【文章內(nèi)容簡介】 24 顆衛(wèi)星組成 (其中有 3 顆備用衛(wèi)星 )5fl，這些衛(wèi)星分布在 6 個軌道面內(nèi)，每個軌道面上有 4 顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對地球赤道面的傾角為 55 度，各軌道平面升交點赤道相差 60 度 ，在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交角距相差 30 度。軌道平均高度約為 ZOZO0mk，衛(wèi)星運行周期為 1lh58mni。因此，同一觀測站上每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前 4mni。每顆衛(wèi)星每天約有 sh 在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時間和地點而異，最少為4 顆，最多可達 n 顆。 GPS 衛(wèi)星在空間的上述配置，保障了在地球任何地點、任何時刻均至少可以同時觀測到 4 顆衛(wèi)星。衛(wèi)星信號的傳播和接收不受天氣的影響，這就是使 GPS 成為一種全球性、全天候的連續(xù)實時定位系統(tǒng)?？臻g部分的 3 顆備用衛(wèi)星在必要的時候，將根據(jù)指令代替發(fā) 生事故的衛(wèi)星工作，這對于保障 GPS 空間部分正常而高效地工作是極其重要的。 GPS 衛(wèi)星的基本功能是 : （ l）接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的指令。 (2)衛(wèi)星上設有微處理器，進行部分必要的數(shù)據(jù)處理工作。 (3)通過星載高精度艷鐘和鉚鐘提供精密的時間標準。 (4)向用戶發(fā)送導航與定位信息。 在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。 廣東 海洋大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 9 地面監(jiān)控部分 GPS 的地面監(jiān)控部分目前由分布在全球的 5 個地面站組成，包括衛(wèi)星監(jiān) 控站、主控站和信息注入站。監(jiān)控站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動采集中心。站內(nèi)設有雙頻 GPS 接收機、高精度原子鐘、計算機和若干環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。接收機連續(xù)觀測 GPS 衛(wèi)星、采集數(shù)據(jù)、監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況。原子鐘提供時間標準。環(huán)境傳感器收集當?shù)赜嘘P的氣象數(shù)據(jù)。所有觀測資料由計算機進行初步處理，在存儲和傳達到主控站，用以確定衛(wèi)星的精密軌道。主控站設在科羅拉多州。主控站除協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作外，其主要任務是 :(1)根據(jù)本站和其他監(jiān)控站的所有觀測資料推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù) 據(jù)傳送到注入站。 (2)提供 GPS 的時間基準。各監(jiān)測站和 GPS 衛(wèi)星的原子鐘均應與主控站的原子鐘向步或測出其鐘差，并把這些鐘差信息編入導航電文送到注入站。 (3)調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預定軌道運行。 (4)啟用備用衛(wèi)星以替代實效的工作衛(wèi)星。注入站現(xiàn)有 3 個，注入站的主要設備包括天線、 C 波段發(fā)射機和計算機，其主要任務是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文和其他控制指令等注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。在整個 GPS 的地面監(jiān)控部分，除主控站外無人值守。各站間用現(xiàn)代化的通信系統(tǒng) 聯(lián)系起來，在原子鐘和計算機的精確控制下自動運行。 用戶設備部分 GPS 的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶廣泛應用該系統(tǒng)進行導航和定位的基礎，而用戶只有通過用戶設備，才能實現(xiàn) GPS 導航和定位的目的。用戶設備的主要任務是接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號，以獲得必要的導航和定位信息及觀測量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理完成導航和定位工作。 用戶設備主要由 GPS 接收機硬件和數(shù)據(jù)處理軟件組成，而 GPS 接收機的硬件一般包括主機、天線和電源。 定位的基本原理 GPS 的基本定位原理是 :衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷 參數(shù)和時間信息，用戶收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置、方向以及運動速度和時間信息。具體如下： GPS 衛(wèi)星在地球坐標系中的位置坐標已知，我們就在地球坐標系中用它來做為一個球心O1，有知道衛(wèi)星到測站的距離 R1，則以它為半徑，可在地球系里面畫出一個球面來。同理，倘若該 GPS 接收機同時能觀測到第二，第三顆 GPS 衛(wèi)星，并由前述步驟算出第二，三顆衛(wèi)星在地球系中的位置 O2， O3 的坐標來，將它們亦作為球心，根據(jù)測站到 O2， O3的觀測距離 R2， R3，再畫出兩個球面來，由于測站要同時滿足既在球面 1 上，又要在球 廣東 海洋大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 10 面和球 面上，則它必定是在三個球面的交點上，這意味找由三個球心 O1， O2， O3 和三個半徑 R1， R2， R3 作出的球面必交與一點。根據(jù)集合原理，在已知球心坐標和半徑的條件下，寫出聯(lián)列的三個球面方程，求得的公共解坐標就一定是觀測站（ GPS 接收機）在地球坐標系中的三維坐標。 另外 ，由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了 用三顆衛(wèi)星確定 用戶的三維坐標 x、 y、 z 外，還要 利用一個衛(wèi)星來求出 衛(wèi)星與接收機之間的時間差 Δt。 如 下 圖所示，每一顆衛(wèi)星連續(xù)不斷地向 GPS 接收機發(fā)送可跟蹤的唯一編碼序列， GPS 接 收機可根據(jù)編碼辨認相關的衛(wèi)星，進而計算出接收機的確切位置和準確時間。 設有四顆衛(wèi)星 1,2,3,4，坐標為 (Xi， Yi， Zi)(i=1,2,3,4)，用戶坐標為 （ Xu， Yu， Zu） Ri 為偽距離，即接收機到衛(wèi)星的距離 Ri=T*Ci； Δ t 是用戶時鐘偏差。 聯(lián)立四個方程得到以上方程組，求解聯(lián)立方程組可求出用戶的三維坐標。此為非線性方程組?？梢圆捎迷S多線性化算法或迭代算法進行解算。 廣東 海洋大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 11 4 信號接收子系統(tǒng) 的廣播信號 的信號結構 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號包括三種信號分量 :載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼 (即導航電文 )。所有這些信號均在同一頻率介 的控制下產(chǎn)生的 151。如 下 圖所示 GPS 利用 L 波段的兩種頻率的信號 Ll 和 LZ 作載波，其頻率分別為 ，目的在于測量和消除因電離層效應引起的延遲誤差。在載波 Ll 調(diào)制有 CA/碼、 P 碼和數(shù)據(jù)碼，而在載波 LZ 上只調(diào)制 P 碼和數(shù)據(jù)碼。GPS 發(fā)射兩種測距碼 :CA/碼和 P 碼，均為偽隨機噪聲碼，簡稱為偽碼。 其中 CA/碼為粗碼，碼結構是公開的，供一般用戶使用，定位精度可達 2040米。 P 碼是精碼，是結構不公 開的保密碼，難于捕獲，易于保密，定位精度可達510 米。 導航電文 導航電文是用戶用來定位和導航的基礎，是由衛(wèi)星信號調(diào)制出來的數(shù)據(jù)碼，包含了衛(wèi)星的星歷、工作狀態(tài)、時鐘改正、電離層時延、大氣折射改正以及由 CA/碼捕獲 P 碼等導航信息。它是由衛(wèi)星信號解調(diào)出來的數(shù)據(jù)碼。這些信息以 50biUs的速率調(diào)制在載頻上，數(shù)據(jù)采用不歸零制困 RZ)的二進制。導航電文采用主幀、子幀、字碼和頁碼格式，每主幀電文長度為 1500bit，傳送速率為 5bit/s，所以發(fā)送一幀電文需要 30s 時間。每幀導航電文包括 5 個子幀，每個子 幀長 6s，共有300bit。第 3 子幀各有 10個字碼，這三個子幀的內(nèi)容每 30s 重復一次，每 廣東 海洋大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 12 hl 更新一次，第 5 子幀各有 25 頁，共有 15000bit。一幀完整的電文共有375000bit，需要 750s 才能傳送完，花費時間達 125min。電文內(nèi)容在衛(wèi)星注入新的數(shù)據(jù)后再進行更新。導航電文的內(nèi)容包括遙測碼 （ TLM)、轉換碼 （ HOW） 、數(shù)據(jù)塊 I、數(shù)據(jù)塊 II 和數(shù)據(jù)塊 III 等 5 部分，其結構示意圖如 下 圖所示。 各部分內(nèi)容如下 : 每一個子幀的第一個字碼都是遙測碼，作為捕獲導航電文的前導。其中所含的同 步信號為各子幀提供了一個同步起點，使用戶便于解釋電文數(shù)據(jù)。 每一個子幀的第二個字碼都是轉換碼，它的主要作用是幫助用戶從已捕獲的C/A 碼轉換到 P 碼。 子幀 1 的第 310 個字碼為數(shù)據(jù)塊 I，它的主要內(nèi)容是 :標志碼 (指明載 波 L2 的調(diào)制波類型、星期序號、衛(wèi)星的健康狀況 )、數(shù)據(jù)齡期、衛(wèi)星時鐘改正系數(shù)。 數(shù)據(jù)塊 II 含在子幀 2 和子幀 3 內(nèi)，它載有衛(wèi)星的星歷，即描述有關衛(wèi)星運行軌道的信息。這是 GPS 定位中最常用的數(shù)據(jù)。 。 數(shù)據(jù)塊 III 含在子幀 5 內(nèi)，它提供 GPS 衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。當接收機捕獲到某顆衛(wèi)星后，利用數(shù)據(jù)塊 m 的信息可以得 到其它衛(wèi)星的概略星歷、時鐘改正、碼分地址和衛(wèi)星狀態(tài)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊 IV 空置，留作備用。 當采用 GPS 進行定位解算時，可通過上述導航電文獲取 GPS 衛(wèi)星的各種軌道參數(shù)，在此基礎上準確計算衛(wèi)星的瞬時位置。 廣東 海洋大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 13 接收模塊 GPS 接收模塊的任務就是從衛(wèi)星廣播信號中解調(diào)出導航電文，然后從導航電文中獲取 GPS 的各種軌道參數(shù)，再根據(jù)前述方程組解算出觀測站的實時位置。 本設計采用 Progin 公司的 SR87 接收模塊，該模塊采用高靈敏度，性能良好的 SiRF III 芯片，能夠跟蹤同時跟蹤多大 20 顆衛(wèi)星。這種模塊非 常適用于手持設備或者車載嵌入式系統(tǒng)中 SR87 主要特點如下： （ 1）采用高靈敏度 SiRF III 芯片組 （ 2） 接收性能良好，能同時跟蹤多大 20 顆衛(wèi)星 （ 3）輸出 TTL 電平信號，遵循 NMEA0183 協(xié)議 （ 4）低功耗 （ 5）平均冷啟動時間低于 42 秒 （ 6）內(nèi)置 1Mb SRAM （ 7）內(nèi)置一塊俚電池，使得模塊能快速定位 （ 8）緊湊封裝（ **7mm3），便于集成 SR87 技術參數(shù) ： 電氣特性 ： 頻率 L1， C/A 碼 通道數(shù) 20 廣東 海洋大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 14 靈敏度 159dBm 位置精度 〈 10meters,2D RMS 坐標系 WGS84 熱啟動 平均 1sec 冷啟動 平均 42sec 響應時間 平均 動態(tài)特性： 海拔高度 18000 米 速度 515 米 /sec 加速度 4G 電源： 輸入電壓 輸入電流 80mA 備份電源 3V 可更換俚電池，可使用 500 小時 天線接口類型 MMCX 通信接口 2 個全雙工串行通信， TTL 電平接口 數(shù)據(jù)輸出協(xié)議 NMEA0183 默認 NMEA GGA， GSA， GSV， RMC（ GLL， VTG 和 ZDA可供選用 1800B/s（其他波特率可供選擇） 8 位數(shù)據(jù)位， 1 位停止位，無奇偶校驗位 外觀尺寸： 廣東 海洋大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 15 引腳說明： Pin1 VDD ~ VDC input Pin2 UART Tx NMEA serial data output Pin3 UART Rx Serial data input Pin4 NC Not connect, must be floating for normal operation Pin5 GND Ground Pin6 LED For GPS status (LED) indication 接收模塊的輸出數(shù)據(jù)格式 Progin SR87 模塊的輸出數(shù)據(jù)采用 NMEA0183 協(xié)議表示。 NMEA 協(xié)議是為了在不同的 GPS（全球定位系統(tǒng)）導航設備中建立統(tǒng)一的 BTCM（海事無線電技術委員會）標準，由美國國家海洋電子協(xié)會（ NMEAThe National Marine Electronics Association）制定的一套通訊協(xié)議。 GPS 接收機根據(jù) NMEA0183 協(xié)議的標準規(guī)范，將位置、速度等信息通過串口傳送到 PC 機、 PDA 等設備。 NMEA0183 協(xié)議是 GPS 接收機應當遵守的標準協(xié)議，也是目前 GPS 接收機上使用最廣泛的協(xié)議，大多數(shù)常見的 GPS 接收機、 GPS 數(shù)據(jù)處理軟件、導航軟件都遵守或者至少兼容這個協(xié)議 NMEA0183 協(xié)議定義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有 $GPGGA、$GPGSA、 $GPGSV、