GPSppt-3全球定位系统组成及信号结构

1、GPS原理及其应用原理及其应用主要内容主要内容3.1 GPSGPS系统由三部分组成系统由三部分组成空间部分空间部分地面控制部分地面控制部分用户设备部分用户设备部分1 1、空间部分、空间部分6个轨道面个轨道面平均轨道高度平均轨道高度20200km轨道倾角轨道倾角55 周期周期12h （顾及顾及 地球自转，地球地球自转，地球- -卫星卫星 的几何关系每天提前的几何关系每天提前 4min重复一次）重复一次）设计星座：设计星座：21+3保证在每天保证在每天24小时的任何时刻，在小时的任何时刻，在高度角高度角15 以上，能够同时观测到以上，能够同时观测到4 4颗以上卫星颗以上卫星GPS卫星卫星n作用：作

2、用：接收、存储导航电文接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。n 主要设备主要设备太阳能电池板太阳能电池板原子钟（原子钟（2台铯钟、台铯钟、2台铷钟）台铷钟）信号生成与发射装置信号生成与发射装置GPS卫星卫星试验卫星：试验卫星：Block 工作卫星：工作卫星：Block （存储星历能力

3、为（存储星历能力为14天，具有天，具有SA和和AS地能力）地能力）Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星：卫星间可相互通讯，存储星历能力为历能力为180天，天，SVN35和和SVN36带有激光反射棱镜带有激光反射棱镜Block R （Replacement/Replenishment ）：）：卫星间可相互跟踪相互通讯卫星间可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的：新一代的GPS卫星卫星，增设第增设第三民用频率三民用频率Block II RBlock II ABlock II ABlock II RBlock II FBlock II R2 2、

4、GPS的地面监控部分的地面监控部分 u组成组成主控站：主控站：1个个监测站：监测站：17个个注入站：注入站：3个个通讯与辅助系统通讯与辅助系统监控站监控站注入站注入站主控站主控站夏威夷夏威夷科罗拉多科罗拉多阿松森群岛阿松森群岛迭哥伽西亚迭哥伽西亚卡瓦加兰卡瓦加兰u主控站（主控站（1个）个）n作用：作用：l管理、协调地面监控系管理、协调地面监控系 统各部分的工作；统各部分的工作；l收集各监测站的数据，收集各监测站的数据， 编制导航电文，送往编制导航电文，送往 注入站将卫星星历注入卫星；注入站将卫星星历注入卫星；l监控卫星状态，向卫星发送控制指令；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；l卫星维护与异常

5、情况的处理。卫星维护与异常情况的处理。n地点：美国科罗拉多州的联合空间中心。地点：美国科罗拉多州的联合空间中心。u监测站（监测站（1717个）个）n作用：作用：接收卫星数据，采接收卫星数据，采集气象信息，并将集气象信息，并将所收集到的数据传所收集到的数据传送给主控站。送给主控站。n地点：地点：夏威夷、主控站、夏威夷、主控站、三个注入站等。三个注入站等。u注入站（注入站（3 3个）个）n作用：作用：将导航电文注入将导航电文注入GPS卫星。卫星。n地点：地点：阿松森群岛（大西阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）加兰（太平洋）3 3、 GPS

6、的用户部分的用户部分u组成组成用户用户接收设备接收设备u接收设备接收设备GPS信号接收机信号接收机其它仪器设备其它仪器设备GPSGPS信号接收机信号接收机u组成组成n天线单元天线单元收天线收天线前置放大器前置放大器n接收单元接收单元信号通道信号通道存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源电源接收天线接收天线接收机接收机u分类分类根据用途：导航型接收机、测量型接收机、授时接收机根据用途：导航型接收机、测量型接收机、授时接收机接收频率：单频率接收机、双频接收机接收频率：单频率接收机、双频接收机GPSGPS信号接收机信号接收机天线单元天线单元u类型：类型：单极天线单极天线微带天线微带

7、天线锥形（螺旋）天锥形（螺旋）天线线 背腔平面盘旋天背腔平面盘旋天线线u天线特性天线特性平均相位中心与平均相位中心与几何中心几何中心天线高天线高 标志标志至平均相位中心至平均相位中心所在平面的垂直所在平面的垂直距离距离单极天线单极天线微带天线微带天线四丝螺旋天线四丝螺旋天线空间螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线 sincos rYYrXX平平均均相相位位中中心心几几何何中中心心平平均均相相位位中中心心几几何何中中心心L2的平均相位中心的平均相位中心 1 2L1的平均相位中心的平均相位中心r1r2HHHHhHRhHHH 22RTrimble5700接收机主要部件接收机主要部件天

8、线天线主机主机手簿手簿前面板前面板顶面板顶面板底面板底面板后面板后面板主机组成主机组成按钮按钮指示等指示等闪存卡闪存卡/ /USB门扣门扣数据按钮数据按钮电源按钮电源按钮记录记录/ /记忆记忆LED卫星跟踪卫星跟踪LED无线电台无线电台LED电池电池LED手簿、事件手簿、事件标记或电脑标记或电脑外接电源、电脑、外接电源、电脑、1PPS或事件或事件外接无线电、电外接无线电、电源、基准站电台源、基准站电台GPS天线天线无线电台无线电台内置电池内置电池内置电池舱内置电池舱闪存闪存/ /USB门门USBUSB端口端口闪存闪存卡卡南方南方S86按钮：按钮：重置按钮重置按钮F1按钮按钮F2按钮按钮电源按钮

9、电源按钮指示灯：指示灯：TX 发射信号灯发射信号灯RX 接收信号灯接收信号灯BT 蓝牙灯蓝牙灯DATA 数据传输灯数据传输灯液晶显示屏液晶显示屏(4) (4) 插卡处插卡处(5)(5)通讯电缆接口，通讯电缆接口，5 5针孔针孔(6)(6)外接电源接口，外接电源接口，7 7针孔针孔(7)(7)充电器接口，充电器接口，4 4针孔针孔3.2 二体问题及卫星无摄轨道参数二体问题及卫星无摄轨道参数 研究两个质点在万有引力作用下的相对运动问研究两个质点在万有引力作用下的相对运动问题，在天体力学中称为二体问题。题，在天体力学中称为二体问题。 在摄动力的作用下，卫星的运动称为在摄动力的作用下，卫星的运动称为受

10、摄运动受摄运动，相应的卫星轨道称为相应的卫星轨道称为受摄轨道受摄轨道；而理想下的；而理想下的卫星轨道，称为卫星轨道，称为无摄轨道无摄轨道。1 1、二体问题下的卫星运动方程、二体问题下的卫星运动方程卫星受地球引力卫星受地球引力F FS S，地球受卫星引力，地球受卫星引力F Fe e，则：，则：rrrmMGFFSe 2根据牛顿第二定律，卫星和地球的运动方程为：根据牛顿第二定律，卫星和地球的运动方程为：rrrmMGdtrdMrrrmMGdtrdm22222212(地球地球)(卫星卫星)rrrmGdtrdrrrMGdtrd22222212由此，卫星相对地球的运动方程：由此，卫星相对地球的运动方程：rr

11、rmMGdtrd 222)(地球地球)(卫星卫星) 忽略卫星的质量，令忽略卫星的质量，令 则卫星位置用其坐标分则卫星位置用其坐标分量（量（x x，y y，z z）表示为：）表示为： zrdtzdyrdtydxrdtxd322322322GM 包含包含6 6个个积分积分常数常数 332211)()()(dtctfzdtctfydtctfx解方程解方程 2 2、卫星无摄轨道参数、卫星无摄轨道参数 开普勒第一定律（轨道定律开普勒第一定律（轨道定律) )：卫星沿一个：卫星沿一个椭圆轨道椭圆轨道环环绕地球运行，而绕地球运行，而地球处于椭圆的一个焦点地球处于椭圆的一个焦点上。上。 ab近地点近地点Mmfa

12、 a：椭圆长半轴：椭圆长半轴b b：椭圆短半轴，也可以用偏心率：椭圆短半轴，也可以用偏心率e e表示表示 : :轨道倾角轨道倾角 ：升交点赤经：升交点赤经 ：近地点角距：近地点角距f f : :卫星真近角点卫星真近角点i近地点近地点卫星轨道卫星轨道fM春分点春分点升交点升交点xyziabMa a，b b : 轨道椭圆形状参数轨道椭圆形状参数 、 : 轨道平向参数轨道平向参数 : 轨道椭圆定向参数轨道椭圆定向参数 f : 确定卫星瞬时位置确定卫星瞬时位置ii近地点近地点卫星轨道卫星轨道fM春分点春分点升交点升交点xyz3 3、真近点角的计算、真近点角的计算ab近地点近地点M0mf平近点角平近点角

13、M, ,假设卫星运动的平均角速度为假设卫星运动的平均角速度为n, ,则：则：M = n ( t - t0 )偏近点角偏近点角EEEeMEsin eEEeacf cossintan21m3.3 GPS卫星信号结构卫星信号结构GPS卫星发射的信号由三部分组成卫星发射的信号由三部分组成载波载波测距码测距码导航电文导航电文1、载波载波u类型类型目前目前L1 频率频率：154 f0 = 1575.43MHz；波长波长：19.03cmL2 频率频率：120 f0 = 1227.60MHz；波长波长：24.42cm现代化后现代化后 增加增加L5 频率：频率：115 f0 = 1176.45MHz；波长：波长

14、：25.48cmu作用作用搭载其它调制信号搭载其它调制信号测距测距测定多普勒频移测定多普勒频移L119.03cm24.42cmL2u特点特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）1、载波载波2、测距码测距码u作用作用测距测距u性质性质伪随机噪声码伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）不同的码（包括

15、未对齐的同一组码）间的相关系不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为数为0或或1/n（n为码元数）为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为对齐的同一组码间的相关系数为101+1-1+1-1相关系数：相关系数：115015 R码完全对齐码完全对齐+1-17个码元相同个码元相同, 8个码元不相同个码元不相同相关系数：相关系数：067. 01587R+1-1错开错开1个码元个码元+1-17个码元相同个码元相同, 8个码元不相同个码元不相同相关系数：相关系数：067. 01587R+1-1错开错开2个码元个码元10R(t)t0101u 测距码生成方法测距码生成方法：通过多级反馈移位寄存器产生通过多

16、级反馈移位寄存器产生m m序列序列寄存器寄存器1寄存器寄存器2寄存器寄存器3寄存器寄存器4输出输出1111011100110001100000101111000010010011寄存器寄存器1寄存器寄存器2寄存器寄存器3寄存器寄存器4输出输出1100011010110101101011100011010110111112、测距码测距码u类型类型目前目前C/A码（码（Coarse/Acquisition Code） 粗码粗码/捕获码；捕获码；P（Y）码（）码（Precise Code） 精码；精码；现代化后现代化后在在L2上调制上调制C/A码码在在L1和和L2增加调制增加调制M码码C/A码码 码

17、率码率 1.023MHz； 周期周期 1ms1周期含码元数周期含码元数 1023码元宽度码元宽度 293.05m调制载波调制载波 L1P码码码率码率 10.23MHz周期周期 7天天1周期含码元数周期含码元数 6187104000000码元宽度码元宽度 29.30m调制载波调制载波 L1、L2u特性特性基准频率基准频率10.23MHzL11575.42MHzC/A Code1.023MHzP-Code10.23MHzL21227.60MHzP-Code10.23MHz1015412050 BPS 卫星电文卫星电文3、卫星导航电文、卫星导航电文u作用作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、：向

18、用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及电离层改正等信息卫星状态信息及电离层改正等信息u组成结构组成结构123541234567891030s6s0.6s1 1帧含帧含5 5个子帧个子帧1 1子帧含子帧含1010个字个字子帧子帧4、5含含25页页1 1字含字含3030bit3、卫星导航电文卫星导航电文u基本内容基本内容第第1子帧子帧第第2子帧子帧第第3子帧子帧第第4子帧子帧第第5子帧子帧遥测字遥测字交接字交接字遥测字遥测字遥测字遥测字遥测字遥测字遥测字遥测字交接字交接字交接字交接字交接字交接字交接字交接字表示码，时延改正，表示码，时延改正，GPS周，数据龄期，星钟改正周，数据龄期，星钟

19、改正星历星历星历星历（多帧多帧) 信息信息（每每25帧中帧中，每每1帧的内容都不同帧的内容都不同）（多帧多帧 ) )历书、健康状况等（每历书、健康状况等（每1帧的内容都不同帧的内容都不同）3、卫星导航电文卫星导航电文u遥测字（遥测字（TLM Telemetry Word）每一子帧的第每一子帧的第1个字个字用作捕获导航电文的前导用作捕获导航电文的前导u交接字（交接字（HOW Hand Over Word）每一子帧的第每一子帧的第2个字个字主要内容：主要内容：Z计数计数3、卫星导航电文卫星导航电文u第一数据块第第一数据块第1子帧的第子帧的第3-22个字个字 WN GPS周周 L2所调制测距码标识符

20、所调制测距码标识符 “10”表示表示C/A码，码，“01”表示表示P(Y)码码 传输参数传输参数 N及卫星状态及卫星状态 TGD 信号在卫星内部的时延信号在卫星内部的时延 星钟数据龄期星钟数据龄期AODC 星钟改正参数星钟改正参数af0（钟偏），（钟偏），af1（钟速），（钟速），af2（钟漂）（钟漂）LtTOCAODC rffftTOCtaTOCtaat 2210)()(3、卫星导航电文、卫星导航电文u第二数据块第二数据块 - - 广播星历广播星历( (星历参数星历参数),),第第2、3子帧子帧,AODE0i0 近地点近地点参考时刻参考时刻TOE卫星轨道（卫星轨道（ ）Ae,Mxyzisic

21、rsrcusucCCCCCCin, ,Ae,0i, ,0 0M,0M3、卫星导航电文卫星导航电文u第三数据块第三数据块 - - 第第4 4、5 5子帧子帧其余其余GPS卫星的概略星历及其工作状态，也称为历书。卫星的概略星历及其工作状态，也称为历书。作用：作用：拟定观测计划拟定观测计划有利于快速跟踪、锁定卫星有利于快速跟踪、锁定卫星4 4、卫星信号的调制、卫星信号的调制第一步：第一步：首先将导航电文调制在测距码上首先将导航电文调制在测距码上第二步：第二步：然后将组合码调制到载波上然后将组合码调制到载波上第一步第一步由于导航电文和测距码都是二进制，调制时采用模二和的办法。由于导航电文和测距码都是二

22、进制，调制时采用模二和的办法。模二和的运算规则：模二和的运算规则：000110101011 如果用如果用1表示二进制的表示二进制的0，用，用-1表示二进制的表示二进制的1，则，则:111111111111 导航电文调制到测距码上导航电文调制到测距码上载波调制的一般方法：载波调制的一般方法：如果如果调制前调制前载波为载波为调幅调幅：振幅：振幅 A 随调制信号的变化而变化随调制信号的变化而变化调频调频：载波频率：载波频率f（角频率（角频率 ）随调制信号的变化）随调制信号的变化而变化而变化调相调相：相位：相位 随调制信号的变化而变化随调制信号的变化而变化)cos(0 tA)(0 t 第二步第二步调频

23、调频 FM (Frequency Modulation)调幅调幅 AM (Amplitude Modulation)GPS卫星信号采用二进制调相法卫星信号采用二进制调相法01010111-1-13.4 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算根据根据广播星历广播星历计算卫星位置计算卫星位置根据根据精密星历精密星历计算卫星位置计算卫星位置1、根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置计算思路计算思路1 1）首先计算卫星在轨道平）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标面坐标系下的坐标; ;2 2）然后将上述坐标分别绕）然后将上述坐标分别绕X轴旋转轴旋转i角、绕角、绕Z轴旋轴旋转转 角，求出卫星在顺角

24、，求出卫星在顺时天球坐标系下的坐标。时天球坐标系下的坐标。3 3）将顺时天球坐标转换到）将顺时天球坐标转换到瞬时地球坐标瞬时地球坐标。iM春分点春分点升交点升交点xyzXYZ 0近地点近地点Mxyzf起始子起始子午面午面XYZ升交点升交点 春分点春分点计算过程计算过程1)1) 计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行的平均角速度2) 计算计算t 时刻卫星的平近点角时刻卫星的平近点角3) 计算偏近点角计算偏近点角)(TOEtnMM 0EeMEsin nnnsmaaGMn 0231433010986004415384WGS/.)(坐标系中为为地球引力常数，在4)计算真近点角计算真近点角5)计算升交距角

25、（未经改正的）计算升交距角（未经改正的）6)计算卫星向径（未经改正的）计算卫星向径（未经改正的） eEEearctgfcossin21fu )cos(Eear 17)计算摄动改正项计算摄动改正项8)进行摄动改正进行摄动改正9)计算卫星在轨道平面坐标系中的位置计算卫星在轨道平面坐标系中的位置) sin() cos() sin() cos() sin() cos(uCuCuCuCuCuCisicirsrcrusucu222222 ioeruttiiirruu )(0uryurxsincos 10) 计算升交点经度计算升交点经度L11) 计算卫星在地球坐标系下的坐标计算卫星在地球坐标系下的坐标etTOEtL )(0 iyLiyLxLiyLxyxiRLRZYXxZsincoscossinsincoscos)()(02、根据精密星历计算卫星位置根据精密星历计算卫星位置精密星历精密星历：按一定时间间隔给出卫星在地球坐标：按一定时间间隔给出卫星在地球坐标 系下的三维位置、三维速度和钟差系下的三维位置、三维速度和钟差。IGS跟踪站分布跟踪站分布* 2007 10 13 0 0 0.00000000 PG01 -6196.009104 15735.157422 20670.910338 159.022963PG02 -88