了地球运动状态。 协调世界时：属于原子时时间系统，由于原子时与世界 时存在差异，需利用闰秒调整来减少这一差异，使得原 子时能跟踪上世界时。接收机一般显示UTC时间。
GPS时间（GPST）
属于原子时时间系统，是GPS系统工作时间，由地面主 控站的原子钟控制。GPS时间是实时连续时间，无闰秒。
空间卫星
空间卫星的功能
将导航电文通过卫星信号传送给用户 提供发射信号的时间基准 根据地面控制段提供控制指令控制卫星的姿态和轨道
在轨卫星统计
卫星类型
发射时间
BLOCK-ⅡA 1990-1997年 BLOCK-ⅡR 1997-2004年
在轨数量 5 12
BLOCK-ⅡR-M 2005-2009年 7+1（未达能力）
2020年09月
第2章 全球定位系统
现代导航技术与方法
GPS协议详解 (2)
GPS协议详解协议名称：GPS协议详解一、引言GPS（全球定位系统）协议是一种用于定位和导航的全球性卫星导航系统。
本协议旨在详细介绍GPS协议的工作原理、数据格式和通信流程，以便用户能够全面了解和正确使用GPS设备。
二、协议内容1. GPS工作原理GPS系统由一组卫星、地面控制站和用户接收器组成。
卫星通过广播信号发送时间和位置信息，接收器通过接收多个卫星信号并计算距离来确定自身位置。
2. GPS数据格式GPS数据通常以NMEA（National Marine Electronics Association）格式传输。
NMEA格式使用ASCII字符，包含多个数据字段，例如时间、位置、速度、方向等。
常用的NMEA数据格式包括GGA（位置信息）、RMC（推荐最小数据集）和VTG（地面速度信息）等。
3. GPS通信流程GPS设备通过串行端口与用户设备（如计算机、智能手机等）进行通信。
通信流程如下：a. 用户设备发送请求命令给GPS设备，例如获取当前位置信息。
b. GPS设备接收到请求命令后，根据命令类型进行相应的处理。
c. GPS设备将处理结果以NMEA格式的数据包发送回用户设备。
d. 用户设备接收到GPS设备发送的数据包后，解析数据并进行相应的处理。
4. GPS协议命令GPS协议定义了一系列命令，用于控制和配置GPS设备。
常用的GPS协议命令包括：a. $PMTK（MTK定制命令）：用于配置GPS设备的工作模式、输出频率等。
b. $GPGGA（GPS定位信息）：用于获取GPS设备的位置信息。
c. $GPRMC（推荐最小数据集）：用于获取GPS设备的位置、速度和方向信息。
d. $GPVTG（地面速度信息）：用于获取GPS设备的地面速度和航向信息。
e. $GPGLL（地理定位信息）：用于获取GPS设备的纬度、经度和UTC时间信息。
5. GPS数据解析用户设备在接收到GPS设备发送的数据包后，需要进行数据解析才干获取实用的信息。
二、GPS系统的组成及信号结构
地面监控部分 通信和辅助系统 通信和辅助系统是指地面监控系统中负责数据传输以及提 供其他辅助服务的机构和设施，全球定位系统的通信系统 供其他辅助服务的机构和设施， 由地面通信线，海底电缆及卫星通信等联合组成，此外， 由地面通信线，海底电缆及卫星通信等联合组成，此外， 美国国防制图局将提供有关极移和地球自转的数据以及各 监测站的精确地心坐标， 监测站的精确地心坐标，美国海军天文台将提供精确的时 间信息。 间信息。
2、GPS卫星的信号结构 GPS卫星的信号结构 测距码 测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码,GPS 测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码,GPS 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码(PRN) 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码(PRN) 粗码（ C/A码 A 、粗码（ C/A码)
用户部分 接收机、 组成：GPS接收机 气象仪器、计算机、 组成：GPS接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器 设成。 设成。
接收机按用途分导航型、测量型、授时型。 接收机按用途分导航型、测量型、授时型。 按接收的卫星信号频率分单频型、双频型。 按接收的卫星信号频率分单频型、双频型。 按接收的卫星类型分单星、 按接收的卫星类型分单星、多星
用户部分
GPS接收机：天线单元，信号处理部分， GPS接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和电源 接收机 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高， 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰 性强。GPS天线分为单极天线 微带天线、锥型天线等。 天线分为单极天线、 性强。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。 信号处理部分： GPS接收机的核心部分， 信号处理部分：是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号 接收机的核心部分 处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文， 处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪 距定位结果。 距定位结果。 记录装置 : 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡 电源: 分为外接和内接电池（12V）， ），机内还有一锂电池 电源: 分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池
GPS基础知识二
GPS复习题1．名词解释导航：通过实时地测定运载体在途中行进时的位置和速度，引导运载体沿一定航线经济而安全地到达目的地的技术。
极移:地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移。
历元：在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元。
多路径效应: 多路径效应也称多路径误差,即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。
整周模糊度:一般是未知的，通常称为整周未知数（整周待定值或整周模糊度）周跳:gps卫星信号中断时，初始整周计数发生变化的现象。
天线相位差:卫星天线几何中心与相位中心的偏差绝对定位；在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。
相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。
整数解：将平差计算所得的整周未知数取为相近的整数，并作为已知数代入原方程，重新解算其它待定参数。
当观测误差和外界误差（或残差）对观测值影响较小时，该方法较有效，一般应用于基线较短的相对定位中。
非整数解：如果外界误差影响较大，求解的整周未知数精度较低(误差影响大于半个波长)，将其凑成正数，无助于提高解的精度。
此时，不考虑整周未知数的整数性质，平差计算所得的整周未知数，不再进行凑整和重新计算。
一般用于基线较长相对定位中大地高：某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。
大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。
正高：某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示正常高：常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。
某点的正常高正是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。
高程异常：似大地水准面到参考椭球面的距离，称为高程异常，记为 。
1．简答题1简述导航技术的发展历程。
推算定位-天文导航-惯性导航-无线电导航2简述导航系统的分类并举例。
GPS练习题二资料19
《GPS测量原理与应用》练习题二一、名词解释1、同步环由多台接收机同步观测所构成的闭合环称为同步环。
2、重复观测边同一基线边，若观测了多个时段（>=2）, 则可得到多个基线边长。
这种具有多个独立观测结果的基线边，称为重复边。
3、异步环在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测向量的，则该多边形环路叫做异步观测环，简称异步环。
4、相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。
5、大气折射对于GPS而言，卫星的电磁波信号从信号发射天线传播到地面GPS接收机天线，其传播路径并非真空，而是要穿过性质与状态各异、且不稳定的大气层，使其传播的方向、速度和强度发生变化，这种现象称为大气折射。
6、观测时段测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，称为观测时段，简称时段。
7、独立观测环由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。
8 GPS相对定位的作业模式利用GPS确定观测站之间相对位置所采用的作业方式。
它与GPS接收机设备的软件和硬件密切相关。
同时，不同的作业模式因作业方法、观测时间和应用范围的不同而有所差异。
9、坐标联测点GPS网平面坐标系统转换，通常是采用坐标联测来实现的。
采用GPS定位技术，重测部分地面网中的高等级国家控制点。
这种既具有WGS-84坐标系下的坐标，又具有参考坐标系下的坐标的公共点，称为GPS网和地面网的坐标连测点（简称坐标联测点）。
坐标联测点是显示坐标转换的前提。
10、高程联测点利用GPS直接测定的高程是GPS点在WGS-84坐标系中的大地高，而实际工作中通常需要的是正常高，为实现高程系统的转换，在布设GPS网时，需采用几何水准方法联测部分GPS点，这些被联测的GPS点，称为水准联测点。
11、停测段在某一测站上，若在某一时间段内可测卫星只有4颗，而这4 颗卫星的图形分布很差，其几何精度因于GDOpg过了规定的要求，以致无法保证预订的定位精度。
GPS静态数据处理说明书2
第二章 GPS测量基础§2.1 GPS测量使用的数据§2.1.1 GPS信号GPS 卫星发射两种频率的载波信号即频率为1575.42MHz 的L1 载波和频率为1227.60HMz的L2 载波。
它们的频率分别是基本频率10.23MHz 的154 倍和120 倍。
它们的波长分别为19.03cm 和24.42cm。
在L1 和L2 上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：1．C/A 码C/A 码又被称为粗捕获码，它被调制在L1 载波上，是1MHz 的伪随机噪声码(PRN 码)，其码长为1023 位，周期为1ms。
由于每颗卫星的C/A 码都不一样，因此我们经常用它们的PRN 号来区分它们。
C/A 码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。
2．P 码（Y 码）P 码又被称为精码。
它被调制在L1 和L2 载波上，是10.23MHz 的伪随机噪声码，在实际应用中，P码采用7天的周期，即截取一段周期为7天的P码，并规定每星期六午夜零点使P码置全“1”状态作为起始点。
在实施AS 时P 码与W 码进行模二相加生成保密的Y 码，此时一般用户无法利用P 码来进行导航定位。
3．导航信息（或称D码）导航信息被调制在L1 载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS 卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。
用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS 卫星在地球轨道上的位置。
导航信息也被称为广播星历。
综上所述，GPS卫星所发播的信号，包括调制在L载波上的C/A码、P码（或Y码）和导航信息（或称D码）等多种信号分量。
而其中的P码和C/A码，统称为测距码。
载波具有L1(1575.42MHz)、L2(1227.60MHz)两个频段，调制方式为900调相。
GPS系统还将增加L5频段以及L2频段上的C/A码，这里就不作介绍。
目前的GPS信号结构大致如图2-1所示：图2-1 GPS卫星发送的信号上述这些信号能被用户接收机全部接收或部分接收，并将其输出，供GPS后处理软件进一步处理。
gps2卫星导航-精品文档
水浮指南针
北宋（公元960-1127年）。口径10、高 ２厘米。是北宋四种指南针之一。将几段 灯草横穿在带磁性的钢针上，放在盛水的 瓷碗中，灯草连同磁针浮于水面，磁针即 指示南北。这种指南针实用性强，最先应 用于航海导航。模型是王振铎先生据《梦 溪笔谈》的记载设计复原的。
Theodolite 古典经纬仪
5、导航系统的分类 分类：自主式和非自主式导航系统。
自主式：不依靠外界信息或不与外界发生联系，独立完成导航任 务的导航系统。
非自主式：必须有地面设备或依靠其他外部信息才能完成导航任 务的就是非自主式导航系统。
自主式导航系统 特点：只用载体设备就能提供充分的导航信息，安全性很强，是导航技术 发展的一个方向。 种类：常用的有惯性导航系统（INS — Inertial Navigation System）、天文 导航（CNS — Chronometer Navigation System）、航位推算法（DR —
2、GPS系统的发展
Global Positioning System
（全球定位系统）
1）.GPS前远程导航和定位使用的方法 a.无线电导航系统（用无线电波作信号）Ground-based) •罗兰 (Loran)-c 系统 —— 工作频率 100kHz ，脉冲 相位双曲线定位，三个地面导航台组成，工作区域 2000km，定位精度200m-300m ， 精度与距离 有关。
4、导航系统的三个基本特征 1）. 导航系统首先应该是一套探测系统，我们必须要通过测量才能 得到导航参数。当然许多我们感兴趣的导航参数是通过解算得到 的，但是也必须先有观测值才能解算。 2）. 导航系统必须是一套能执行测量功能的硬件设备。我们不可能 凭空去测量导航参数，一定要有硬件形式的仪器、设备来执行测 量功能。 3）. 导航系统要有导航解算功能。原始观测值往往不能包含全部我 们想要的导航参数，而且通常包含噪声。必须要由计算机按照一 定的算法，消除噪声干扰，得到用户感兴趣的全部导航参数。
2-1GPS定位的坐标系统(GPS)
}
Z − N (1 − e 2 ) sin B
在采用上式进行转换时， 需要采用迭代的方法， 在采用上式进行转换时 ， 需要采用迭代的方法 ， 先 求出，最后在确定H 将B求出，最后在确定H。
3、地心空间直角坐标系与站心（左手）地平直角坐标系 、地心空间直角坐标系与站心（左手） （1）地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 O—XYZ：球心空间直角坐标系（地心） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤）
a = 6378245m f = 1 / 298.3
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
该坐标系的高程异常是以前苏联1955年 该坐标系的高程异常是以前苏联1955年 大地水准面重新平差的结果为起算值， 大地水准面重新平差的结果为起算值， 该椭球并未依据当时我国的天文观测资 料进行重新定位， 料进行重新定位，而是由前苏联西伯利 亚地区的一等锁， 亚地区的一等锁，经我国的东北地区传 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 多缺点 。
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
四、1980年西安坐标系 1980年西安坐标系
1980年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 1980 年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 a = 6378140m 荐值， 荐值，
（2）站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系关系 ） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤） 站心赤道直角坐标系（ 站心赤道直角坐标系 站赤） P1— xyz : 站心地平直角坐标系（地平） 站心地平直角坐标系（地平）
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据码D为了节省卫星的电能
保密性GPS卫星采用伪噪声码对D码作二级调制P码和C/A码再将上述两噪声码调制在L1ÐγÉÏòÓû§·¢ÉäµÄGPS射电信号GPS信号包括两种载波Ｌ２
P码星载原子钟的基频基准频率与各信号频率之间存在一定的比例P码为精确码只供美国军方
C/A码为粗码
目前
GPS卫星信号包括三种信号分量测距码和数据码
10.23MHz GPS信号的产生过程如图2.1所示
配有两种载波
波长为19.03cm
波长为24.42cm
等于L2的28.3%Ä¿µÄÔÚÓÚ²âÁ¿³ö»òÏû³ýÓÉÓÚµçÀë²ãЧӦ¶øÒýÆðµÄÑÓ³ÙÎó²î
ÆäÍêÕûµÄÐźŽṹΪ
在L 2载波上
其信号结构为
c p p A B A ,,分别为P 码和C/A 码的振幅
P 码C/A 码Di(t)为卫星电文的数据流
21,ϕϕ分别为信号的起始相位
GPS 工作所需的信号按图2.2的方案进行合成形成现在随时随地都能接收到的信号
最感兴趣的是测距码的数据流
3.3 C/A 码 C/A 码是用于跟踪它是由m 序列优
选对组合码形成的Gold 码
改变产生它的两
个m 序列的相对相位对于长度为N=2n -1的m 序列G 码最主要的优点在于广泛
用于多址通信
C/A 码是两个10级反馈移位寄存器构成的G 码产生的
在置
脉冲作用下全处于1状态
两个移位寄存器分别产生码长为
N=210-1=1023
È»ºóÓëG 1(t)和G 2(t)
ÊäÈëÒ»¸öÓëG 2(t)平移等价的m 序列便得到C/A 码
C/A(t)= G 1(t)⊕G2(t
采用不同的it0值再加上G1(t)和G2(t)本身提供选用
相同的码元宽t u0.98相当于293.1m
从这些G(t)码中选择32个码以PRN1,…,PRN32命名各个GPS 卫星可在1s时间内搜索1000次
还可以过渡到捕获P码
若两个序列的码元测量误差为码宽的1/10…此时相应的测距误差为29.3-2.93m
3.4 P码
P码是GPS的精测码它是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)相乘而成
两个移位寄存器分别采用反馈点八进制编码14501和17147形成周期为1.5s的m序列PN1(t)
N1=10.23X106X1.5=15.345X106位
两个移位寄存器分别采用反馈点八进制编码17673和11435形成两个m序列
但码位比PN 1(t)多37个码元15.345X106
因此P码为 P(t)= PN 1(t) PN2(t+n i n i
相应的周期数为: Tp=N/fp=267 天 , (若38周)
在P(t)中, n i可取0,1,2,…,36ÔÚʵ¼ÊÓ¦ÓÃÖм´¹æ¶¨ÂëP(t))在每星期六午夜零时置全状态作为起始点
作为P码32个供GPS卫星使用
这样保证GPS正常工作的唯一性
所以在不知道P码结构的情况下
由于在试验期间
生产出P码接收机美国国防部又实行了AS政策
且绝对禁止非特许用户使用
ｓ若两个序列的码元测量误差为码宽的1/10…此时相应的测距误差为2.93为C/A码测距误差的1/10P 码为精测码
全天候测站无须通视
并且所有成果均通过数据来实现
所以GPS已被广泛用于社会生活的各个领域交通
国防环报定时等
目前
下面简要介绍GPS定位系统在陆地自主车和半自主遥控靶车项目中应用
4.1 GPS在陆地自主车项目中的应用
移动式机器人是一种能够在各种环境中自主或半自主移动的智能机器人路径点的获取就是由GPS定位系统提供的采用差分GPS接收方法
在实验期间体会最深的是
由于当时正值我军在北京附近进行大型军事演习
结果我们实验无法正常进行
GPS定位系统的作用是在遥控状态或遥控示教再现状态下保证靶车不超过预定的边界
采用单接收机
用NEMA无线通讯码
GPGGA,XX,XXX,XXXX,XX*hh
ÔÙ¾-¹ýÏàÓ¦µÄ»»Ëã
´Ó¶ø¿ÉÒÔ¿ØÖưгµ²»³¬³öÔ¤¶¨±ß½ç
GPS应用程序设计1999
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