《GPS测量与数据处理》－第3讲 全球定位系统组成及信号结构

第三章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算§3.1

全球定位系统的组成GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分1、空间部分6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55设计星座：24周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星GPS卫星作用：接收、存储导航电文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波上的测距码和导航电文）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。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置GPS卫星类型：试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡ（存储星历能力为14天，具有SA和AS的能力）BlockⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SVN35和SVN36带有激光反射棱镜BlockⅡR

（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星，增设第三民用频率BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR2、GPS的地面监控部分组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统监控站注入站主控站夏威夷科罗拉多阿松森群岛迭哥伽西亚卡瓦加兰主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作；收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；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。监测站（5个）作用： 接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点： 夏威夷、主控站及三个注入站。注入站（3个）作用： 将导航电文注入GPS卫星。地点： 阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）3、GPS的用户部分组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备GPS信号接收机组成天线单元接收天线前置放大器接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源接收天线接收机分类根据用途：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GPS信号接收机天线单元类型：单极天线微带天线锥形（螺旋）天线背腔平面盘旋天线天线特性平均相位中心与几何中心天线高–

标志至平均相位中心所在平面的垂直距离单极天线微带天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2H’HHH’hRGPS信号接收机厂商Trimble（天宝）Leica（徕卡）Novtel（诺瓦泰）Ashtech（阿什泰克）Topcon（拓普康）Sokkia（索佳）南方中海达…GarminTrimble5700接收机主要部件天线主机手簿前面板顶面板底面板后面板主机组成按钮指示灯闪存卡/USB门扣数据按钮电源按钮记录/记忆LED卫星跟踪LED无线电台LED电池LED手簿、事件标记或电脑外接电源、电脑、1PPS或事件外接无线电、电源、基准站电台GPS天线无线电台内置电池内置电池舱闪存/USB门USB端口闪存卡南方S86按钮：重置按钮F1按钮F2按钮电源按钮指示灯：TX

发射信号灯RX

接收信号灯BT

蓝牙灯DATA

数据传输灯液晶显示屏(4)插卡处(5)通讯电缆接口，5针孔(6)通讯/USB接口，7针孔(7)充电器/外接电源接口，4针孔§3.2GPS卫星信号结构GPS卫星发射的信号由三部分组成载波测距码导航电文1、载波类型目前L1

–

频率：154f0

=1575.43MHz；波长19.03cmL2

–

频率：120f0=1227.60MHz；波长24.42cm现代化后增加L5

–

频率：115f0=1176.45MHz；波长25.48cmL119.03cm24.42cmL2作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移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减弱信号所受的电离层折射影响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）1、载波2、测距码作用测距性质为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）（随机、可准确复制）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为101＋10R(t)t01012、测距码类型目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–

粗码/捕获码；P（Y）码（PreciseCode）–

精码；现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码C/A码码率

1.023MHz；周期

1ms1周期含码元数

1023码元宽度

293.05m调制载波

L1P码码率

10.23MHz周期

7天1周期含码元数

6187104000000码元宽度

29.30m调制载波

L1、L2基准频率10.23MHzL11575.42MHzC/ACode1.023MHzP-Code10.23MHzL21227.60MHzP-Code10.23MHz÷10×154×12050BPS卫星电文3、卫星导航电文作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及电离层改正等信息组成结构1235430s123456789106s1帧含5个子帧1子帧含10个字子帧4、5含25页0.6s1字含30bit3、卫星导航电文基本内容第1子帧第2子帧第3子帧第4子帧第5子帧遥测字交接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表示码，时延改正，GPS周，数据龄期，星钟改正星历星历（多帧)信息（每25帧中，每1帧的内容都不同）（多帧)历书、健康状况等（每1帧的内容都不同）50bit/s300bit/子帧123451帧3、卫星导航电文遥测字（TLM–TelemetryWord）每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导交接字（HOW–HandOverWord）每一子帧的第2个字主要内容：Z计数，每子帧给一个计数，表示时间3、卫星导航电文第一数据块－第1子帧的第3-10个字WN

–

GPS周（1-10位）L2所调制测距码标识符–

“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码（11-12位）传输参数N用户距离误差代表测距精度（13-16位）TGD

–

信号在卫星内部的时延星钟数据龄期AODC星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）123451帧3、卫星导航电文第二数据块-广播星历(星历参数),第2、3子帧近地点参考时刻卫星轨道（）Mxyz30s重复2h更新123451帧3、卫星导航电文第三数据块-第4、5子帧其余GPS卫星的概略星历及其工作状态，也称为历书。作用：拟定观测计划有利于快速跟踪、锁定卫星123451帧4、卫星信号的调制第一步：首先将导航电文调制在测距码上第二步：然后将组合码调制到载波上导航电文调制到测距码上载波调制的一般方法：如果调制前载波为调幅：振幅A随调制信号的变化而变化调频：载波频率f随调制信号的变化而变化调相：相位随调制信号的变化而变化第二步：将组合码调制到载波上调频FM(FrequencyModulation)调幅AM(AmplitudeModulation)GPS卫星信号采用二进制调相法01010§3.3二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，卫星的运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道；而理想下的卫星轨道，称为无摄轨道。§3.2二体问题及卫星无摄轨道参数除地球中心引力外，其它的摄动力包括：地球非球性及质量分布不均2km/3h太阳和月亮的引力太阳辐射压力大气阻力地球潮汐作用力磁力1、卫星无摄轨道根数

开普勒第一定律（轨道定律)：卫星沿一个椭圆轨道环绕地球运行，而地球处于椭圆的一个焦点上ab近地点Ma：椭圆长半轴b：椭圆短半轴，也可以用偏心率e表示

:

升交点赤经

i

：轨道倾角

：近地点角距f:卫星真近点角升交点卫星轨道fM近地点春分点zxy升交点mfab近地点Mmf升交点a，b

:描述轨道椭圆形状

:描述轨道平面

:描述轨道椭圆方向

f

:

确定卫星瞬时位置升交点卫星轨道fM近地点春分点zxy2、真近点角的计算ab近地点M0mf平近点角M，假设卫星运动的平均角速度为n，则：

M=n×(t-t0)偏近点角EEm’（开普勒方程）§3.4GPS卫星位置的计算根据广播星历计算卫星位置根据精密星历计算卫星位置XY1、根据广播星历计算卫星位置计算思路1）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标;2）然后将上述坐标分别绕X轴旋转i角、绕Z轴旋转角，求出卫星在瞬时天球坐标系下的坐标。3）将瞬时天球坐标转换到瞬时地球坐标。M春分点升交点xyzZ近地点Mxyz起始子午面XYZ升交点春分点计算过程1)

计算卫星运行的平均角速度（引力常数和长半轴）（摄动参数）2)

计算t时刻卫星的平近点角

（参考时刻平近点角）3)

计算偏近点角4)计算真近点角5)计算升交距角（未经改正的）6)计算卫星向径（未经改正的）升交点卫星轨道fM近地点春分点zxy7)计算摄动改正项8)进行摄动改正9)计算卫星在轨道平面坐标系中的位置10)计算升交点经度L11)计算卫星在地球坐标系下的坐标2、根据精密星历计算卫星位置精密星历：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。IGS跟踪站分布*20071013000.00000000PG01-6196.00910415735910338159.022963PG02-8812.916751-20957.56459313789.324684142.220951PG035397.89885315162.975168