GPS定位设备安装调试讲解

GPS定位原理，利用空间分布的卫星以及卫星到地面点的距 离交会得出地面点位置。 通过通过GPS电文解译出4颗GPS卫星的三维坐标 j j j j 1,2,3,4 ，通过一定的方法测得卫星到接收 （ X , Y , Z ）， 机之间的伪距，伪距方程中包含卫星钟误差、电离层误差、 对流层误差以及接收机钟差，其中卫星钟误差、电离层误 差、对流层误差可以进行修正，而接收机钟差只能作为未 知参数一起求解。所以需要求解4个未知数。
导航电文的格式：
30s
1 2 3 4 6s 5
10个字
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
30比特
0.6s 0.02s
25页
一帧导航电文的内容
一个子帧6s长，10个字，每字30比特
1 2 3 4 5
TLM
HOW
数据块—1时钟修正参数
TLM TLM TLM
TLM
HOW HOW HOW
HOW
数据块—2星历表 数据块—2星历表继续 数据块—3卫星历书等
卫星信号的解调
为进行载波相位测量，当用户接收到卫星发播的信 号后，可通过以下两种解调技术来恢复载波相位。 （1）复制码与卫星信号相乘：由于调制码的码值是 用1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号 与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码 信号完全相同的测距码），在两码同步的条件下 相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来 的载波。但此时恢复的载波尚含有数据码即导航 电文。这种解调技术的条件是必须掌握测距码的 结构，以便产生复制码。
主控站对测距数据进行包括电离层、对流层、相对论效应、 天线相位中心的偏移以及地球自转和时钟改正等的传播时 间延迟改正，并用卡尔曼滤波器进行连续数据平滑及最小 二乘与多项式拟合，以提供卫星的位置和速度的六个轨道 根数的摄动，每个卫星的三个太阳压力常数、卫星的时钟 偏差； 最后注入站将主控站的导航电文注入到卫星的存储器中。
GPS定位原理
设在地面待测点P处安置GPS接收机，在ti时刻该接收
1 2 3 4
机接收4颗GPS卫星发射的信号，同时测得P点至4颗 GPS卫星 S , S , S , S 的距离 psr 1 , psr 2 , psr 3 , psr 4 ， 用距离交会的方法求解P点的三维坐标（X，Y，Z）的 求解方程为： ( X X 1 ) 2 (Y Y 1 ) 2 ( Z Z 1 ) 2 ct
设备的安装与调试 北京神州祥升软件有限公司 郑瑞国
GPS系统组成
GPS技术的特点
●观测站之间无需通视。 ●定位精度高。 ●观测时间短。 ●提供三维坐标。 ●操作简便。 ●全天侯作业。
地面监控
地面监控
每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统 提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星 是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监 测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫 星处于同一时间标准――GPS时间系统。
主控站的作用
主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算和传播 设备，作用如下： 1：收集数据：收集各监测站获得的伪距和伪距差观测值，卫星 时钟、气象参数和工作状态等； 2：数据处理：根据收集到的数据计算各卫星的星历，时钟改正， 卫星状态和大气传播改正。并将这些数据按照一定格式编成 导航电文，并及时将导航电文传给注入站。导航电文的作用 即在于获得卫星的坐标； 3：时间协调： 各测站和GPS卫星的原子钟均应与 监控站的原 子钟同步，或测出其间的钟差； 4：控制卫星：修正卫星的运行轨道，调用备用卫星更换失效卫 星；


GPS卫星
GPS卫星的主要作用


接收地面注入站发送的导航电文和其他信号；
接收地面主控站的命令，修正其在轨运行偏差及启用备用 设备等； 连续地向用户发送GPS卫星导航定位信号，并用电文的形 式提供卫星的现势位置与其他在轨卫星的概略位置； GPS卫星关键在于卫星的寿命要长，时间精度要高。
GPS卫星的导航电文（数据码）
1.导航电文及其格式 导航电文是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码等导航信息的数据码（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。 每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字， 每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。 为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、 2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。主帧中1、2、 3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入 新的导航电文后才得以更新。
将接收机时钟差作为一个未知量求解原因： 1．接收机钟差一般难以预料； 2．接收机钟差对测量定位精度产生的影响非常大，远 大于其它实时传输误差所造成的影响。
GPS定位原理
美国成功发射 第九颗GPS IIF卫星
美国东部时间3月25日下午14点36分，一枚美国联合发
射同盟(ULA)的德尔塔IV型火箭从弗罗里达州卡纳维 拉尔角空军基地发射升空，将美国空军的最新一颗全 球定位系统卫星GPS IIF-9送入了预定轨道。GPS IIF-9 卫星是波音公司研发的12颗卫星中的第9颗，预计2016 年年初，12颗卫星将全部发射升空。 随着GPS IIF-9的发射，Block IIF批次的GPS卫星会继 续增多，计划今年6月，9月和明年1月发射最后三颗 IIF批次的GPS卫星。从2017年开始，将启用下一代 GPS卫星-GPS Block IIIA，此后，美国的GPS布网频率 将会逐渐加快，而卫星的定位精度将会更高、抗干扰 能力更强。 （来源：3sNews 编辑：陈飚）
卫星信号的解调
（2）平方解调技术：将接收到的卫星信号进行平 方，由于处于+1状态的调制码经过平方后均为+1， 而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后， 可达到解调目的。采用这种方法，可不必知道调 制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信 号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文。
GPS定位原理
其中 表示接收机的钟差，c表示光速。
GPS定位原理
i psri (Tiono c Ttrop c Trelav c t c Rnoise )
Tiono 电离层延迟误差
Ttrop 对流层延迟误差
Rnoise接收机内部噪声造成的距离偏差。
GPS定位原理
卫星的载波信号与调制
204600
基本频率 10.23MHz
10
L1载波
C/A码 1.023MHz
P码 10.23MHz
数据码 50BPS
154
1575.42MHz
120
L2载波
1227.60MHz
P码 10.23MHz
数据码 50BPS
卫星的载波信号与调制
从上图中可见，GPS卫星取L波段的两种不同电磁波频率 为载波，L1载波频率为1575.42MHz，波长为19.03cm； L2载波频率为1227.60MHz，波长为24.42cm。在L1载波 上，调制有C/A码、P码（或Y码）和数据码； L2载波 上，只调制有P码（或Y码）和数据码。 在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低 的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信 号称为调制信号。 GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波 上，且调制码的幅值只取0或1。如果码值取0，则对应 的码状态取+1；而码值取1时，对应码状态为-1，载波 和相应的码状态相乘后，即实现了载波的调制。
监控站的作用
监控站是无人值守的数据采集中心，其位置经精 密测定；主要设备包括 1台双频接收机，1台高精度原 子钟，1台电子计算机和若干台环境数据传感器。 作用如下：
利用接收机求出卫星相对其原子钟的伪距和伪距差 利用原子钟获得时间标准
利用环境传感器得到当地的气象数据
然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态传给
主控站。
注入站的作用
注入站是无人值守的工作站，设有3.66m的抛物面 天线，1台C波段发射机和一台电子计算机。 其作用是将主控站编制的导航电文等资料以既定 的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发射。
地面监控系并 将这些测距数据以及气象数据、卫星状态数据等 发送到主 控站；
GPS接收机
GPS的测距码
GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y 码），均属于伪随机码。 （1）C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。 码长Nu=210-1=1023比特，码元宽为tu=1/f1=0.97752s, （ f1为基准频率f0的10分之1，1.023 MHz）,相应的距离 为293.1m。周期为Tu= Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。 C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速 度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。 码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度 的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低， 又称粗码。
数据块—3卫星历书等
1帧 30s 1500 比特
导航电文
（1）遥测字（TLM—Telemetry WORD） 位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。 （2）交接字（HOW—Hand Over Word） 紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码 的Z记数。所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零 时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时。 （3）数据块1：含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期 的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等信 息。 •卫星钟改正参数a0、a1、a2分别表示该卫星的钟差 、钟 速和钟速变化率。任意时刻t的钟改正数为t=a0+a1(tt0e)+a2(t-t0e)2。