GPS原理及其应用(武汉大学)04

1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用 ( (四四) )GPS原理及其应用原理及其应用第二章第二章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构2.2 GPS卫星的信号结构卫星的信号结构GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星信号结构卫星信号结构全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构GPS原理及其应用原理及其应用概述概述 GPS卫星信号的组成部分卫星信号的组成部分 载波（载波（Carrier） L1 L2 测距码（测距码（Ranging Code） C/A码

2、（目前只被调制在码（目前只被调制在L1上）上） P(Y)码（被分别调制在码（被分别调制在L1和和L2上）上） 卫星（导航）电文（卫星（导航）电文（Message） GPS卫星信号的生成卫星信号的生成 关键设备关键设备 原子钟原子钟全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 概述概述GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星的基准频率卫星的基准频率 f0 由卫星上的原子钟直接产生由卫星上的原子钟直接产生 频率为频率为10.23MHz 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频或分频1012020001541575

3、.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffC AfPffHz码码率码码率卫星（导航）电文码率全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星的基准频率卫星的基准频率 GPS原理及其应用原理及其应用载波载波 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 类型类型 目前目前 L1 频率：频率： 154 f0 = 1575.43MHz；波长：；波长：19.03cm L2 频率：频率： 120 f0 = 12

4、27.60MHz；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：25.48cmL119.03c mL224.42c m全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 载波载波GPS原理及其应用原理及其应用载波载波 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

5、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）全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 载波载波GPS原理及其应用原理及其应用测距码测距码 作用作用 测距测距 性质性质 为伪随机噪声码（为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise） 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为系数为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1全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 测

6、距码测距码GPS原理及其应用原理及其应用测距码测距码 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；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；仅被调制在；仅被调制在L1上上 P（Y）码（）码（Precise Code） 精码；码率：精码；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；被调制在；被调制在L1和和L2上上 现代化后现代化后 在在L2上调制

7、上调制C/A码码 在在L1和和L2增加调制增加调制M码码全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 测距码测距码GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息数、卫星状态信息及其它信息 基本结构基本结构.第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第1子帧（第1数据块）(300bits)第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第2子帧（第2数据块）(3

8、00bits)第3子帧（第2数据块）(300bits)第4子帧（第3数据块）(300bits)第5子帧（第3数据块）(300bits)第1主帧(1500bits)第2主帧(1500bits).第1子帧（第1数据块）(300bits).第5子帧（第3数据块）(300bits)第25主帧(1500bits)导航电文全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 基本内容基本内容全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结

9、构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 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 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计数计数全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 第一数据块第一数据块 第第1子帧的第子帧的第310个字

10、个字 内容：内容： WN GPS周周 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”表示表示P(Y)码码 传输参数传输参数N URA 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a0（钟偏（钟偏），），a1（钟速），（钟速），a2（钟漂（钟漂）GDSVLSVTtt1)(LOCttAODC2210)()(ococSVttattaat全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫

11、星（导航）电文 第二数据块第二数据块 第第2、3子帧的第子帧的第310个字个字 内容内容 该发送信号卫星的星历该发送信号卫星的星历 广播星历广播星历 星历参数星历参数AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,000全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 第三数据块第三数据块 第第4、5子帧的第子帧的第310个字个字 内容：所有卫星历书（概略星历）内容：所有卫星历书（概略星历） 第三数据块的内容每第三数据块的内容每12.5分钟重复

12、一次分钟重复一次全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用星历参数详解星历参数详解：轨道长半轴的平方根A全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解为平均角速度其中：参考时刻的平近点角nttnMtMMoe)()(00nnnsmWGSaaGMnn0231433010986005. 384)(系中定义为称为地球引力常数，在平均角速度的计算值：平均角速度的改正值GPS原理及其应用原理及其应用星历参数详解星历参数详解etEt

13、EearctgttEetMtEe)(cos)(sin1)()(sin)()(2真近点角：偏心率oeeoeeoeeoeeoeWoeeWoeoekeWoeoeWoekeWoettttttttGASTtGASTtttGASTtttGASTtGASTtttGASTttGASTGPS)()()()()()()()()()()()()()()(000为升交点赤经，则为升交点经度，为地球自转角速度，设之差周开始时格林尼治赤经与：参考时刻升交点赤经全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解GPS原理及其应用原理及其应用星历参数详解星历参数

14、详解全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解GPS原理及其应用原理及其应用星历参数详解星历参数详解ittiitiioe)()(00：参考时刻的轨道倾角)()(tt未经改正的升交距交：近地点角距)(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()(tCtCtitCtCtrtCtCtuCCCCCCisicrsrcusucisicrsrcusuc轨道倾角的改正项升交距角、轨道向径和弦调和改正的振幅：轨道倾角的余弦和正，弦调和改正的振幅：轨道半径的余弦和正，弦调和改正的振幅：升交距角的余

15、弦和正，：星历参考时刻oet全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解GPS原理及其应用原理及其应用卫星信号的调制卫星信号的调制 模二和模二和 运算规则运算规则 二进制信号：二进制信号：“1”表示二进制表示二进制“0”，“-1”表示表示二进制二进制“1”，则，则000; 110; 101; 011111; 111; 111; 111全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星信号的调制卫星信号的调制GPS原理及其应用原理及其应用卫星信号的调制卫星信号的调制 二进制信号的相位

16、调制二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS调频调频FM调幅调幅AM调相调相PM注：其它调制方式注：其它调制方式全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星信号的调制卫星信号的调制GPS原理及其应用原理及其应用卫星信号的调制卫星信号的调制 GPS卫星信号的调制卫星信号的调制 示意图示意图 卫星信号的调制原理卫星信号的调制原理)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 G

17、PS卫星信号结构卫星信号结构 卫星信号的调制卫星信号的调制GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-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 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标 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- k角，求出卫星在地固系下的坐标角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道参数轨道参数地心升交点xy近地点卫星近地点角距真近点角升交距角全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GP

18、S卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径t0 过近地点时刻e 轨道偏心率地心f 真近点角XY起始子午面 升交点经度kG AST xy全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程计算过程 计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行的平均角速度 计算计算t时刻卫星的平近点角时刻

19、卫星的平近点角 计算偏近点角计算偏近点角03314320()843.986005 10GMnaaWGSmsnnn称为地球引力常数，在系中定义为)()(0oettnMtM)(sin)()(tEetMtE全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程（续计算过程（续） 计算真近点角计算真近点角 计算升交距角（未经改正的）计算升交距角（未经改正的） 计算卫星向径计算卫星向径etEtEearctgtf

20、)(cos)(sin1)(2全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 )()( tftu)(cos1 ()( tEeAtrGPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程（续）计算过程（续） 计算摄动改正项计算摄动改正项 进行摄动改正进行摄动改正 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)( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()(tuCtuCtitu

21、CtuCtrtuCtuCtuisicrsrcusuc)()()()()( )()()( )(0tittiititrtrtrtututuoe)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程（续）计算过程（续） 计算升交点经度计算升交点经度 计算卫星在地固坐标系下的坐标计算卫星在地固坐标系下的坐标oeeoeektttt)()()(0)(si

22、n)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos0)()(tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用精密星历精密星历按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差置、三维速度和钟差* * 2004 1 15 0 0 0.000000002004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 206

23、98.949374 324.533285P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 5 -12628.924