Gps新版第一部课件

第五章卫星导航系统第五章卫星导航系统（Satellitenavigation）

卫星导航系统示意图一、卫星导航系统的发展卫星导航系统起源于20世纪60年代美国：（1964年）NNSS→（1973~1995年）GPS俄罗斯（前苏联）：（1968年）Tsikada→（1978~1995年）GLONASS第五章卫星导航系统第一节卫星导航系统概述星基导航系统优点导航范围从地面、水面、近地空间延伸到外层空间可实现高精度（从几十米级到厘米级）、全天候、连续和近于实时的导航功能全面（定位、导航、通信、识别、授时）抗干扰性好，保密性强，自动化程度高二、卫星导航系统的特点

不足地面工程及卫星设备投入巨大，维护费用高，卫星寿命有限有些卫星导航系统不能提供连续、实时导航定位或只能实现区域导航定位卫星轨道有漂移，需要增加扰动补偿系统卫星导航系统还不能为水下导航卫星导航系统仍然受少数国家的垄断和控制二、卫星导航系统的特点三、当前全球各主要卫星导航系统简介（一）GPS卫星导航系统（NAVigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem）（二）格罗纳斯卫星导航系统(GLONASS，GlobalNavigationSatelliteSystem)（三）北斗卫星导航系统（Compass）三、当前全球各主要卫星导航系统简介（四）伽利略卫星导航系统（Galileo）（五）其它：日本QZSS（准天顶卫星系统）印度IRNSS（印度无线电导航卫星系统）欧洲EGNOS（欧洲静地导航重迭系统）增强系统美国WAAS广域增强系统GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）的概念四、卫星导航系统的分类

卫星导航系统的分类分类方法具体分类1.测量的导航定位参量测角、测距、测速和测量多种参量系统2.工作原理多普勒型、距离型、多普勒和距离混合型3.卫星运行轨道的高度低（900～2700km）、中（13000～20000km）和高（20000～48000km）轨系统4.用户获得导航定位数据的情况间断、连续、实时和非实时卫星导航系统5.工作区域全球覆盖、区域覆盖、连续性全球覆盖、连续性地带覆盖和连续性区域覆盖系统6.工作方式无源系统和有源系统五、卫星轨道参数1、开普勒定律第二定律（面积定律）：行星/卫星的向径（太阳/地球和

行星/卫星的连线）在相等的时间内扫过相等的面积。第三定律（周期定律）：行星/卫星绕太阳/地球周期的二次方和其椭圆轨道长半轴的三次方成正比()。PS真近点角vA第一定律（轨道定律）：行星/卫星在不同的椭圆轨道上围绕

太阳/地球运动，太阳/地球是这些椭圆的一个焦点。真近点角v：变化率（角速度）是变量平近点角M：假想卫星以平均角速度运行的真近点角平近点角变化率＝2π/TMM2、卫星无摄动轨道参数N＇ΩVSiw近地点P卫星升交点及其投影赤道春分点投影O卫星轨道参数轨道投影x远地点AN卫星轨道N：升交点 i：轨道倾角 Ω：升交点赤径M：平近点角w：近地点幅角 a：长半径e：轨道偏心率0<c/a<1其中：a，e——确定椭圆Ω，i——确定轨道平面w——确定椭圆长轴取向M——确定卫星在轨位置N——确定卫星轨道方向极轨道赤道轨道任意轨道=0圆0~1椭圆=1抛物线>1双曲线3.卫星的地心直角坐标系：OXYZO：取地球质点OX：指向格林经线零度OY：OX轴以东90度OZ：垂直于OXYZ平面S（x,y,z)GPS定位计算采用的WGS84坐标系GPS输出定位结果时要将WGS84坐标系转换成地理坐标系4.卫星覆盖区：卫星覆盖区是指卫星可见的地球表面ORRBAHPS一、GPS定位原理第二节GPS卫星导航系统定位原理（一）GPS球面测距定位卫星的位置通过地面站计算得到，为已知量；（xs,ys,zs)用户连续测到3颗卫星的距离，即可得到三个球面，其交点即为用户的位置；（x,y,z)卫星用户地面站（二）伪测距用户利用GPS接收机测得的距离不是用户到卫星的真距离，称为“伪距离”，测量伪距离称为伪测距。产生伪距的原因：1.卫星及用户的时钟偏差2.信号传播延迟【点击看图】太空电波折射电离层对流层结论：由于卫星及用户的时钟偏差、信号传播延迟，故GPS测量的并非是卫星到用户真实距离。用户测得的到第i颗卫星的伪距离：用户测得的到第i颗卫星的真实距离：X、Y、Z及Xsi、Ysi、Zsi分别是用户和卫星在空间三维坐标。代入则有：为求解用户的三维位置（X、Y、Z）：1.卫星的三维位置坐标（Xsi、Ysi、Zsi

）←卫星导航电文（星历表）2.卫星时钟偏差校正参量（Δtsi）←卫星导航电文3.信号传播延迟ΔtAi:电离层折射误差←双频发射（1575.42MHz和1227.60MHz）修正对流层折射误差←卫星导航电文（大气校正参量+模型）4.伪距ri*为用户的观测量←光速乘以用户所测得的信号传播延时（时间）。思考：三维定位和二维定位需要观测几颗卫星？三.GPS卫星导航系统设置GPS卫星导航系统由三部分组成GPS导航卫星（空间部分)地面站（控制部分）用户接收机设备（用户部分）

24（21+3）颗高轨（20183km）卫星目前在轨可用卫星为31颗6轨道面，轨道倾角约55度运行周期：约12小时双频发射：L1波段（1575.42MHz），由P码、CA码和导航数据调制

L2波段（1227.60MHz），由P码及导航数据调制三.GPS卫星导航系统设置（一）GPS卫星GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成和发送用于导航定位的信号（测距伪随机码、载波、卫星导航电文）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BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的GPS卫星组成：主控站（1个），跟踪站（5个），注入站（3个），通讯与辅助系统三.GPS卫星导航系统设置（二）地面站跟踪站GPS地面站分布主控站跟踪站注入站大西洋太平洋印度洋主控站（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：美国科罗拉多州福尔肯空军基地。GPS地面站作用注入站（3个）作用： 将导航电文注入GPS卫星。地点： 阿森松群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和夸贾林环礁（太平洋）GPS地面站作用跟踪站（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。GPS地面站作用三.GPS卫星导航系统设置（三）用户（GPS接收机）四、GPS卫星导航电文（一）GPS卫星信号结构（二）GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1:1575.42MHzL2:1227.60MHz测距伪随机码（RangingCode）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message）（三）GPS卫星导航电文

1.卫星电文的内容：卫星原子钟的校正参量、卫星历书、卫星星历、卫星识别标志等。主要用于计算卫星的位置及卫星钟差校正。2．卫星电文的结构L1:1575.42MHzP/CA码调制L2:1227.60MHzP（Y）码调制P:（星期六2400h开始）T＝7df＝10.23MHzCA:可辅助获得P码T＝1msf＝1.023MHz54123214365871096s0.6s0.02s30s1帧＝5个子帧1个子帧＝10个字1个字＝30bit4、5子帧分25页导航电文结构1、2、3子帧全相同历书导航电文内容TLMHOW数据块I(卫星钟校正)TLMHOW数据块II(星历)TLMHOW数据块II(星历)TLMHOW数据块III(历书)TLMHOW数据块III(历书)þýüþýü本星þýü更新/h

所有星更新/注入后6s，10字，30码/字子帧30s50字1500码帧（frame）结构3.卫星（导航）电文基本内容主帧＝25×帧＝25×(5×子帧)＝12.5min：完整历书子帧1，2，3：每小时更新一次子帧4，5：25页，12.5min收妥（四）伪随机码PRN（PseudoRandomNoise）1、什么是二进制伪随机码？伪随机二进制码是由若干个0和1的元素（码元）组成的二进制序列，它有随机序列的统计特性，但其产生可预先确定，并可以重复实现。10100102、伪随机码的特点良好的自相关性和互相关性性，抗干扰能力强，保密性极高

3、GPS采用的伪随机码（1）P码：连续、快速、长周期的伪随机二进制序列码，其码率为10.23MHz，码周期为7d（2）CA码：低速、短周期的伪随机二进制序列码，其码率为1.023MHz，码周期为lms【CA码测距精度较低，但它具有协助获得P码的能力

】4、GPS采用CA码及P码技术的优点码分多址识别：CA（P）码共有1025个（P码更多）结构不同的序列，可用于众多卫星分址；抗干扰能力：CA（P）码有良好的自相关函数，使其易于在噪声背景中被识别；不同的CA（P）码间有良好的互相关函数，则不同的卫星信号间的相互干扰很小。伪码加密：GPS数据经过CA（P）码扩频发射，又需经解扩提取。精确测距：如P码的码率为10.23MHz，码位宽度约为29.3m，假设码跟踪精度为码宽的1/100，那么P码的测距误差仅为0.29m。（五）卫星电文的传输