GPS定位系统及信号

1、GPS定位系统与信号1-2-1 GPS系统组成1-2-2卫星运行及卫星星历1-2-3GPS卫星信号及信号的接收复习：空间星座部分GPSGPS空间星座的组成：空间星座的组成：GPSGPS卫星星座卫星星座 24颗卫星（21颗工作卫星+3颗在轨备用卫星）； 6个轨道面； 轨道平均高度20200km（卫星距离地球表面高度）； 轨道倾角55，各轨道面之间相距60； 轨道周期约为12恒星时（11小时58分）； 位于地平线以上卫星颗数4-11颗。1-2-1 GPS系统的组成o GPS定位系统的三大部分： 空间星座部分空间星座部分 GPS卫星星座卫星星座 地面监控部分地面监控部分地面监控系统地面监控系统 用户

2、部分用户部分 GPS 接收机和用户接收机和用户一个主控站：科罗拉多一个主控站：科罗拉多斯必灵司斯必灵司三个注入站：阿松森三个注入站：阿松森(A(Ascencion)scencion) 迭哥迭哥伽西亚伽西亚(Diego Garcia)(Diego Garcia)卡瓦加兰卡瓦加兰(kwajalein)(kwajalein)五个监测站五个监测站=1=1个主控站个主控站+3+3个注入站个注入站+ +夏威夷夏威夷(H(Hawaii)awaii)地面监控站的分布地面监控站的分布 组成组成1.1地面监控部分GPS卫星注入站监测站主控站WWW.1PPT.COM第一PPT PPT模板 PPT素材免费下载阿松森迭

3、哥伽西亚卡瓦加兰科罗拉多夏威夷o一个主控站：科罗拉多斯平士（Colorado Springs）o三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein)o五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)o GPS卫星作为一种动态已知点，其位置可通过卫星发送的“表述卫星运动及轨道参数”的卫星星历算出来，卫星星历时由地面监控系统提供。主控站o 主控站设在美国本土科罗拉多州斯平土主控站设在美国本土科罗拉多州斯平土（Colorado SpringsColorado Springs）n作用：作用：o 收集数据：收集各监测站监测获得的收集数

4、据：收集各监测站监测获得的伪距和伪距和积分多普勒观测值、卫星时钟和工作状态数积分多普勒观测值、卫星时钟和工作状态数据、气象、监测站自身状态以及参考星历据、气象、监测站自身状态以及参考星历等等数据。数据。数据处理：根据收集的数据计算数据处理：根据收集的数据计算各卫星的星各卫星的星历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正等，等，将这些数据按一定格式编制成导航电文，并将这些数据按一定格式编制成导航电文，并将导航电文传送给注入站将导航电文传送给注入站。o 监测与协调：一是承担控制和协调各监测与协调：一是承担控制和协调各监测监测站和注入站站和注入站的工作；二是监测的工作；

5、二是监测整个地面监整个地面监控系统控系统是否正常，检查注入卫星的电文是是否正常，检查注入卫星的电文是否正确，监控卫星是否按预定状态将电文否正确，监控卫星是否按预定状态将电文发送给用户。发送给用户。o 调度卫星：调度卫星：修正修正卫星的运行轨道，卫星的运行轨道，调用调用备备用卫星去接替失效卫星的工作。用卫星去接替失效卫星的工作。主控站星历编算o 第一步：编算参考星历o 第二步：编算注入星历广播星历o 主控站根据监测站对每颗可见GPS卫星的轨道监测数据，编算参考星历。o 依靠参考星历，外推出26小时轨道弧段的全部数据o 这些数据由注入站注入到卫星，再由卫星发送给用户 这些外推出的星历被称为广播星历

6、，也叫做预报星历，精度一般为2040m左右，有时为6080m。精密星历（IGS星历）o 用于测定高精度数据o 官方精密星历:只提供给国内和国外特许用户；o CIGNET国际定轨网：专门测量GPS卫星精密星历；o 全球GPS多用网 例：GIG91网，建立全球近200个跟踪站，观测两星期后提供后处理IGS星历，其精度为5cm。 IGS最终星历是一种易于获取并应用广泛的高精度后处理行李（精密星历）。监控站 监控站是无人值守的数据自动采集中心，其位置经精密测定其主要作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。 监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据。

7、利用环境传感器测出当地的气象数据。数据平滑后，算出每2min间隔的观测值并传送给主控站。监控站的作用监控站的作用 监控站监控站伪距伪距导航数据导航数据气象数据气象数据卫星状态数据卫星状态数据主控站主控站测测量量传传送送监控站监控站设备：监控站设备：一台双频接收一台双频接收机；机；一台高精度原一台高精度原子钟；子钟；一台计算机；一台计算机；若干台环境数若干台环境数据传感器；据传感器；地面监测站 注入站设有3.66m抛物面天线，1台C波段发射机和一台电子计算机。 其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。 注入站是无人值守的工作站，整个地面监控部分，除

8、主控站外均无人值守。监控系统工作程序 注入站注入站作用o 将导航电文注入卫星中o 每天注入一次o 每次为14天的卫星星历 因此，即便是地面监控系统停止注入，卫星仍能继续发送导航电文14天，但时间越长，精度越低。地面监控系统工作流程 GPSGPS卫星星座卫星星座 由空间运行的多颗卫星按一定的规则组成的GPS卫星星座。1.2空间卫星部分GPS卫星编号方式o 按卫星发射的先后顺序编号；o 根据GPS卫星所采用的伪随机噪声码PRN编号；o 根据美国和加拿大联合组成的北美空军指挥部给定的内部距离操作码IRON编号；o 根据美国航空航天局在其序列文件中编的NASA编号；o 根据卫星发射年代与该年代中的发射

9、序列编的识别号。PRN编号用于导航定位识别码用于供用户查询卫星有关数据GPS卫星运行轨道 GPS卫星运行轨道近于圆形，轨道平均高度20200km（卫星距离地球表面高度）； 轨道倾角55，各轨道面之间相距60，轨道周期约为12恒星时（11小时58分）； GPS卫星升起地平线10以后可用于定位测量，GPS实际观测弧段为132。o 思考：GPS卫星轨道的高度为什么在2万多KM？工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道，一方面是为了增大覆盖面积，另一方面是为了使覆盖均匀，从而达到信号强度均匀、接收时间也均匀的目的GPS卫星的主要作用：o 在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10cm波段

10、）发送到卫星的导航电文和其他信号；o 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，修正其在轨运行偏差及启用备用时钟等；o 用L波段两个无线载波(19cm波段和20cm波段)连续不断的向广大用户发送导航定位信息，并用导航电文的形式提供卫星自身的现势位置与其他在轨卫星的概略位置，以便用户接收使用。24GPSGPS卫星卫星 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 类型类型 试验卫星：试验卫星：Block Block 工作卫星：工作卫星：Block Block Block Block ：存储星历能

11、力为：存储星历能力为1414天，具有天，具有SASA和和ASAS地能力地能力Block A Block A （AdvancedAdvanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180180天，天，SV35SV35和和SV36SV36带有激光反射棱镜带有激光反射棱镜Block R Block R （Replacement/ReplenishmentReplacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通）：卫星间可相互跟踪相互通讯讯Block FBlock F（Follow OnFollow On）：新一代的）：新一代的GPSGPS卫星卫

12、星, ,增设第三民用频率增设第三民用频率 改善卫星改善卫星Block Block （计划在（计划在20142014年要发射年要发射 ）25o GPS卫星最根本的作用就是向用户发送用户所需要的信号和电文。既然如此，对卫星的寿命长短和时间的精确度就必须高度重视。GPS工作卫星的设计寿命是七年半，但从实验卫星的工作情况来看，使用寿命一般都会超过甚至远远超过设计寿命。GPS 卫星改进GPS卫星（试验卫星）28Block 卫星Block 试验卫星也称原型卫星，卫星重774KG，设计寿命为5年。GPS卫星（工作卫星BLOCK,BLOCKA,BLOCKR,BLOCKF）29Block 卫星BLOCK卫星重约

13、1.5T，设计寿命为7.5年，平均使用时间预期为6年。观测条件 GPS卫星的空间布局和运行速度决定了地面观测者具备下列观测条件： （1）同一卫星每天可提前四分钟出现，其在地平线以上的可见运行时间为五小时。 （2）由于观测者所处的位置和时间的不同，可同时观测的卫星个数也各异，但最少能观测到4颗卫星，最多可观测到11颗。 o （3）GPS定位精度与被观测卫星的位置分布有关。对于只能观测到4颗卫星的情况，因在这一时间段内别无选择，其定位精度一般较差，这个短暂的时间段称为“时间间隙段”。在时间间隙段内须用新型的GPS/GLONASS集成式接收机同时接收GPS信号和GLONASS信号才能消除“间隙段”的

14、影响。“间隙段”仅出现在极少数地区，而广大范围内不会出现这种情况。1.3用户接收部分 用户设备部分 用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。GPS信号接收机机内软件数据后处理软件 GPS GPS接收机一般包括主机、天线单元和电源。接收机一般包括主机、天线单元和电源。 天线单元：由天线和前置放大器组成，天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。灵敏度高，抗干扰性强。 接收机主机由变频器、信号通道、微处接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。理器、存储器及显示器组成。电源电源

15、: : 分为外接和内接电池（分为外接和内接电池（12V12V），机内），机内还有一锂电池。还有一锂电池。GPS接收机GPSGPS信号接收机信号接收机 GPS接收机GPS软件 软件部分是构成现代GPS测量系统的重要组成部分之一。一般来说，软件包括内软件和外软件。内软件是指装在存储器内的自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件或固化在中央处理器中的自动操作程序等。这类软件已和接收机融为一体。而外软件主要是指GPS观测数据后处理软件包 。GPS仪器厂家 目前生产GPS测量仪器的厂家有几十家，产品有几百种，但拥有较为成熟产品的不外乎几家，在我国测绘市场占有份额较大的有Trimbl

16、e（天宝）、Leica（莱卡）、Ashtech（阿什泰克）、Javad（Topcon）、Thales（DSNP）加拿大诺瓦太（NoVAteL）等。 图片：Trimble接收机图片：徕卡(Leica)接收机图片： Ashtech 、 JAVAD、 Thales 接收机按用途按用途按接收机结按接收机结构分类构分类 按接收机作业按接收机作业模式模式按载波频率按载波频率 GPS接收机分类分体式接收机、整体式接分体式接收机、整体式接收机、手持式接收机收机、手持式接收机图片：大地型GPS接收机单频机 L1双频机L1+L2图片：导航型GPS机手持型GPS机图片：GPS与GLONASS兼容的接收机464748

17、带电子地图的导航型GPS接收机知识点回顾 GPS系统组成； GPS卫星的作用； GPS地面监控部分的组成； 地面监控系统各部分的功能。1-2-2 卫星运行及卫星星历2.1 卫星的运行2.2 卫星星历知识回顾 GPS系统的组成部分 地面监控部分的组成部分 主控站的作用 空间卫星部分的作用2.1 卫星的运行主要内容： 理想情况下的卫星运动 开普勒定律 卫星运行的轨道参数 真近点角V的计算 卫星的受摄运动（摄动力对卫星的影响）概 述问题的提出 研究GPS轨道运动理论是运用GPS卫星定位的必须条件； 描述卫星空间运行轨迹需要卫星轨道参数； 轨道参数取决于卫星所受各种力的作用。 因此，研究卫星的受力是研

18、究卫星运动轨迹的基础。GPS定位对轨道精度的要求： 利用GPS卫星进行定位，要求达到目10-7的相对定位精度，则要求GPS卫星定轨的精度达到2m。交付民用的广播星历轨道误差为30m，对GPS基线测量的影响为1.2 10-6。对于高精度定位，必须提高卫星定轨精密。 对于卫星的精密定位来说 ，在只考虑地球质心引力的情况下计算卫星的运动状态是不能满足精度要求的，必须考虑摄动力对卫星运动状态的影响。2.1.1理想情况下的卫星运动 所谓理想情况下的卫星运动是将地球视作匀质球体，且不顾其他摄动力的影响，卫星只是在地球质心引力作用下而运动。研究意义： 卫星运动的第一近似描述； 唯一能得到严密分析解的运动；

19、全部作用下的卫星运动更精确解的基础。2.1.2开普勒定律开普勒（Johannes Kepler）国籍: 德国生卒日期: 1571.12.27 1630.11.15主要成就: 发现了行星运动三定律卫星在地球引力场中的无摄运动成为开普勒运动，其规律颗用开普勒三要素描述。 开普勒第一定律 卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆有固定的形状和大小，椭圆的一个焦点与地球质心重合。此定律阐明了卫星运行轨道的基本形态及其与地心的关系。由万有引力定律可得卫星绕地球质心运动的轨道方程。r为卫星的地心距离，a为开普勒椭圆的长半径，e为开普勒椭圆的偏心率；v为真近点角，它描述了任意时刻卫星在轨道上相对近地点的位置，是时间的

20、函数。veearcos1)1 (2abMms近地点远地点Vr 开普勒第二定律 卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。 依据能量守恒定理，卫星运动过程中动能和势能为一常量，由此表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。近地点地心远地点 开普勒第三定律 卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，等于GM的倒数。 假设卫星运动的平均角速度为n，则n=2/T，可得 当开普勒椭圆的长半径确定后，卫星运行的平均角速度也随之确定，且保持不变。GMaT23242/13aGMn2.1.3 卫星运动的轨道参数 a 为轨道的长半径,e 为轨道椭圆偏心率，这

21、两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。为升交点赤经：即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。i为轨道面倾角：即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。yxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道ivyxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道iv为近地点角距：即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。v为卫星的真近点角：即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函数，确定卫星在轨道上的瞬时位置。由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系，广泛用于描述卫星运动。o真近点角V 当卫星处于轨道上任

22、一点m时，卫星的在轨位置便取决于mMP角，这个角就被称为真近点角，以V表示。o偏近点角E 若以长半轴a做辅助圆，卫星m在该辅助圆上的相应点为m，圆弧mP所对的圆心角称为偏近点角，以E表示。o平近点角M0 按若卫星的平均角速度 ，则平近点角为622.1.4真近点角V的计算mmm m m m a aM Mr ra ab b）（000ttnM0n真近点角V的计算6个开普勒轨道参数中，只有真近点角V是时间的函数，其余参数均为常数。所以确定卫星的瞬时位置的关键是在于确定参数V。63 根据开普勒方程，偏近点角 与平近点角 的关系为： 已知 时，可以采用迭代法按上式计算 。迭代计算时先令 ，因偏心率 仅为0

23、.01左右，所以迭代两次便可求得偏近点角 。EeMEOsin0ME0ME0ME eE偏近点角E与平近点角 有一下重要关系：OMEeMEOsin 其次，为了计算卫星的瞬时位置，还需要确定真近点角V与偏近点角之间的关系。于是 将上式代入轨道方程（2.5），则得由式上可得真近点角V与偏近点角E之关系： aeVrEacoscos）（eEraVcoscos）（Eearcos1 EeEeVEeeEVcos1sin1sincos1coscos2eEEeVcossin1tan22.1.5卫星的受摄运动卫星的受力：卫星受到的各种具体作用力：o 地球对卫星的引力o 日月对卫星的引力o 大气阻力o 太阳光压o 地球

24、潮汐力等可将作用力归纳分为两类：o 地球质心引力（中心引力）；o 地球非中心引力摄动力（与地球质心引力相比，仅为10e-3量级）。卫星的运动：n 二体问题-仅考虑地球质心引力的卫星运动称为二体问题。n 受摄运动考虑到摄动力的作用的卫星运动。二体运动求解卫星相对地球的位置基于万有引力的分析解卫星相对地球的真实位置考虑摄动力的影响卫星受到的摄动力 地球引力场摄动力影响约为地球引力场摄动力影响约为1010-3-3量级，其他摄量级，其他摄动力影响大多小于或接近于动力影响大多小于或接近于1010-6-6量级。量级。地球非球形引力的摄动 在地球引力场摄动力的作用下，升交点将沿地球赤道产生缓慢的运动，使升交

25、点赤经产生周期性变化，设其变化速率为 , t0 时升交点赤经为 ，对于任一时刻t的升交点位置表示为71 事实上，卫星的升交点还同时受到其他摄动力的影响，所以升交点赤经的变化率也不是常量。t 0t)0t（ 00t -ttt地球非球形引力的摄动对卫星轨道的影响 在引力场摄动力的作用下，近地点将在轨道面内转动，使近地点角距 发生缓慢变化。若取近距点角距的变率为 ，则任一时刻t的近距点角距为 72同样在引力场摄动力的作用下，卫星轨道平近点角也随时间变化，任一时刻t的平近点角为 0M若设 ，则对GPS卫星可得 。t 00t - ttt 000000t -tnt -tttKMMM0Mndn01.0地球非球

26、形引力的摄动对卫星轨道的影响o 引起轨道面在空间的旋转 使升交点沿地球赤道产生缓慢的移动，进而使升交点的赤经 产生周期性变化。o 引起近地点在轨道面内旋转 使得开普勒椭圆在轨道面内定向改变，引起轨道近地点角距 的缓慢变化。o 引起平近点角的变化o 日月引力又称第三体引力o 不仅影响卫星的运行，而且影响地球自转，因此，日月引力摄动应为日月引力对卫星轨道及其对地球作用之差o 对卫星产生的摄动加速度约为510-6m/s2o 太阳引力的影响，仅约为月球引力的0.46倍日月引力的摄动太阳辐射压力太阳辐射压力太阳光压的影响入射作用力入射作用力发射作用力发射作用力反照压力反照压力（被地球反射的太阳光产生的压

27、力，为辐射压（被地球反射的太阳光产生的压力，为辐射压力的力的1%1%，可忽略），可忽略） 对卫星产生的加速度，约为对卫星产生的加速度，约为1010-7-7m/sm/s2 2量级量级o 地球固体潮 在日月引力作用下，地球产生的如潮汐般的变形。o 海潮o 大气潮地球潮汐摄动力 地球潮汐摄动力，对于在36 000km高度的卫星（GPS卫星高度为20 200km），摄动量约为110-10，故常被忽略o 对低轨道卫星影响较大对低轨道卫星影响较大o 对于对于GPSGPS卫星（高度为卫星（高度为20 200km20 200km）的影）的影响可忽略响可忽略大气阻力摄动力对卫星的影响知识点回顾 卫星运动轨道基本

28、参数 理想情况下的卫星运动 卫星的有摄运动2.2卫星星历GPS卫星星历GPS卫星在轨道平面内位置的计算2.2.1GPS卫星星历o 卫星星历是描述卫星运动轨道的信息描述卫星运动轨道的信息。o 卫星星历描述某一时刻的卫星运动轨道参数及其变率。o 根据卫星星历，可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。o 精确的轨道信息是得到卫星瞬时位置的必要条件，也是精密定位的基础。81GPS卫星星历o GPSGPS卫星星历可以分为：卫星星历可以分为：n 预报星历（广播星历，预报星历（广播星历，broadcast broadcast ephemerisephemeris）；）；n 实测星历（精密星历，实测星历（精密星

29、历，precise precise ephemerisephemeris）。）。82预报星历o 预报星历预报星历，通过卫星发射的、含有轨道信息的导，通过卫星发射的、含有轨道信息的导航电文传递给用户航电文传递给用户, ,用户使用接收机接收到信号用户使用接收机接收到信号后，经过解码便可获得所需要的卫星星历。后，经过解码便可获得所需要的卫星星历。o 包括相对某一参考历元的包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数开普勒轨道参数和必要和必要的的轨道摄动项改正参数轨道摄动项改正参数。83o 参考历元的卫星开普勒轨道参数称为参考星历（或密切轨道参数），是根据GPS监测站约1周的监测资料推算的。o 参考星历只代表

30、卫星在参考历元的瞬时轨道参数。o 在摄动力的影响下，卫星的实际轨道将偏离其参考轨道。偏离的程度主要取决于:观测历元与所选参考历元间的时间差。o 一般来说，如果用轨道参数的摄动项对已知的卫星参考星历加以改正，可以外推出任意观测历元的卫星星历。o 如果观测历元与所选参考历元间的时间差很大（外推时间较长），为了保障外推轨道参数具有必要的精度，就必须采用更严密的摄动力模型和考虑更多的摄动因素，由此带来了建立更严格摄动力模型的困难，因而可能降低预报轨道参数的精度。o 只要保证外推时间间隔不太长，可以保证卫星预报星历的精度。o 为了保证卫星预报星历的必要精度，一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法。o 卫

31、星导航电文的获取是通过地面的监控站时刻观测卫星的运行轨道、主控站每天更新卫星的参考星历、注入站每天向卫星注入新的参考星历。o GPS跟踪站每天利用观测资料，更新用以确定卫星参考星历的数据，计算每天卫星轨道参数的更新值，每天按时将其注入相应的卫星并存储。据此GPS卫星发播的广播星历每小时更新一次。86o 如果将计算参考星历的参考历元toe选在两次更新星历的中央时刻，则外推时间间隔最大不会超过0.5小时，从而可以在采用同样摄动力模型的情况下，有效地保持外推轨道参数的精度。预报星历的精度，目前一般估计为20-40m。o 由于预报星历每小时更新一次，在数据更新前后，各表达式之间将会产生小的跳跃，其值可

32、达数分米，一般可利用适当的拟合技术（如切比雪夫多项式）予以平滑。o GPS用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共17个，其中包括:n 2个参考时刻;n 6个相应参考时刻的开普勒轨道参数;n 9个反映摄动力影响的参数。GPS卫星的后处理星历后处理星历后处理星历o 预报星历包含外推误差，且由于SA技术的影响，广播星历的精度被人为降低，其精度不能满足某些需要精密定位服务的用户要求。o 后处理星历，是根据地面跟踪站所获得的精密观测资料计算而得到的星历，是一种不包含外推误差不包含外推误差的实测星历。o 可为用户提供观测时刻的精密卫星星历，精度可达米级，以后将达到分米级。89o 后处理星历是一些

33、国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。o 后处理星历不是通过卫星广播的。o 需要通过无线电、网络等通信方式向用户传递。o 是有偿服务。902.2.2 GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置o 计算思路计算思路n 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n 然后将上述坐标分别绕然后将上述坐标分别绕X X轴旋转轴旋转- -i i角、绕角、绕Z Z轴旋转轴旋转- - k k角，求

34、出卫星在地心系下的坐标角，求出卫星在地心系下的坐标o卫星在其轨道平面内的位置计算卫星在其轨道平面内的位置计算 计算真近点角计算真近点角V Vk k计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行的平均角速度n n计算归化时间计算归化时间t tk k计算升交距角计算升交距角u u0 0计算经过摄动改正的升交距角、计算经过摄动改正的升交距角、卫星的地心距离及轨道倾角卫星的地心距离及轨道倾角计算卫星的轨道平面直角坐标计算卫星的轨道平面直角坐标计算计算轨道平面1：计算卫星运行的平均角速度n o 计算过程计算过程n 计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行的平均角速度nnnnsmWGSaaGMn023143301098

35、6005. 384)(实际平均角速度：，则可算出卫星运动的摄动改正利用导航电文中给出的系中定义为称为地球引力常数，在 GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算 GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算n 计算计算t t时刻卫星的平近点角时刻卫星的平近点角n 计算偏近点角计算偏近点角n 计算卫星向径（未加摄动改正）计算卫星向径（未加摄动改正）k0ktnMMkkksinEeME)cos1 (k0EeAr GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算n 计算真近点角计算真近点角n 计算升交距角计算升交距角n 计算摄动改正项计算摄动改正项k0Vu)2sin()2cos()2sin()2c

36、os()2sin()2cos(000000uCuCiuCuCruCuCuisicrsrcusuceEEearctgVkk2kcossin1MVkrk卫星k轨道平面9：计算经过摄动改正的升交距角Uk 、卫星的地心距离rk和轨道倾角ik 10：计算卫星在轨道平面上的位置n 进行摄动改正进行摄动改正n 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iiiirrruuuk0k0k0ktkkkkkksincosuryurxo卫星在地心空间直角坐标系中的位置计算卫星在地心空间直角坐标系中的位置计算 计算观测时刻的升交点经度计算观测时刻的升交点经度K K计算卫星在地心空间直角坐计算卫星在地

37、心空间直角坐标系中的坐标标系中的坐标 计算计算地心坐标1：计算观测时刻的升交点经度k o 观测时刻的升交点经度观测时刻的升交点经度 k k为该时刻升交点赤经为该时刻升交点赤经 （春分点和升交点间角距）与格林尼治恒星时（春分点和升交点间角距）与格林尼治恒星时GASTGAST（春分点和格林尼治起始子午线间角距）之差，即：（春分点和格林尼治起始子午线间角距）之差，即：n k k= = - GAST - GASTo 观测时刻观测时刻t t时的升交点赤经：时的升交点赤经：n = = oe oe- - （t-t- t toeoe） n 由电文中可求由电文中可求o 式中，式中， oe oe 为为t t oe

38、 oe 的的升交点赤经；升交点赤经；o 为为变率；变率；o 电文中每小时更新一次电文中每小时更新一次t t oe oe和和 GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算地心坐标2：计算观测时刻的升交点经度k GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算OetOeOOOOetGAST）（eOeeOeeOkttt）（e）（Oettee）（OtGASTGAST地心坐标3：卫星在地心坐标系中的位置 计算卫星在地心空间直角坐标系中的坐标计算卫星在地心空间直角坐标系中的坐标 由式（2.28）可求出卫星在其轨道平面直角坐标系中的坐标，在该坐标系统中卫星的空间位置可表示为： 此时 轴过地心指向轨道平面的垂

39、直方向。 Ozuryurxkkkkkkksincosz地心坐标3：卫星在地心坐标系中的位置续 GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk1k3kkkysinysincosxsinysinxcoszyxcossin0sincossincossinsincossincoszyx)()(iiconiiiiiconiiiRRZYX作业1、试标出GPS卫星无摄运动轨道参数，并概述各参数的概念或含义2、GPS系统由哪几部分组成，简述各部分作用1-2-3 GPS卫星信号及信号接收机o GPS信号的内容、结构o GPS测距码o GPS的导航电文

40、o GPS信号接收机知识回顾o 理想情况下的卫星运动o 卫星运动轨道参数及含义o 卫星星历o 卫星星历包含哪两种，简述两种星历的区别内容引导o GPS通过哪些信号进行定位？o GPS信号包含哪几部分？GPS卫星信号的内容o GPSGPS卫星信号是卫星信号是GPSGPS卫星向广大用户发送的用卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。于导航定位的调制波。o GPSGPS卫星发射的信号包含：卫星发射的信号包含：载波信号、测距码、载波信号、测距码、导航电文（数据码）。导航电文（数据码）。3.1载波信号o 可运载调制信号的高频震荡波为载波o GPS发射位于L波段的两种频率的载波信号：n L1载波：fL1

41、=154f0=1575.42MHZ，波长1=19.032cm；n L2载波：fL2=120f0=1227.6MHZ，波长2=24.42cm；GPS卫星信号的调制o 将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程称为调制o 被加载的频率较低的信号称为调制信号o GPS卫星的L1和L2载波上携带测距信号和导航电文n GPS卫星的测距码和导航电文是采用调相技术调制到载波上的，由于伪随机码只有“1”和“0”两种状态。当码值取0时，对应的码状态为1，而码值取1时，对应的码状态为1。在载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制，此时码信号被加载到载波上，经过播发可供用户接收。 当码的波型为当码的波型为” 1

42、” 1”时，与载波相乘，不会改变载波的相位；时，与载波相乘，不会改变载波的相位；当码的波型为当码的波型为”-1”-1”时，与载波相乘，载波相位改变时，与载波相乘，载波相位改变180180度。度。当码值当码值( (调制信号调制信号) )从从1 1变成变成0 0，或从，或从0 0变成变成1 1时，将使载波相位改变时，将使载波相位改变180180度。调制度。调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发 。o 载波信号的作用：n携带测距信号和导航电文传送给用户；n在载波相位测量中用作测距信号（其测距精度比伪距测量的精度高23数量级）；n 精确测定多普勒频移o 特点n

43、所选择的频率有利于测定多普勒频移n所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层延迟影响（电离层折射延迟与信号的频率有关）n选择两个频率可以较好地消除信号的电离层延迟o 导航信息被调制在导航信息被调制在L1L1载波载波上发送，频率为上发送，频率为50HZ50HZo 用户利用导航信息计算某一时刻卫星在轨道用户利用导航信息计算某一时刻卫星在轨道上的位置，因此导航信息也被称为上的位置，因此导航信息也被称为广播星历广播星历o 导航电文亦是导航电文亦是二进制数码二进制数码，依规定的格式组，依规定的格式组成，按帧向外播送，每帧电文的长度为成，按帧向外播送，每帧电文的长度为15001500bitbit，播送速率为播

44、送速率为5050bit/sbit/s。 每颗卫星都发射一系列无线电信号每颗卫星都发射一系列无线电信号( (基准频率基准频率 ) ) 两种载波两种载波(L1(L1和和L2) L2) 两种码信号两种码信号(C/A(C/A码和码和P P码码) ) 一组导航电文一组导航电文( (信息码，信息码，D D码码) )o 作用作用n 测距测距o 性质性质n 为伪随机噪声码（为伪随机噪声码（PRN PRN Pseudo Random NoisePseudo Random Noise）o 特点特点n 确定的编码规则确定的编码规则n 可复制性可复制性n 周期性周期性n 自相关性自相关性3.2测距码o 产生产生n 若

45、干多级反馈移位寄存器所产生的若干多级反馈移位寄存器所产生的m m序列经复杂序列经复杂处理后形成处理后形成o 包含包含n C/AC/A码、码、P P（Y Y）码）码o 测量原理测量原理 n 随机码序列与复制的随机码序列通过平移码元素，随机码序列与复制的随机码序列通过平移码元素，相应码元素相互对其相应码元素相互对其n 不同的码（包括未对齐的同一组码）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 0或或1/n1/n（n n为码元数）为码元数）n 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 1有关码的基本概念o 表达不同信息的二进制数（表达不同信息的二进制数（“0 0

46、”和和“1 1”）及其组）及其组合，称为合，称为码码o 在二进制中，一位二进制数称为一个在二进制中，一位二进制数称为一个码元或比特码元或比特（bitbit，被取为码的度量单位），被取为码的度量单位）o 将各种信息，如声音、文字和图像等，按某种预定将各种信息，如声音、文字和图像等，按某种预定的规则，表示为二进制数的组合形式，这个过程称的规则，表示为二进制数的组合形式，这个过程称为为编码编码o 例如：两位二进制数的不同组合例如：两位二进制数的不同组合11,10,01,0011,10,01,00，这，这些组合形式被称为码，其中每个码含有两个码元些组合形式被称为码，其中每个码含有两个码元 伪随机噪声码

47、又叫伪随机码或者伪噪声码，伪随机噪声码又叫伪随机码或者伪噪声码，简称：简称：PRNPRN，是一个具有一定周期的取值，是一个具有一定周期的取值0 0和和1 1的离的离散符号串。他不仅具有高斯噪声所有的良好的自散符号串。他不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。具有相关特性，而且具有某种确定的编码规则。具有周期性、易被复制等特性。周期性、易被复制等特性。 GPS GPS信号中使用了伪随机码技术，识别和分离信号中使用了伪随机码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。 伪随机噪声码的产生方式很多。伪随机噪声码的产生方式

48、很多。GPSGPS技术采用技术采用m m序列，即产生于序列，即产生于最长线性反馈移位寄存器最长线性反馈移位寄存器。4.2 GPS4.2 GPS卫星信号卫星信号伪随机噪声码伪随机码的产生-M序列线性反馈移位寄存器M M序列的特性序列的特性: :1.1.均衡性：一周中均衡性：一周中1 1与与0 0基本相等。基本相等。1 1比比0 0多多1 1个。不允许全个。不允许全0 0。2.2.游程分布：相同码元连在一起游程分布：相同码元连在一起为一游程。左图为一游程。左图4 4 级级M M序列序列为为8 8个游程：长度为个游程：长度为1 1的的4 4个，个，长度为长度为2 2的的2 2个，长度为个，长度为3

49、3的的1 1个，长度个，长度4 4的的1 1个。个。3.3.移位相加特性：一个移位相加特性：一个M M序列与序列与其移位后另一其移位后另一M M序列相加仍序列相加仍是是M M序列。序列。4 4 级级M M序列的周期序列的周期m=15m=154.4.自相关特性：自相关特性：R=R=（A-DA-D）/ /（A+DA+D）= =（A-DA-D）/m=1/m=1或或- -1/m1/m5.5.伪噪声特性：伪噪声特性：M M序列为伪随机序列为伪随机码或人工复制噪声码。码或人工复制噪声码。 a3a2a1a0初始初始1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 4 级级M 序

50、列的产生方框图序列的产生方框图 输出输出M序列序列: 000111101011001输出输出m序列伪随机噪声码的自相关特性序列伪随机噪声码的自相关特性对齐时：对齐时：000111101011001 未对齐时：未对齐时：000111101011001 000111101011001 100011110101100A=15,D=0,R=（A-D）/m=1 A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15 3.2.1 C/A码o 定义n 粗捕获码，即用于进行粗略测距和捕获精码的测距码n 属于伪随机噪声码（PRN码）o 频率n C/A码频率f1=1/10f0=1.023MHZ，仅被调制在L1载波上o 特

51、征n 公开明码、民用、测距精度（23）mo C/A码特征：n C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生 码长Nu = 210-1=1023比特 码元宽tu = 1/f10.977752s 空间失距=293.1m（码元宽与C的乘积） 周期Tu = Nu tu = 1ms 数码率=1.023Mbit/so C/A码特性n 易于捕获 C/A码码长较短(周期小于1ms)，对C/A码进行逐个搜索，用时短，易于捕获； 通过捕获的C/A码得到的GPS卫星导航信息，又可方便的捕获P码，因此C/A码被通称为捕获码n 测距误差大 C/A码的码元宽度和空间矢距较大，若两序列的码元对其误差为码元宽度的1/10

52、1/100，则对应的测距误差可达2.929.3m； 由于C/A码的测距精度低，因此也被称为粗捕获码3.2.2 P码o 定义定义n 精码，即用于精确测定从精码，即用于精确测定从GPSGPS卫星至接收机卫星至接收机距离的测距码距离的测距码n 属于伪随机噪声码（属于伪随机噪声码（PRNPRN码）码）o 频率频率n C/AC/A码频率码频率f1=f0=10.23MHZf1=f0=10.23MHZ，被调制在，被调制在L1L1和和L2L2载波上载波上o 特征特征n 保密保密 Y Y码、军用、测距精度高码、军用、测距精度高oP P码特征码特征：n 码长码长Nu 2.35Nu 2.35* *10141014比

53、特比特 码元宽度码元宽度tu 0.0977752stu 0.0977752s 空间失距空间失距=29.3m=29.3m 周期周期Tu = Nu tu 267dTu = Nu tu 267d 数码率数码率=10.23Mbit/s=10.23Mbit/so P P码特性码特性n 常规方法不易捕获，需借助于常规方法不易捕获，需借助于C/AC/A码信息码信息 P P码码长较长码码长较长( (周期小于周期小于1ms)1ms)，对，对P P码进行逐个码进行逐个搜索，用时长，不易捕获；搜索，用时长，不易捕获； 通过捕获的通过捕获的C/AC/A码得到的码得到的GPSGPS卫星导航信息，可卫星导航信息，可方便的

54、捕获方便的捕获P P码。码。n 测距精度高测距精度高 C/A C/A码的码元宽度较码的码元宽度较C/AC/A码小，空间矢距较大，码小，空间矢距较大，若两序列的码元对其误差为码元宽度的若两序列的码元对其误差为码元宽度的1/101/1001/101/100，则对应的测距误差可达，则对应的测距误差可达0.2932.93m0.2932.93m； P P码的测距误差仅为码的测距误差仅为C/AC/A码的码的1/101/10。C/A码和P码主要特征指标特征指标C/A码P码产生物理单元10级反馈移位寄存器12级反馈移位寄存器码长Nu=2r-11023bit2.351014bit频率f0.1f0（1.023MH

55、z）f0 （10.23MHz）码宽tu=1/f0.97752s0.097752s周期=Nutu1ms267d码宽等效距离=ctu293.1m29.3m测距误差(1/10-1/100码宽)29.3-2.9m2.93-0.29m特征粗码、开放、二值精码、保密、二值3.2.3 L2C码o L2CL2C码称为城市码，被调制在码称为城市码，被调制在L L2 2载波上；载波上；o 包括包括2 2个个PRNPRN码，码，CMCM码和码和CLCL码；码；o L2CL2C码可以提供高质量（低相噪、高灵敏码可以提供高质量（低相噪、高灵敏度）的数据来进行导航定位；度）的数据来进行导航定位；o 增设增设L2CL2C码

56、可以用于解决码可以用于解决C/AC/A码只调制在码只调制在L L1 1载波，无法精确消除电离层延迟的问题载波，无法精确消除电离层延迟的问题。o GPSGPS卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。基础。o 主要包括：主要包括：n 卫星星历卫星星历n 时钟改正时钟改正n 卫星工作状态信息卫星工作状态信息n 电离层延迟修正参数电离层延迟修正参数o 这些信息按照一定的数据帧格式播发给用户，成这些信息按照一定的数据帧格式播发给用户，成为为数据码（数据码（D D码）码）。3.3 GPS导航电文（数据码）第一数据块第一数据块第二数据块第二数据块第三数据块第三数据块

57、3.3.1 遥测码（telemetry word, TLW）o 遥测码位于每个子帧的开头，用于表明卫星注入数据的状态。n 第18bit是同步码（10001001），为各子帧编码脉冲提供一个同步起点。n 第922bit是遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息等。n 第22、24bit是连接码。n 第2530bit是奇偶校验码。奇偶校验码o 一个字码（30bit）包含6bit奇偶校验码。每一个bit的奇偶校验码对应前面24bit的数据码。o 例如：1110 0101 1101 0001 1011 1010 101110数据码文数据码文校验码文校验码文111010101011011

58、0001110111101003.3.2 转换码（hand over word, HOW）o 转换码位于每个子帧的第二个子码。o 作用：提供用户从捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。Z计数位于转换码的第117bit，从每周六/周日零时起算的时间计数。通过Z计数，可以知道观测瞬间在P码周期中所处的准确位置，以便迅速捕获P码。o 转换码的第2530bit为奇偶校验码。3.3.3 第一数据块o 第一数据块位于第1子帧的第310字码。主要包括标识码、时延差改正、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期及卫星时钟改正系数等。o 时延差改正Tgdn 电离层会使GPS在L1、L2上的信号发生时延。 Tgd改正观

59、测结果，提高定位精度。o 数据龄期AODCn 数据龄期是时钟改正数的外推时间间隔，表明卫星时钟改正数的置信度。AODC=t0c-ttn 其中t0c是第一数据块的参考时刻，tt是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时刻。o 星期序号WNn WN是从1980年1月6日子夜零时（UTC）起算的星期数，是GPS星期数。o 卫星时钟改正n GPS时间系统以地面主控站的原子钟为基准。n GPS时间和UTC时间存在差值，导航电文把差值播发给广大用户。3.3.4 第二数据块o 导航电文的第2和第3子帧组成第二数据块，内容为GPS卫星星历。o 内容包括：n 开普勒轨道6参数；n 轨道摄动9参数；n 时间参数。GP

60、S卫星轨道参数3.3.5 第三数据块o 第三数据块包括4、5两个子帧，内容包括了所有GPS卫星的历书数据。o 当接收机捕获到某颗GPS卫星信号后，根据第三数据块提供的其它卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常、位置适当的卫星，并较快地捕获到所选择的卫星。MHzGPS卫星所播发的信号（基准频率：10.23）GPS卫星信号的构成 3.4GPS信号的接收机3.4.1信号接收设备的组成如果把GPS信号接收设备作为一个用户测量系统，按其结构和作用可以分为：（1）天线（带前置放大器）；（2）信号处理器，用于信号接收、识别和处理；（3）微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计