第5章-GPS卫星定位原理

1、第五章第五章 GPS定位原理定位原理u1.GPS系统的组成系统的组成u2.GPS卫星信号卫星信号u3.GPS卫星星历卫星星历第一节第一节 GPSGPS系统的组成系统的组成（一）由（一）由GPS卫星组成卫星组成的的空间部分空间部分 Space Segment（二）由若干地面站（二）由若干地面站组成的组成的控制部分控制部分 Control Segment（三）以接收机为主（三）以接收机为主体的广大体的广大用户部分用户部分 User SegmentSlide 2（一）空间部分（一）空间部分uGPS系统的空间系统的空间部分由部分由GPS卫星组卫星组成，称为成，称为卫星星卫星星座座。Slide 31 1

2、、GPSGPS卫星卫星u铯原子钟铯原子钟u计算机计算机u2 2块块7 7m m2 2的太阳能翼板的太阳能翼板u无线电收发两用机无线电收发两用机u导航荷载（接收数据，导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）发射测距和导航数据）u姿态控制和太阳能板指姿态控制和太阳能板指向系统向系统Slide 4GPSGPS卫星的发展卫星的发展uBLOCK I初期的概念证实卫星初期的概念证实卫星 1995 1995年秋清除年秋清除uBLOCK II初期的生产卫星初期的生产卫星 存储存储1414天星历天星历uBLOCK IIA升级的生产卫星升级的生产卫星 存储存储180180天星历天星历uBLOCK IIR再补充的卫

3、星再补充的卫星 存储存储180180天星历天星历uBLOCK IIF后续后续/ /维持卫星维持卫星Block Block II Slide 5GPSGPS星座星座卫星卫星：24 颗颗轨道面轨道面:6个个长长 半半 轴：轴：26609km偏偏 心心 率：率：0.0080.004轨道面相对赤道面的倾角：轨道面相对赤道面的倾角：55卫星高度：卫星高度：20200km卫星运行周期：卫星运行周期：11小时小时58分钟分钟Slide 6空间部分的作用空间部分的作用u向广大用户连续不断发送导航定位信号，并用导航向广大用户连续不断发送导航定位信号，并用导航电文中的星历和历书分别报导自己的现势位置，以及电文中的

4、星历和历书分别报导自己的现势位置，以及其他在轨卫星的位置其他在轨卫星的位置; ;u飞越注入站上空时，接收地面注入站用飞越注入站上空时，接收地面注入站用S S波段发送波段发送到卫星的导航信息，和其他有关信息，并通过到卫星的导航信息，和其他有关信息，并通过GPS信信号形成导航电文，实时发送给用户号形成导航电文，实时发送给用户; ;u接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令（钟，轨道，卫星）（钟，轨道，卫星）; ;Slide 7GPS/GLONASS系统参数比较系统参数比较GPSGLONASS卫星星座21+321+3轨道平面6 个轨道面3 个轨道面轨道

5、倾角55。64.8。轨道高度20,200km19,123km运行周期11 小时 58 分钟11 小时 15 分钟星历数据轨道开普勒根数地心直角坐标卫星寻址CDMA（码分多址）不同的卫星采用不同的PRN码加以区分FDMA（频分多址）（L1 ） 1602+k ?/16 MHz（L2 ） 1246+k?/16MHz载波频率L1 ： 1575.42MHzL2 ： 1227.6MHz1602.5625MHz1615.5MHz1246.4375MHz1256.5MHz基准坐标系WGS-84PZ-90测距码伪随机噪声码伪随机噪声码码元数1023 bit511 bit码周期1 ms1 ms码频率1.023 M

6、Hz0.511 MHz时间基准GPS时统，与 UTC保持一定的差值，无跳秒GLONASS时统，经常调整与UTC保持一致，有跳秒导航电文37500 bits ，持续 750 秒7500 bits ，持续 150 秒Slide 8（二）控制部分（二）控制部分Slide 9控制部分的组成控制部分的组成u一个主控站一个主控站u五个监控站五个监控站u三个注入站三个注入站Slide 10控制部分的作用控制部分的作用负责监控全球定位系统的工作：负责监控全球定位系统的工作：u监测卫星是否正常工作，是否沿预定的监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行轨道运行u跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星跟踪计算卫星的轨

7、道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户，由卫星通过导航电文发送给用户u保持各颗卫星的时间同步保持各颗卫星的时间同步u必要时对卫星进行调度必要时对卫星进行调度Slide 11控制部分的运行机制控制部分的运行机制GPS卫星卫星监控站监控站GPS接收机接收机原子钟原子钟计算机计算机环境数据采环境数据采集装置集装置主控站主控站原始观测数据原始观测数据具备监测站具备监测站的功能的功能并对数据进并对数据进行综合处理行综合处理注入站注入站星历星历时钟数据时钟数据控制参数控制参数计算机计算机发射机发射机发射天线发射天线Slide 12（三）用户部分（三）用户部分DAVIS GPS DCLRMSGFL

8、PALTENTCRSRDISGSETEBRGTRK42.5 NM154 KT0.03217.537.2DKHIO+ + +NAVAPP1uGPS接收机接收机接收、跟踪、变换和测量接收、跟踪、变换和测量GPSGPS信号，以获得必要的定信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作据处理而完成定位工作Slide 13GPS接收机接收机uDSNPDSNPuLEICALEICAuGARMINGARMIN uTRIMBLE TRIMBLE uASHTECHASHTECHuJAVADJAVADSlide 14系统的运行机制系统的运行机制GPS卫星星座卫星星座GPS

9、信号接收机信号接收机地面监控系统地面监控系统24颗卫星颗卫星广播轨道时间数据以及辅助资料信息广播轨道时间数据以及辅助资料信息接收设备接收设备接收卫星信号接收卫星信号中央控制系统中央控制系统时间同步时间同步跟踪卫星定轨跟踪卫星定轨Slide 15第二节第二节 GPS卫星信号卫星信号GPS信号信号卫星向卫星向广大用户发送的用于广大用户发送的用于导航定位的调制波导航定位的调制波Slide 16一、信号的构成及产生一、信号的构成及产生u考虑三个方面：1、为了提供卫星的瞬时位置导航电文 数据码：D码2、为了保密通信，提高信号的抗干扰能力；以及不同的卫星的区分选择和精密测距伪随机码 测距码：C/A码，P码

10、3、为了信号的传播将扩频后的编码脉冲对L波段的两个载波进行调制后发射 载波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ) Slide 17GPS信号的构成信号的构成信号的生成信号的生成信号的调制信号的调制信号的特点信号的特点P36Slide 181、信号的生成、信号的生成Slide 192、GPS信号的调制信号的调制X伪随机噪声码导航电文(50 Hz)X载波调制调制调制调制二二级级调调制制Slide 20第一级的调制第一级的调制v第一级是导航电文调制到测距码；v采用二进制编码序列编码序列“模二和模二和”算法；v调制结果是把数据码(导航电文)从50Hz扩展到1.023MHz(对于C/

11、A码)0 1 0 0 1010 1 0 1 1 010 1 0 1 01 0 Slide 21第二级的调制第二级的调制第二级是测距码调制到载波测距码调制到载波，采用二进制信号二进制信号“波形相乘波形相乘”的算法，将导航电文与测距码合成后的二进制码调制到载波上Slide 22L1L1上调制的信号上调制的信号L1 Carrier Wave 1575.42MHzC/A Code 1.023 MHzNavigation Message50HzPrecise Code 10.23 MHz载波：码：码：码：其中：L1)cos(D)(;/C)(;P)()sin()()cos()()()(1111111LLC

12、LPAtDAtGtPtGAtDtPAtSSlide 23L2L2上调制的信号上调制的信号L2 Carrier Wave 1227.6MHzNavigation Message50 HzPrecise Code10.23 MHz载波：码：码：码：其中：L2)cos(D)(;/C)(;P)()cos()()()(22222LLPBtDAtGtPtDtPBtSSlide 243、信号的特点、信号的特点u载波频率载波频率选用选用L频段的两个频率频段的两个频率，受，受电离层影响小，并可测定电离层延迟；电离层影响小，并可测定电离层延迟；u利用利用伪随机噪声码测距伪随机噪声码测距技术，具有良技术，具有良好的

13、抗干扰性；好的抗干扰性；u采用采用二级调制技术二级调制技术，把发送低码率的，把发送低码率的D码转换成发送复合码，既节省了卫星码转换成发送复合码，既节省了卫星的电能，有增强抗干扰性和保密性；的电能，有增强抗干扰性和保密性；Slide 25二、二、GPSGPS的测距码的测距码u什么是伪随机噪声码什么是伪随机噪声码u伪随机噪声码的产生伪随机噪声码的产生u伪随机噪声码测距伪随机噪声码测距uGPS的测距码的测距码Slide 261、伪随机噪声码、伪随机噪声码u伪随机噪声码伪随机噪声码PRN码码 Pseudo Random Noice Codeu什么是伪随机噪声码什么是伪随机噪声码以预先确定并可重复产生和

14、复制，具有白噪声统计特性的二进制以预先确定并可重复产生和复制，具有白噪声统计特性的二进制码，有一定周期的，取值码，有一定周期的，取值0或或1的二进制序列的二进制序列u为什么用它测距？为什么用它测距？仙农仙农“噪声通信理论噪声通信理论”：可实现低信噪比的接收，可实现码分多：可实现低信噪比的接收，可实现码分多址通信，具有良好的保密特性址通信，具有良好的保密特性Slide 272、伪随机噪声码的产生、伪随机噪声码的产生uGPS产生伪随机码的方式：产生伪随机码的方式： m序列发生器序列发生器 -多级线性移位反馈寄存器多级线性移位反馈寄存器模二相加模二相加a2a1 a0置置1脉冲脉冲钟脉冲钟脉冲 a3反

15、馈序列反馈序列输出序列输出序列例：例：Slide 283、伪随机噪声码测距、伪随机噪声码测距u原理原理利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测值星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测值ReceiverSatelliteTime deferenceSlide 29GPS测距测距)(ta)(tat时刻时刻tc ttt +t时刻时刻)(ta)(ttaSlide 30GPS测距测距Slide 314、G

16、PS的测距码的测距码GPS的测距码的测距码粗测码粗测码C/A码码精测码精测码P码码C/APSlide 32(1)、粗测码、粗测码uC/A码：由两个十级反馈移位寄存器产生码：由两个十级反馈移位寄存器产生uC/A码的特性码的特性 长度周期：长度周期： 码元长度：码元长度： 时间周期：时间周期： 频率：频率：sMbitfmsTmsfbitLP/023. 11255.293,98. 0/110230相当于uC/A码的特点码的特点 易于搜索和捕获；易于搜索和捕获； 码长约为码长约为300km 一个码长一个码长293m，测量（比对）精度测量（比对）精度1%10%Slide 33(2)、精测码、精测码uP码

17、的特性码的特性 长度周期：长度周期： 码元长度：码元长度： 时间周期：时间周期： 频率：频率：sMbitfTmsfbitLP/23.105 .55459266325.29,098. 0/11035. 2014秒，实际截取七天周期分时天相当于uP码的特点码的特点 周期长，码率高，不易于捕获；周期长，码率高，不易于捕获； 易于保密，难于破译；易于保密，难于破译； AS政策政策: P+W=Y 一个码长一个码长29.3m，测量（比对）精度测量（比对）精度1%10%Slide 34三、三、 GPS的载波信号的载波信号电磁波的基本概电磁波的基本概念念GPS的载波信号的载波信号Slide 351、电磁波传播

18、的基本概念、电磁波传播的基本概念电磁波是一种随时间t变化的正弦或余弦波。设电磁波初相角为0，角频率，振幅为Ae，则电磁波的数学表达式为 y=Aesin(t+ 0)0 t+0t0t1y=Aesin(t+ 0)AetySlide 361）电磁波参数的关系）电磁波参数的关系 设电磁波的频率为f， 周期为T， 角频率为 =2f； f=1/T， 相位为，相位角为： 且当t=0时有初相位 0， = /2 =(t+ 0 )/2 Slide 372）电磁波的传播）电磁波的传播v假设电磁波在真空中的传播速度为cvac，则有 cvac= vacf= vac/Tv在卫星大地测量中，国际上当前采用的真空光速为： c=

19、2.99782458108(m/s)。Slide 383）信号的折射）信号的折射v实际的电磁波传播是在大气介质中，若干大气层可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。v电磁波在大气中的传播速度可以用折射率n来表示，n=c/v。折射率与大气的组成和结构密切相关，其实际值接近于1。Satellite OrbitIonosphereTroposphere5020020000kmkmkmSlide 392、GPS的载波信号的载波信号L1载波载波 频率：频率：1572.42MHZ 波长：波长：19cmL2载波载波 频率：频率：1227.6MHZ 波长：波长：24cmSlide 40关于

20、载波关于载波vGPS的载波是L波段的微波，具有良好的穿透大气的能力，从卫星的发射天线发出后沿直线传播到达地球表面，发射信号强度为26.8dBw，接收最低信号强度为-160dBw。v常规GPS接收机可以进行正常接收的最弱信号为-160dBw，而经过稠密介质时信号强度大为衰减，例如在室内，GPS信号强度会衰减为-188dBw（比-158dBw弱1000倍），因而常规GPS接收机在室内因信号太弱而不能进行定位，在这种弱信号环境下，特殊的GPS接收机仍然可以工作，例如Indoor GPS。Slide 41关于载波关于载波v载波的作用是作为传输工具，把搭载于其上的测距码和导航电文从卫星传播到地面；v对于

21、测量型接收机，载波又同时用作为测量信号，接收机对接收到的载波进行相位测量，获得高精度的相位观测值，从而实现厘米乃至毫米级的高精度基线测量。Slide 42四、四、 导航电文导航电文u导航电文的概念导航电文的概念u导航电文的格式导航电文的格式u导航电文的内容导航电文的内容P34Slide 43一、导航电文一、导航电文u导航电文导航电文卫星通过无线电信号向地面发卫星通过无线电信号向地面发播的电文，是用户用来定位和导航的数据基础播的电文，是用户用来定位和导航的数据基础，即一组数据码。，即一组数据码。Slide 44二、导航电文的播发内容二、导航电文的播发内容u卫星的星历卫星的星历u卫星的工作状态卫星

22、的工作状态u卫星的时钟改正卫星的时钟改正u电离层时延改正电离层时延改正uC/A码捕获码捕获P码码u其它卫星的星历其它卫星的星历Slide 45导航电文的播发格式：二进制编码导航电文的播发格式：二进制编码Slide 46播发内容播发内容子桢号子桢号1个子桢个子桢6秒长，秒长，10个字，每个字个字，每个字30bit1桢桢30秒，秒，1500bitSlide 471 1、遥测码、遥测码 TLM-Telemetry wordTLM-Telemetry wordu遥测码每个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导第第18bit为同步码（10001001）第第922bit为遥测电文，包括地面监控

23、系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息，以此指示用户是否选用该卫星。第第23、24bit无意义，第2530bit为奇偶检验码。Slide 482 2、转换码转换码 HOW-Hand over wordHOW-Hand over wordu转换码转换码向用户提供用于捕获P码的Z计数uZ Z计数计数它表示从每星期六/星期日午夜零时开始播发的D码的子桢数。知道Z计数，就知道观测时刻P码在周期中的准确位置，以此较快地捕获P码0126“12“周六周六/日子夜零时日子夜零时100799604794“100800604800“Slide 493 3、第一数据块第一数据块 第一子帧的第第一子帧的第3-1

24、03-10个字码为第一数据块。它的个字码为第一数据块。它的主要内容是：主要内容是：(1)(1)信号内部的信号内部的时延改正值时延改正值T Tgdgd；(2)(2)星期序号星期序号WNWN，GPSGPS星期数星期数; ;(3)(3)卫星卫星时钟改正时钟改正系数系数(4)(4)数据龄期数据龄期AODCAODC，时钟改正数的外推时间间隔时钟改正数的外推时间间隔；2210)()(ococsttattaatSlide 504 4、第二数据块、第二数据块 第二和第三子帧共同构成第二数据块，它表示GPS卫星的星历。 (1)开普勒6参数 (2)轨道摄动9参数 (3)时间2参数 星历参考时刻 星历数据龄期Sli

25、de 515 5、第三数据块、第三数据块u第三数据块是由第第三数据块是由第4 4和第和第5 5两个子帧构成的两个子帧构成的，它提供，它提供GPSGPS卫星的历书数据卫星的历书数据。u当接收机捕获得某颗卫星后，利用第三数当接收机捕获得某颗卫星后，利用第三数据块提供其它卫星的概略星历、时钟改正、据块提供其它卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星工作状态等数据。码分地址和卫星工作状态等数据。u用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，而且还可根据所在的位置，选择最佳星星，而且还可根据所在的位置，选择最佳星座，依据已知的卫星座，依据已知的卫星PRNPRN号进行设置，

26、以快号进行设置，以快速捕获和定位速捕获和定位Slide 52四、用户接收到的导航文件四、用户接收到的导航文件uGPS接收机对导航电文进行解码，输出；接收机对导航电文进行解码，输出；u可以通过随机软件将输出的接收机文件转可以通过随机软件将输出的接收机文件转换成换成ASCIIASCII格式的通用格式的格式的通用格式的RINEX文件文件uReceiver Independent Exchange format (RINEX) /igscb/data/format/rinex2.txtu文件名称格式：文件名称格式： 4-charDay of yearSes

27、sion.yyn e.g. brdc0120.02nSlide 53第三节第三节 GPS卫星星历卫星星历1、理想情况下的卫星运动、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，且不顾及其它摄动力的影响，卫星只作匀质球体，且不顾及其它摄动力的影响，卫星只是在地球质心引力作用下而运动。是在地球质心引力作用下而运动。 它是卫星运动的第一近似描述它是卫星运动的第一近似描述研究意义研究意义它是至今唯一能得到的严密分析解的运动它是至今唯一能得到的严密分析解的运动它是全部作用力下的卫星运动更精确解的基础它是全部作用力下的卫星运动更精确解的基础 一、

28、卫星运动理论基础一、卫星运动理论基础Slide 54一、理想情况下的卫星运动一、理想情况下的卫星运动 根据牛顿万有引力定律，在上述理想情况根据牛顿万有引力定律，在上述理想情况下，卫星相对于地球的引力加速度为：下，卫星相对于地球的引力加速度为： 式中式中 G G地球引力常数；地球引力常数； M M地球质量；地球质量； m m卫星质量；卫星质量； r r卫星的地心向径。卫星的地心向径。 Slide 55一、理想情况下的卫星运动 开普勒第一定律开普勒第一定律卫星运卫星运行的轨道是一个椭圆，地球质心位行的轨道是一个椭圆，地球质心位居椭圆的一个焦点上。居椭圆的一个焦点上。 该定律表明，卫星相对于地球质心

29、的运动轨道是该定律表明，卫星相对于地球质心的运动轨道是一个椭圆，该椭圆有着固定的形状和大小，椭圆上距离地一个椭圆，该椭圆有着固定的形状和大小，椭圆上距离地球质心最远的一点称为远地点，距离地球质心最近的一点球质心最远的一点称为远地点，距离地球质心最近的一点称为近地点。称为近地点。 卫星运行轨道椭圆卫星运行轨道椭圆Slide 56一、理想情况下的卫星运动 开普勒第二定律开普勒第二定律卫星的地心向径，即地卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。所扫过的面积相等。 开普勒第二定律表开普勒第二定律表明，卫星沿轨道椭圆的

30、运明，卫星沿轨道椭圆的运行速度在不断变化，在近行速度在不断变化，在近地点处速度最大，在远地地点处速度最大，在远地点处速度最小。点处速度最小。 相等时间地心向径扫过的面积相等时间地心向径扫过的面积Slide 57一、理想情况下的卫星运动 开普勒第三定律开普勒第三定律卫星围绕地球运行卫星围绕地球运行的周期的平方与轨道椭圆长半径的立方成正比，的周期的平方与轨道椭圆长半径的立方成正比，其比值等于地球引力常数的倒数其比值等于地球引力常数的倒数。 开普勒第三定律的数学形式为：开普勒第三定律的数学形式为： GMaT2324式中式中 T T为卫星运动的周期为卫星运动的周期 Slide 58卫星运行的轨道 待解问题待解问题轨道椭圆的形状和大小轨道椭圆的形状和大小 轨道平面与地球体的相关位置轨道平面与地球体的相关位置轨道椭圆在轨道平面上的方位轨道椭圆在轨道平面上的方位卫星在轨道上的瞬时位置卫星在轨道上的瞬时位置卫星轨道参数卫星轨道参数 一、理想情况下的卫星运动一、理想情况下的卫星运动Slide 59二、摄动力对卫星运行轨道的影响二、摄动力对卫星运行轨道的影响 地球体不规则及质量分布不地球体不规则