第5章 卫星导航系统101223

1、1 主要内容主要内容 5.1 5.1 概述概述 5.2 GPS5.2 GPS卫星导航系统卫星导航系统 5.3 GPS5.3 GPS卫星导航定位原理卫星导航定位原理 5.4 GPS5.4 GPS卫星导航仪卫星导航仪 5.5 5.5 差分差分GPSGPS卫星导航系统卫星导航系统 2 5.1 5.1 概述概述 .1 .1 卫星导航系统（卫星导航系统（Satellite Navigation SystemSatellite Navigation System） 19571957年年1010月月4 4日原苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。日原苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。 （1 1）NNSSNN

2、SS卫星导航系统卫星导航系统 海军导航卫星系统（海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite Navy Navigation Satellite SystemSystem）, , 用于美国北极星导弹潜艇导航。用于美国北极星导弹潜艇导航。 19581958年年1212月月 开始研制开始研制 19591959年年发射第一颗试验性卫星发射第一颗试验性卫星 19601960年年4 4月月 发射第一颗导航卫星发射第一颗导航卫星 19641964年年 建成并投入使用建成并投入使用 19671967年年 民用民用 19971997年末年末 终止运作终止运作 3 组成：组成：卫星卫星6

3、 6颗；颗； 轨道：轨道：1100km1100km，倾角，倾角9090，6 6颗卫星分布在颗卫星分布在3 3个轨个轨 道平面内；运行周期道平面内；运行周期106min106min； NNSSNNSS卫星导航系统卫星导航系统 4 .1 .1 卫星导航系统卫星导航系统 （1 1）NNSSNNSS卫星导航系统卫星导航系统 运行规律：运行规律：每颗卫星通过地球上任一点上空约每颗卫星通过地球上任一点上空约4 4 次，次，6 6颗卫星通过地球上任一点上空约颗卫星通过地球上任一点上空约2424次；赤道上次；赤道上 观测卫星的最长时间为观测卫星的最长时间为18min18min，纬度越高，观测卫星，纬度越高，观

4、测卫星 次数越多，可以实现全球、全天候二维定位。次数越多，可以实现全球、全天候二维定位。 缺点：缺点：定位时间长、不连续，不能三维定位。定位时间长、不连续，不能三维定位。 发射频率：发射频率：399.968MHz399.968MHz和和149.988MHz149.988MHz； 定位精度：定位精度：0.10.10.3nmile0.3nmile； 随着随着GPSGPS卫星导航系统的投入运行，卫星导航系统的投入运行，19971997年年NNSSNNSS关闭。关闭。 5 .1 .1 卫星导航系统卫星导航系统 （2 2）GPSGPS卫星导航系统卫星导航系统 运行规律：运行规律：全球任何地方，在地平线全

5、球任何地方，在地平线7.57.5以上以上 至少可以看到至少可以看到4 4颗卫星。能提供全球、全天候、高精颗卫星。能提供全球、全天候、高精 度、连续、实时的三维定位与导航。度、连续、实时的三维定位与导航。 导航星全球定位系统（导航星全球定位系统（Navistar Global Positioning Navistar Global Positioning SystemSystem）于）于19731973年开始研制，年开始研制，19951995年年1010越投入全部运作，历越投入全部运作，历 时时2222年。年。 发射频率：发射频率：1575.42MHz1575.42MHz和和1227.60MHz

6、1227.60MHz； 定位精度：定位精度：1m 1m 30m 30m 100m100m； 组成：组成：工作卫星工作卫星2121颗，备用卫星颗，备用卫星3 3颗，共颗，共2424颗；颗； 轨道：轨道：20183km20183km，倾角，倾角5555，2424颗卫星分布在颗卫星分布在6 6个轨个轨 道平面内；运行周期道平面内；运行周期717.98min717.98min（12h12h）；）； 6 GPSGPS卫星系统组成卫星系统组成 NAVSTAR NAVSTAR全球全球 定位系统（定位系统（GPSGPS） 是一个空基全天侯是一个空基全天侯 导航系统，它由美导航系统，它由美 国国防部开发，用国国

7、防部开发，用 以满足军方在地面以满足军方在地面 或近地空间内获取或近地空间内获取 在一个通用参照系在一个通用参照系 中的位置、速度和中的位置、速度和 时间信息的要求。时间信息的要求。 7 .1 .1 卫星导航系统卫星导航系统 （3 3）GLONASSGLONASS卫星导航系统卫星导航系统 运行规律：运行规律：能提供全球、全天候、高精度、连续、能提供全球、全天候、高精度、连续、 实时的三维定位与导航。实时的三维定位与导航。 原苏联于原苏联于19781978年研制年研制GLONASSGLONASS（GLObal Navigation GLObal Navigation Satellite Syst

8、emSatellite System）系统，于）系统，于19951995年完成计划，是年完成计划，是GPSGPS的等的等 同系统。同系统。 发射频率：发射频率： 1602.56251602.56251615.5MHz1615.5MHz 1246.43751246.43751256.5MHz1256.5MHz； 定位精度：定位精度：水平误差水平误差16m16m，垂直误差，垂直误差25m25m； 组成：组成：工作卫星工作卫星2424颗，备用卫星颗，备用卫星1 1颗，共颗，共2525颗；颗； 轨道：轨道：19100km19100km，倾角，倾角6464，2525颗卫星分布在颗卫星分布在3 3个轨个轨

9、 道平面内；运行周期道平面内；运行周期11h15min11h15min； 8 项目项目GPSGPS系统系统GLONASSGLONASS系统系统 星座卫星数星座卫星数24242424 轨道面个数轨道面个数6 63 3 轨道高度轨道高度2018320183公里公里1910019100公里公里 运行周期运行周期1111小时小时5858分分1111小时小时1515分分 轨道倾角轨道倾角5555度度6565度度 载波频率载波频率 L1:1575.42MHzL1:1575.42MHzL1:1602.56-1615.50MHzL1:1602.56-1615.50MHz L2:1227.60MHzL2:122

10、7.60MHzL2:1246.44-1256.50MHzL2:1246.44-1256.50MHz 传输方式传输方式码分多址码分多址频分多址频分多址 调制码调制码C/A-C/A-码和码和P-P-码码S S码和码和P P码码 时间系统时间系统UTCUTCUTCUTC 坐标系统坐标系统WGS-84WGS-84SGS-E90SGS-E90 SASA20002000年年5 5月月1 1日取消日取消无无 ASAS有有无无 GPSGPS与与GLONASSGLONASS卫星导航系统的比较卫星导航系统的比较 9 .1 .1 卫星导航系统卫星导航系统 （4 4）GNSSGNSS卫星导航系统卫星导航系统 1992

11、1992年年5 5月国际民航组织（月国际民航组织（ICAOICAO）决定建立一个全球）决定建立一个全球 性的位置和时间测定系统。到性的位置和时间测定系统。到20002000年将年将GPSGPS、GLONASSGLONASS、 INMARSATINMARSAT、GAITGAIT及及RAIMRAIM组合成一个混合卫星导航系统。组合成一个混合卫星导航系统。 GAITGAIT为地面增强和完好性监视系统，为地面增强和完好性监视系统，RAIMRAIM为机载独立完为机载独立完 善监控系统。善监控系统。 组成：组成：3030颗中高度卫星，颗中高度卫星，6 68 8颗静止卫星；颗静止卫星； 轨道：轨道：8 8个

12、个1 11.51.5万公里的圆形轨道和万公里的圆形轨道和1 1个椭圆轨道个椭圆轨道 平面内；运行周期平面内；运行周期11h15min11h15min； GNSS GNSS不仅能提供不仅能提供GPSGPS、GLONASSGLONASS类似的定位导航功类似的定位导航功 能，还具有全球卫星移动通信的功能，打破超级大国能，还具有全球卫星移动通信的功能，打破超级大国 独霸卫星导航的局面，有利于实现卫星导航系统所有独霸卫星导航的局面，有利于实现卫星导航系统所有 权、控制权的国际化。权、控制权的国际化。 10 .1 .1 卫星导航系统卫星导航系统 （5 5）中国）中国“北斗北斗”卫星导航系统卫星导航系统 “

13、北斗北斗”导航卫星系统是一种全天侯、全天时提供导航卫星系统是一种全天侯、全天时提供 卫星导航信息的区域性导航系统，通过双星定位方式卫星导航信息的区域性导航系统，通过双星定位方式 工作。用两颗卫星组建导航系统是我国著名科学家陈工作。用两颗卫星组建导航系统是我国著名科学家陈 芳允院士与美国吉奥星公司同时提出的，而中国首先芳允院士与美国吉奥星公司同时提出的，而中国首先 实现了双星的区域性导航定位。实现了双星的区域性导航定位。 组成：组成：2 2颗工作卫星（地球静止卫星）颗工作卫星（地球静止卫星） 1 1颗备用卫星；颗备用卫星； 轨道：地球同步轨道轨道：地球同步轨道 2003 2003年年5 5月月2

14、525日发射的日发射的“北斗北斗-3-3”导航卫星，作为导航卫星，作为 备份星服役。第三颗备份星服役。第三颗“北斗北斗” 卫星与前两颗卫星与前两颗“北斗北斗” 工作卫星组成了完整的具有中国特色的卫星导航定位工作卫星组成了完整的具有中国特色的卫星导航定位 系统，它们将在太空运行系统，它们将在太空运行8 8年。年。 11 .1 .1 卫星导航系统卫星导航系统 （6 6）“伽利略伽利略”卫星导航系统卫星导航系统 欧盟为了减少对美国欧盟为了减少对美国GPSGPS系统的依赖，同时也为了占据系统的依赖，同时也为了占据 未来的卫星导航定位市场，决定发展全球卫星定位系统。经未来的卫星导航定位市场，决定发展全球

15、卫星定位系统。经 过长达过长达3 3年的论证，年的论证，20022002年年3 3月，欧盟月，欧盟1515国交通部长会议一致国交通部长会议一致 决定，启动决定，启动“伽利略伽利略”导航卫星计划。导航卫星计划。 “伽利略伽利略”系统与系统与GPSGPS类似，可以向全球任何地点提供类似，可以向全球任何地点提供 精确定位信号。由于该系统主要针对民用市场，因此在设计精确定位信号。由于该系统主要针对民用市场，因此在设计 之初，把为民用领域提供高精度的定位放在了首要位置。之初，把为民用领域提供高精度的定位放在了首要位置。 定位精度：定位精度：米级；米级； 组成：组成：工作卫星工作卫星2727颗，备用卫星颗

16、，备用卫星3 3颗，共颗，共3030颗；颗； 轨道：轨道：23616km23616km，倾角，倾角5656，3030颗卫星分布在颗卫星分布在3 3个轨个轨 道平面内；运行周期道平面内；运行周期14h14h；每个轨道有；每个轨道有1 1颗备颗备 用卫星。用卫星。 12 伽利略系统体系结构伽利略系统体系结构 13 伽利略计划的组织实施伽利略计划的组织实施 14 5.1 5.1 概述概述 .2 .2 卫星导航系统的特点与分类卫星导航系统的特点与分类 （1 1）卫星导航系统的特点）卫星导航系统的特点 不受地理、气象、时间等条件的限制，可不受地理、气象、时间等条件的限制，可全天候导航全天候导航； 少数卫

17、星即可少数卫星即可覆盖全球覆盖全球； 卫星数目多，可优化选择，提高卫星数目多，可优化选择，提高定位精度定位精度； 可随时显示船舶的经度、纬度和其他数据，可随时显示船舶的经度、纬度和其他数据，使用方便使用方便； 全方位导航全方位导航：地面、水面、水下以及近地、外层空间；：地面、水面、水下以及近地、外层空间； 卫星发射功率小、抗干扰性好、保密性强；卫星发射功率小、抗干扰性好、保密性强； 卫星轨道有漂移，需增加扰动补偿系统；卫星轨道有漂移，需增加扰动补偿系统； 地面工程庞大、设备昂贵；地面工程庞大、设备昂贵；卫星寿命短卫星寿命短； 卫星导航系统容易受到少数国家的卫星导航系统容易受到少数国家的垄断和控

18、制垄断和控制。 15 5.1 5.1 概述概述 .2 .2 卫星导航系统的特点与分类卫星导航系统的特点与分类 （2 2）卫星导航系统的分类）卫星导航系统的分类 按照测量的导航定位参量：测角、按照测量的导航定位参量：测角、测距、测速测距、测速系统；系统； 按照工作方式：按照工作方式： 无源系统无源系统：用户只能接收而不发射无线电信号，对接：用户只能接收而不发射无线电信号，对接 收到的信号进行处理后用以导航和定位；收到的信号进行处理后用以导航和定位； 有源系统：用户可以接收和转发信号。有源系统：用户可以接收和转发信号。 按照卫星运行的轨道高低：按照卫星运行的轨道高低： 低轨道：低轨道：900900

19、2700km2700km； 中轨道：中轨道：130001300020000km20000km； 同步轨道同步轨道：200002000048000km48000km； 16 .2 .2 卫星导航系统的特点与分类卫星导航系统的特点与分类 （2 2）卫星导航系统的分类）卫星导航系统的分类 同步轨道同步轨道：卫星围绕地球公转的速度（或周期）与地：卫星围绕地球公转的速度（或周期）与地 球自转的速度（或周期）同步的轨道；球自转的速度（或周期）同步的轨道； 静止卫星静止卫星：同步轨道和地球赤道面重合时，轨道上的：同步轨道和地球赤道面重合时，轨道上的 卫星相对于地球是不动的，运转周期卫星相对于地球是不动的，运

20、转周期23h56min4.091s23h56min4.091s。 同步卫星高度同步卫星高度：35786.04km35786.04km； 静止卫星速度静止卫星速度：3074.662m/s3074.662m/s； 静止卫星轨道上单位弧长静止卫星轨道上单位弧长：735.904km735.904km； 轨道倾角轨道倾角：0 0 17 .2 .2 卫星导航系统的特点与分类卫星导航系统的特点与分类 （2 2）卫星导航系统的分类）卫星导航系统的分类 按照工作区域：按照工作区域：全球覆盖全球覆盖和区域覆盖；和区域覆盖； 按照工作原理：多普勒型、距离型、按照工作原理：多普勒型、距离型、混合型混合型。 18 5.

21、1 5.1 概述概述 .3 .3 卫星轨道参数卫星轨道参数 （1 1）开普勒定律）开普勒定律 卫星围绕地球运动的轨道是一个椭圆，地球的质心位卫星围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；于这个椭圆的一个焦点上； 在卫星运行的轨道上，卫星与地心的连线即向径，在在卫星运行的轨道上，卫星与地心的连线即向径，在 相同的时间内，卫星向径所扫过的面积相等；相同的时间内，卫星向径所扫过的面积相等； 卫星运行周期的平方和其轨道长半径的立方成正比。卫星运行周期的平方和其轨道长半径的立方成正比。 19 S S O O 北半球北半球 南半球南半球 赤道赤道 P PN N P PS S P

22、P A A 远地点远地点 近地点近地点 N N P P A A N NR R .3 .3 卫星轨道参数卫星轨道参数卫星无摄运动卫星无摄运动 升交点赤经：升交点赤经：RONRON 轨道倾角：轨道倾角：POQPOQ Q Q 极轨道、赤道轨道极轨道、赤道轨道 近地点幅角：近地点幅角：PONPON 轨道长半径：轨道长半径：AP/2AP/2 轨道偏心率轨道偏心率 平近点角平近点角 S S 开普勒方程开普勒方程 20 天球的基本概念天球的基本概念 天球天球 天轴、天极天轴、天极 天球赤道天球赤道 天球子午面天球子午面 黄道黄道 春分点春分点 秋分点秋分点 21 N NR R 地心直角坐标系地心直角坐标系

23、X X Y Y Z Z 黄道黄道 太阳的天球运动轨迹太阳的天球运动轨迹 天赤道天赤道 卫星轨道卫星轨道 春分点春分点R R 秋分点秋分点 升交点升交点N N 22 地心直角坐标系地心直角坐标系 23 地心直角坐标系地心直角坐标系 24 .4 .4 卫星覆盖区卫星覆盖区 卫星可见的地球表面称为卫星覆盖区域或可见区。卫星可见的地球表面称为卫星覆盖区域或可见区。 25 GPSGPS卫星卫星 P P A AB B O O H H R R HR R cos 卫星覆盖区卫星覆盖区 kmR6371 kmH20183 76 26 GPSGPS卫星卫星 P P A AB B O O H H R R HR R c

24、os )cos( 卫星覆盖区卫星覆盖区 5 U U 27 5.2 GPS5.2 GPS卫星导航系统卫星导航系统 GPSGPS卫星导航系统由地面站、导航卫星网和用户设备构成。卫星导航系统由地面站、导航卫星网和用户设备构成。 28 29 .1 GPS.1 GPS地面站地面站 （1 1）跟踪站）跟踪站 设置：夏威夷、科罗拉多的斯普林斯、阿森松岛设置：夏威夷、科罗拉多的斯普林斯、阿森松岛 （南大西洋）、迭戈加西亚岛（印度洋）、马绍尔群岛（南大西洋）、迭戈加西亚岛（印度洋）、马绍尔群岛 的夸贾林环礁（北太平洋）共的夸贾林环礁（北太平洋）共5 5个跟踪站；个跟踪站； 功能：利用精确原子钟和多功能功能：利用

25、精确原子钟和多功能GPSGPS接收机，对卫接收机，对卫 星信息、电离层和气象等环境数据进行测定，并传送到星信息、电离层和气象等环境数据进行测定，并传送到 主控站。主控站。 GPSGPS地面站由跟踪站、主控站和注入站组成。地面站由跟踪站、主控站和注入站组成。 GPS GPS地面站功能：地面站功能：跟踪所有的卫星，测量卫星轨道跟踪所有的卫星，测量卫星轨道 参数和卫星钟误差，预测修正模型参数，星钟同步和参数和卫星钟误差，预测修正模型参数，星钟同步和 向卫星注入新的信息。向卫星注入新的信息。 30 .1 GPS.1 GPS地面站地面站 31 .1 GPS.1 GPS地面站地面站 （2 2）主控站）主控

26、站 设置：科罗拉多州斯普林斯的福尔肯空军基地的设置：科罗拉多州斯普林斯的福尔肯空军基地的 联合空间工作中心。联合空间工作中心。 功能：从各跟踪站收集跟踪数据，对卫星的轨道功能：从各跟踪站收集跟踪数据，对卫星的轨道 参数、时间偏差进行评价，计算出各卫星原子钟的校正参数、时间偏差进行评价，计算出各卫星原子钟的校正 参量、卫星历书、卫星星历、系统状态，再编制成导航参量、卫星历书、卫星星历、系统状态，再编制成导航 信息码，送到注入站。信息码，送到注入站。 32 地面监控系统地面监控系统 .1 GPS.1 GPS地面站地面站 33 .1 GPS.1 GPS地面站地面站 （3 3）注入站）注入站 设置：阿

27、森松岛（南大西洋）、迭戈加西亚岛设置：阿森松岛（南大西洋）、迭戈加西亚岛 （印度洋）、马绍尔群岛的夸贾林环礁（北太平洋）共（印度洋）、马绍尔群岛的夸贾林环礁（北太平洋）共 3 3个注入站；个注入站； 功能：将导航信息注入卫星，每天功能：将导航信息注入卫星，每天1 12 2次。次。 34 .2 GPS.2 GPS导航卫星网导航卫星网 卫星组成卫星组成 轨道高度轨道高度 轨道倾角轨道倾角 运行周期运行周期 发射频率发射频率 35 .2 GPS.2 GPS导航卫星网导航卫星网 卫星的设备组成：卫星的设备组成： 原子钟（卫星钟）：原子钟（卫星钟）：提供定时标准；基准时钟提供定时标准；基准时钟 频率为频

28、率为10.23MHz10.23MHz；稳定度；稳定度1010-13 -13s/d s/d；。；。 导航电文存储器：导航电文存储器：存储注入站发送的信息；存储注入站发送的信息； 伪码发生器：伪码发生器：产生用于测距的伪随机序列码；产生用于测距的伪随机序列码； 接收机、发射机：接收机、发射机：接收地面站用接收地面站用S S波段发送来的波段发送来的 各种数据资料；使用各种数据资料；使用220022002300MHz2300MHz的工作频率将遥的工作频率将遥 测数据发送到地面。测数据发送到地面。 微处理器微处理器 核爆炸监测传感器核爆炸监测传感器 卫星应急通信转发器卫星应急通信转发器 36 .3 GP

29、S.3 GPS导航卫星电文导航卫星电文 卫星电文：卫星电文：是导航卫星预报未来若干小时内卫星是导航卫星预报未来若干小时内卫星 位置等信息的电文。位置等信息的电文。 GPSGPS卫星所发射的信号包括载波信号、卫星所发射的信号包括载波信号、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）等多种信号分量。码）等多种信号分量。 GPS GPS卫星导航电文：卫星导航电文：是卫星向用户提供的导航基准信是卫星向用户提供的导航基准信 息，用户通过相关接收技术接收这些信号，从中解调出息，用户通过相关接收技术接收这些信号，从中解调出 CACA码、码、P P码和导航数据（码和

30、导航数据（D D码）。码）。 主要包括：卫星星历，时钟改正，电离层时延改正主要包括：卫星星历，时钟改正，电离层时延改正 ，卫星工作状态信息以及由，卫星工作状态信息以及由C/AC/A码转换到捕获码转换到捕获P P码的相关码的相关 信息等。信息等。 37 .3 GPS.3 GPS导航卫星电文导航卫星电文 CA CA码和码和P P码：码：主要用于识别卫星和测量导航信号主要用于识别卫星和测量导航信号 的传输时间，统称为测距码。的传输时间，统称为测距码。 导航数据：导航数据：主要用于计算卫星的位置。主要用于计算卫星的位置。 38 .3 GPS.3 GPS导航卫星电文导航卫星电文 （1 1）P P码（码（

31、Precision CodePrecision Code） P P码是一种连续、快速、长周期的伪随即二进制序码是一种连续、快速、长周期的伪随即二进制序 列码，码率为列码，码率为10.23MHz10.23MHz，码周期为，码周期为7d7d。 P P码具有精确的时间和距离测量能力。码具有精确的时间和距离测量能力。 （2 2）C/AC/A码（码（Clear / Acquisition CodeClear / Acquisition Code） C/AC/A码是一低速、短周期的伪随即二进制序列码，码是一低速、短周期的伪随即二进制序列码， 码率为码率为P P码的码的1/101/10，即，即1.023MH

32、z1.023MHz，码周期为，码周期为1ms1ms。 C/AC/A码的距离测量精度较低，具有协助获得码的距离测量精度较低，具有协助获得P P码的码的 能力，因为能力，因为C/AC/A码周期短、码元速率低，容易匹配锁定。码周期短、码元速率低，容易匹配锁定。 39 .3 GPS.3 GPS导航卫星电文导航卫星电文 （3 3）导航电文）导航电文 内容：内容：P P码系统工作状态、系统时间、卫星钟偏差码系统工作状态、系统时间、卫星钟偏差 校正量、卫星星历、卫星历数数据、卫星识别标志以及校正量、卫星星历、卫星历数数据、卫星识别标志以及 与卫星导航有关的其他信息。与卫星导航有关的其他信息。 格式：格式：

33、导航电文采用不归零的二进制码；导航电文采用不归零的二进制码； 连续发射连续发射50bit/s50bit/s，每个二进制码，每个二进制码20ms20ms； 以帧为单元，由以帧为单元，由5 5个子帧组成一个数据帧，由个子帧组成一个数据帧，由2525帧帧 组成一份完整的历书；组成一份完整的历书； 每帧电文需时每帧电文需时30s30s，接收时间为，接收时间为12.5min12.5min。 40 123 45 30s 6s 0.02s 0.6s 25页 10个字 30比特 123456789 10 GPSGPS导航卫星电文的格式导航卫星电文的格式 41 每帧导航电文长每帧导航电文长1500bit1500

34、bit，平均分成，平均分成5 5个子帧，每个子帧，每 个子帧分别含有个子帧分别含有1010个字，每个字个字，每个字30bit30bit，故每个子帧，故每个子帧 共共300bit300bit电文。电文的播发速率为每秒电文。电文的播发速率为每秒50bit50bit，所以，所以 播发一帧电文的时间需要播发一帧电文的时间需要30s30s，而一子帧电文的持续，而一子帧电文的持续 播发时间为播发时间为6s6s。 GPSGPS导航卫星电文的格式导航卫星电文的格式 为记载多达为记载多达2525颗卫星的星历，子帧颗卫星的星历，子帧4 4、5 5各含有各含有2525 页。子帧页。子帧1 1、2 2、3 3和子帧和

35、子帧4 4、5 5的每一页构成一帧，每的每一页构成一帧，每 2525帧电文组成一个主帧。主帧中帧电文组成一个主帧。主帧中1 1、2 2、3 3的内容每的内容每30s30s 重复一次，每小时更新一次，重复一次，每小时更新一次，4 4、5 5的内容仅当给卫星的内容仅当给卫星 注入新的导航电文后才得以更新。注入新的导航电文后才得以更新。 42 TLM HOW数据块1时钟修正参数 TLM HOW数据块2星历表 TLM HOW数据块2星历表继续 TLM HOW数据块3卫星历书等 TLM HOW数据块3卫星历书等 1 2 3 4 5 一个子帧6s长，10个字，每字30比特 1帧 30s 1500 比特 G

36、PSGPS导航卫星电文的格式导航卫星电文的格式 TMLTML（Telemetry WordTelemetry Word）：同步）：同步/ /遥测字遥测字 HOWHOW（Hand Over WordHand Over Word）：转换字）：转换字 30b30b8 8个字个字 43 GPSGPS的伪随机测距码的伪随机测距码 （1 1）码的概念）码的概念 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） 及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制 数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或比数及其组合，称为

37、码。一位二进制数叫一个码元或比 特。比特为码的度量单位。特。比特为码的度量单位。 如果将各种信息如声音、图象和文字等量化，并如果将各种信息如声音、图象和文字等量化，并 按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这 一过程称为编码。一过程称为编码。 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，单位为数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为 bit/sbit/s或记为或记为BPSBPS。 44 GPSGPS的伪随机测距码的伪随机测距码 （2 2）随机噪声码）随机噪

38、声码 既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合，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是一组二进制的数码序列，则这一序列就可以表达成 以以0 0和和1 1为幅度的时间函数。为幅度的时间函数。 假设一组码序列假设一组码序列u(t)u(t)，对某一时刻，对某一时刻t t来说，码元来说，码元 是是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。这种 码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序 列（或随机噪声码序列）。列（或随机噪声码序列）。 它是一种非

39、周期序列，无法复制，但其自相关性它是一种非周期序列，无法复制，但其自相关性 好。而相关性的好坏，对提高利用好。而相关性的好坏，对提高利用GPSGPS卫星码信号进卫星码信号进 行测距的精度，极其重要。行测距的精度，极其重要。 45 GPSGPS的伪随机测距码的伪随机测距码 码序列码序列 46 .1 .1 卫星导航系统；卫星导航系统； .2 .2 卫星轨道参数。卫星轨道参数。 5.1 5.1 概述概述 5.2 GPS5.2 GPS卫星导航系统卫星导航系统 .1 GPS.1 GPS卫星导航系统的组成；卫星导航系统的组成； .2 GPS.2 GPS导航卫星网；导航卫星网； .3 GPS.3 GPS导航

40、卫星电文。导航卫星电文。 回顾回顾 47 思考思考 P318P318：1 1、2 2、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9、1111； 课后练习题：课后练习题： 重点思考问题：重点思考问题： P318P318：1 1、4 4、8 8、9 9。 48 5.3 GPS5.3 GPS卫星导航定位原理卫星导航定位原理 GPS GPS是一种测距定位系统，利用测定高轨道卫星信是一种测距定位系统，利用测定高轨道卫星信 号的传播延时（电波在空间传播的时间）和多普勒频号的传播延时（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，以移，计算出卫星与用户之间的距离、距离变化率

41、，以 精确地测定用户位置（三维）、速度（三维）和时间精确地测定用户位置（三维）、速度（三维）和时间 参数。参数。 测定出用户到测定出用户到3 3颗卫星的距离可以得到以卫星为球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。就是用户的三维空间位置。 49 .1 .1 卫星定位原理卫星定位原理 GPSGPS卫星导航仪接收其视界内一组卫星信号，从中卫星导航仪接收其视界内一组卫星信号，从中 取得卫星星历、时钟校正参量、大气校正参量等数据，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

42、号的传播延时和多普勒频移。并且测量卫星信号的传播延时和多普勒频移。 根据根据卫星星历卫星星历计算出卫星发射信号时的位置；计算出卫星发射信号时的位置； 根据卫星信号的根据卫星信号的传播延时传播延时和和光速光速的乘积计算出卫的乘积计算出卫 星与用户之间的星与用户之间的“距离距离”； 根据卫星信号的根据卫星信号的传播延时、光速和多普勒频移传播延时、光速和多普勒频移计计 算出用户的三维运行速度。算出用户的三维运行速度。 若用户时钟无偏差，利用若用户时钟无偏差，利用3 3颗卫星可以得到以卫星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为球心，以卫星到用户的距离为半径的3 3个球面，其交个球面

43、，其交 点就是用户的三维空间位置。点就是用户的三维空间位置。 若用户时钟不精确，需要利用第若用户时钟不精确，需要利用第4 4颗卫星计算出用颗卫星计算出用 户的户的时钟偏差时钟偏差。 50 .1 .1 卫星定位原理卫星定位原理 “伪距离伪距离”的概念的概念 由于用户卫星导航仪时钟、卫星钟、电离层以及由于用户卫星导航仪时钟、卫星钟、电离层以及 对流层引起的传播延迟产生的误差，使得卫星导航仪对流层引起的传播延迟产生的误差，使得卫星导航仪 测得的不是用户到卫星的真距离，故称为测得的不是用户到卫星的真距离，故称为“伪距离伪距离”。 误差的修正误差的修正 修正卫星时钟偏差：从卫星的导航信号中提取时修正卫星

44、时钟偏差：从卫星的导航信号中提取时 钟校正参量；钟校正参量； 修正对流层折射误差：从卫星的导航信号中提取修正对流层折射误差：从卫星的导航信号中提取 大气修正参量；大气修正参量； 修正电离层折射误差：利用卫星发射的双频信号修正电离层折射误差：利用卫星发射的双频信号 （1575.42MHz1575.42MHz和和1227.60MHz1227.60MHz）。）。 GPS GPS是无源式卫星导航系统，用户不能发射无线电是无源式卫星导航系统，用户不能发射无线电 信号，只处理接收到的信号，只处理接收到的GPSGPS信号进行导航定位。信号进行导航定位。 51 5.3 GPS5.3 GPS卫星导航定位原理卫星

45、导航定位原理 .2 .2 伪测距和伪测速伪测距和伪测速 )( * SiAiuii ttCtC * i 伪距离；伪距离； i 4 , 3 , 2 , 1i 用户到卫星的真距离；用户到卫星的真距离； u t 用户时钟误差；用户时钟误差； Ai t Si t 卫星信号传播延时误差；卫星信号传播延时误差； 卫星钟与卫星钟与GPSGPS时间误差；时间误差； 52 .2 .2 伪测距和伪测速伪测距和伪测速 222 )()()( SiSiSii ZZYYXX4 , 3 , 2 , 1i 用户观测位置：用户观测位置： 第第i i个卫星位置：个卫星位置：),( SiSiSi ZYX ),(ZYX )()()()

46、( 222* SiAiuSiSiSii ttCtCZZYYXX 方程中的已知参数：方程中的已知参数： 方程中的未知参数：方程中的未知参数： 因此，只要测定因此，只要测定4 4颗卫星的伪距，联立颗卫星的伪距，联立4 4个方程个方程 求解，获得用户三维位置和时钟偏差。求解，获得用户三维位置和时钟偏差。 53 .2 .2 伪测距和伪测速伪测距和伪测速 测量伪距离差测量伪距离差 41 * 4 * 1 42 * 4 * 2 43 * 4 * 3 用户通过测量用户通过测量4 4颗卫星中的每两个卫星的距离差，颗卫星中的每两个卫星的距离差， 得到三个独立方程，即得到三个旋转双曲面，此时用得到三个独立方程，即得

47、到三个旋转双曲面，此时用 户不需要精密时钟就可定位。并且，还可以计算出精户不需要精密时钟就可定位。并且，还可以计算出精 度和卫星原子中同量级的精密时间。度和卫星原子中同量级的精密时间。 54 .2 .2 伪测距和伪测速伪测距和伪测速 dt d i i * * 对方程进行求导：对方程进行求导： u SiSiSi SiSiSiSiSiSi i tC ZZYYXX ZZZZYYYYXXXX 222 * )()()( )()()( 0 Ai t 0 Si t 55 .3 .3 定位计算定位计算 O O X X Y Y Z Z U U S Si i Siiu ),(ZYXU ),( SiSiSii ZY

48、XS 56 .4 GPS.4 GPS定位过程定位过程 （1 1）GPSGPS卫星导航仪根据其存储的卫星导航仪根据其存储的GPSGPS历书，计算历书，计算 卫星的概略位置。初始启动时，卫星的概略位置。初始启动时，GPSGPS卫星导航仪将搜集卫星导航仪将搜集 卫星并存贮历书；卫星并存贮历书； （2 2）GPSGPS卫星导航仪根据推算船位、时间、精度卫星导航仪根据推算船位、时间、精度 几何因子数值，选择仰角大于几何因子数值，选择仰角大于5 5、几何配置较好的、几何配置较好的4 4 颗或颗或3 3颗卫星，进行检测、改选；颗卫星，进行检测、改选； （3 3）GPSGPS卫星导航仪根据微处理器的指令捕捉卫

49、卫星导航仪根据微处理器的指令捕捉卫 星，搜索并同步伪码，之后检测并存贮导航电文；星，搜索并同步伪码，之后检测并存贮导航电文； （4 4）GPSGPS卫星导航仪根据星历计算出卫星发射信卫星导航仪根据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计算出号时的位置，根据卫星信号的传播延时和光速计算出 卫星与用户之间的卫星与用户之间的“距离距离”；根据卫星信号的传播延；根据卫星信号的传播延 时、光速和多普勒频移计算出用户的三维运行速度。时、光速和多普勒频移计算出用户的三维运行速度。 根据测得的伪距，计算用户位置、钟差及速度等数据根据测得的伪距，计算用户位置、钟差及速度等数据 。 57

50、5.4 GPS5.4 GPS卫星导航仪卫星导航仪 航海导航通常使用航海导航通常使用C/AC/A码、单频码、单频GPSGPS卫星导航仪。卫星导航仪。 .1 .1 主要技术性能与功能主要技术性能与功能 （1 1）主要技术性能）主要技术性能 接收频率：接收频率：L L1 1：1575.421575.421MHz1MHz； 接收通道：必须能跟踪接收通道：必须能跟踪4 4颗以上的卫星；颗以上的卫星； 接收码：接收码：C/AC/A码；码； 跟踪速度：跟踪速度：100kn100kn左右；左右； 定位精度：定位定位精度：定位15m15m，速度，速度0.1kn0.1kn。 58 .1 .1 主要技术性能与功能主

51、要技术性能与功能 （2 2）主要功能）主要功能 显示定位的经度、纬度：分辨力为秒；显示定位的经度、纬度：分辨力为秒； 显示导航数据：航迹速、航迹向；方向和航程计算；显示导航数据：航迹速、航迹向；方向和航程计算； 还可显示流速、流向；还可显示流速、流向； 能存储航线设计和航路点及其经纬度；能存储航线设计和航路点及其经纬度； 位置更新时间：位置更新时间：1s1s； 导航数据更新时间：导航数据更新时间：3 35s;5s; 报警功能：偏航、守锚监视、到达转向点区域、故障；报警功能：偏航、守锚监视、到达转向点区域、故障； 设置参数和变更坐标系；设置参数和变更坐标系； 接口功能：按照接口功能：按照NMEA

52、NMEA协议提供输入协议提供输入/ /输入接口；输入接口； 卫星信息、星座预报；卫星信息、星座预报； 三维定位中，高度的精度允许在三维定位中，高度的精度允许在50m50m内波动。内波动。 59 5.4 GPS5.4 GPS卫星导航仪卫星导航仪 .2 GPS.2 GPS卫星导航仪的安装卫星导航仪的安装 安装要求：安装要求： GPSGPS天线避免被大桅、卫星通信天线所遮挡；天线避免被大桅、卫星通信天线所遮挡； 不要安装在雷达垂直波束之内；不要安装在雷达垂直波束之内； 与与DFDF、VHFVHF等天线的距离：等天线的距离： 1m1m； 与与DFDF环状天线的距离：环状天线的距离：3m3m； 与中、高

53、频天线的距离：与中、高频天线的距离：4m4m； 与卫星通信天线的距离：与卫星通信天线的距离：5m5m； 天线接头包扎防潮，远离其它发射天线。天线接头包扎防潮，远离其它发射天线。 GPSGPS卫星导航仪远离其他无线电设备、接地、保险。卫星导航仪远离其他无线电设备、接地、保险。 60 5.4 GPS5.4 GPS卫星导航仪卫星导航仪 .3 GPS.3 GPS卫星导航仪的一般操作方法卫星导航仪的一般操作方法 （1 1）启动）启动 日常启动：日常启动：正常开关机。正常开关机。 热启动：热启动：船位变化不大于船位变化不大于100100英里；英里； 三个月以内进行过通电接收；三个月以内进行过通电接收； G

54、PSGPS导航仪搜集历书后启动。导航仪搜集历书后启动。 冷启动：冷启动：船位变化大于船位变化大于100100英里；英里； 三个月以上没有通电接收；三个月以上没有通电接收； GPSGPS导航仪搜集历书后启动。导航仪搜集历书后启动。 第一次安装第一次安装GPSGPS导航仪；导航仪； GPSGPS历书陈旧或所有数据被清除。历书陈旧或所有数据被清除。 61 .3 GPS.3 GPS卫星导航仪的一般操作方法卫星导航仪的一般操作方法 （1 1）启动）启动 冷启动时的初始化输入：冷启动时的初始化输入： 日期与时间输入：误差不超过日期与时间输入：误差不超过15min15min； 船位经度、纬度：误差不超过船位经度、纬度：误差不超过1 1； 设置设置HDOPHDOP（水平方向精度几何因子）值：（水平方向精度几何因子）值：1010； 输入天线高