武汉大学GPS原理与数据处理第2讲全球定位系统组成及信号结构

1、2.1 全球定位系统的组成全球定位系统的组成GPS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 设计星座：设计星座：21+3 周期周期11h 58min（顾及地球自转，地球顾及地球自转，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） 保证在每天保证在每天2424小时的任何时刻，在小时的任何时刻，在高度角高度角1515 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卫星卫星作用

2、：作用：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）在载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。 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 2台铯钟、台铯钟、2 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卫星卫星类型：类型：试验卫星：试验卫星：Block 工作卫星：工作卫星：Bl

3、ock （存储星历能力为（存储星历能力为14天，具天，具有有SA和和AS的能力）的能力）Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存：卫星间可相互通讯，存储星历能力为储星历能力为180天，天，SVN35和和SVN36带有激光反带有激光反射棱镜射棱镜Block R （Replacement/Replenishment）：）：卫星卫星间可相互跟踪相互通讯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，增增设第三民用频率设第三民用频率Block II RBlock II ABlock II ABlock II RBlock II FBlock

4、 II R2 2、 GPSGPS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：5个个注入站：注入站：3个个通讯与辅助通讯与辅助系统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 1个）个）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，

5、向卫星发送控制指令；l 卫星维护与异常情况的处理。卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。u 监测站（监测站（5 5个）个）作用：作用：接收卫星数据，接收卫星数据，采集气象信息，采集气象信息，并将所收集到的并将所收集到的数据传送给主控数据传送给主控站。站。地点：地点：夏威夷、主控站夏威夷、主控站及三个注入站。及三个注入站。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GPSGPS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

6、（太平洋）加兰（太平洋）3 3、 GPSGPS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 天线单元天线单元 接收天线接收天线 前置放大器前置放大器 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、授时根据用途：导航型接收机、测量型接收机、授时接收机接收机 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GPSG

7、PS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 微带天线微带天线 锥形（螺旋）天线锥形（螺旋）天线 背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线u 天线特性天线特性 平均相位中心与几平均相位中心与几何中心何中心 天线高天线高 标志至标志至平均相位中心所在平均相位中心所在平面的垂直距离平面的垂直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的的平均相位中心平均相位中心 1 2L1的平均相位中心的平均相

8、位中心r1r2HHHHhHRhHHH 22RGPSGPS信号接收机厂商信号接收机厂商Trimble5700接收机主要部件接收机主要部件天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

9、存闪存/USB门门USB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) 插卡处插卡处(5)通讯电缆接口，通讯电缆接口，5针孔针孔(6) 通讯通讯/USB接口，接口，7针孔针孔(7)充电器充电器/外接电源外接电源接口，接口，4针孔针孔2.2 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 1、载波、载波u类型类型 目

10、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25.48cmL119.03cm24.42cmL2u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u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所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响层折射影响 选择两个频率可以较好地消除信号的电

11、离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层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）率有关）1 1、载波、载波2 2、测距码、测距码u作用作用 测距测距u性质性质 为伪随机噪声码为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）（）（随机、可准确复制随机、可准确复制） 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为相关系数为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10110R(t)t01012 2、测距码、测距码u类型类型 目前目前 C/A码码（Coarse

12、/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 码率码率 1.023MHz； 周期周期 1ms 1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、L2基准频率基准频率10.23MHzL11575.42MHzC/A

13、 Code1.023MHzP-Code10.23MHzL21227.60MHzP-Code10.23MHz1015412050 BPS 卫星电文卫星电文3 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1235430s123456789106s1帧含帧含5个子帧个子帧1子帧含子帧含10个字个字子帧子帧4、5含含25页页0.6s1字含字含30bit3 3、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

14、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，星钟改正星历星历星历星历（多帧（多帧) 信息（每信息（每25帧中，每帧中，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）123451帧帧3 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 1个字个字用作捕获导航电文的前导用作捕获导航电

15、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，每子帧给一个计数，表示时间计数，每子帧给一个计数，表示时间3 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3-10个字个字WN GPS周周 （1-101-10位）位）L2所调制测距码标识符所调制测距码标识符 “ “10”表示表示C/A码，码，“01”表表示示P(Y)码（码（11-1211-12位）位）传输参数传输参数 N 用户距离误差代表测距精度（用户距离误差代表测距精度（13-16位位）TGD 信号在卫星内部的时延信号在卫星内部的时延星钟

16、数据龄期星钟数据龄期AODC星钟改正参数星钟改正参数a0（钟偏），（钟偏），a1（钟速），（钟速），a2（钟漂）（钟漂）LtTOCAODC 2210)()(TOCtaTOCtaat123451帧帧3 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,MxyzisicrsrcusucCCCCCCin, ,Ae,0i, ,0 0M,0M123451帧帧3 3、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、5子帧子帧其余其余

17、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123451帧帧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：将导航电文调制在测距码上将导航电文调制在测距码上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

18、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 随调制信号的变化而变化随调制信号的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：将组合码调制到载波上将组合码调制到载波上调频调频 FM (Frequency Modulation)调幅调幅 AM

19、 (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010102.3 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。动问题，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，卫星的运动称为受摄受摄运动运动，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；而理想下的卫星轨道，称为理想下的卫星轨道，称为无摄轨道无摄轨道。2.2 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除地球中心引力外，其

20、它的摄动力包括：除地球中心引力外，其它的摄动力包括： 地球非球性及质量分布不均地球非球性及质量分布不均 2km/3h2km/3h 太阳和月亮的引力太阳和月亮的引力 太阳辐射压力太阳辐射压力 大气阻力大气阻力 地球潮汐作用力地球潮汐作用力 磁力磁力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FS，地球受卫星引力，地球受卫星引力Fe，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：rrrmMGdtrdMrrrmMGdtrdm 222222rrrmGdtrdrrrMGdtrd 222222

21、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：rrrmMGdtrd 222)(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，y，z）表示为：）表示为： zrdtzdyrdtydxrdtxd322322322GM包含包含6个积分常数个积分常数( (卫星轨道根数卫星轨道根数) ) 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椭圆轨道轨道环绕地球运行，而环绕地球运行，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Ma ：椭圆长半轴椭圆长半轴b

22、 ：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表示表示 : : 升交点赤经升交点赤经 i ：轨道倾角：轨道倾角 ：近地点角距：近地点角距f : : 卫星真近角点卫星真近角点升交点升交点卫星轨道卫星轨道ifM近地点近地点春分点春分点zxy升交点升交点mfab近地点近地点Mmf升交点升交点a，b : 轨道椭圆形状参数轨道椭圆形状参数 、 : 轨道平面参数轨道平面参数 : 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i升交点升交点卫星轨道卫星轨道ifM近地点近地点春分点春分点zxy3 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

23、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 cossintan21m3aGMn 开普勒第三定律（开普勒方程）（开普勒方程）2.4 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XY1 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

24、旋转i角、绕角、绕Z轴旋转轴旋转 角，求出卫星在顺时角，求出卫星在顺时天球坐标系下的坐标。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xyzZ 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（引力常数和长半轴）计算卫星运行的平均角速度（引力常数和长半轴） （摄动参数）（摄动参数）2) 计算计算t t 时刻卫星的平近点角时刻卫星的平近点角 （参考时刻平近点角）（参考时刻平近点角）3) 计算偏近点角计算偏近点角)(TOEtnMM 0EeME

25、sin 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（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 2、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