GPS测量技术第一章第二章

课程内容GPS卫星技术的发展概况；GPS系统的组成；卫星运行轨道及GPS星历；GPS卫星的导航电文和卫星信号；GPS卫星定位基本原理；GPS测量的误差来源及其影响；坐标系统和时间系统；GPS测量的设计与实施；GPS测量数据处理；GPS实时动态定位原理；GPS应用。什么是GPS？GPS的英文全称是

NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem

简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。其意为“导航卫星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。项目一：GPS测量技术概述任务一：卫星导航定位系统任务二：GPS系统概述1-2-1GPS系统组成1-2-2GPS卫星运行及其轨道1-2-3GPS卫星星历及卫星位置的计算1-2-4GPS卫星信号及信号接收机任务一：卫星导航定位系统常规定位方法及其局限性卫星定位技术概况卫星导航定位系统美国的GPS政策及各国的应对措施我国的国家GPS大地控制网1.1常规定位方法及其局限性近、现代的常规定位方法采用的仪器设备尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪电磁波或激光仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪观测值角度或方向观测距离观测天文观测方法

常规定位方法的局限性测站间需保持通视需要修建觇标边长受到限制作业难度大效率低：无用的中间过渡点无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制受系统误差影响大，如地球旁折光难以建立地心坐标需事先布设大量控制点/地面站1.2卫星定位技术概况1.2.1卫星定位技术的产生标志：1957年，苏联成功发射世界上第一颗人造卫星。背景：卫星定位技术提供精确的地心坐标提供全球统一的坐标能在长距离上进行高精度定位的技术全天候的，更为快捷、精确、简便的定位技术技术基础：卫星定位技术空间技术现代通信技术现代电子技术计算机技术1.2.2卫星定位技术

早期的卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的。仅仅将卫星作为空间测量目标，后来发展到了把卫星作为动态已知点的高级阶段。早期卫星定位技术子午卫星导航系统（NNSS）全球定位系统（GPS）卫星激光测距(SCR)(SatelliteLaserRanging)在ABC三个已知点上同时测定至卫星S1的三个距离，可以计算出S1的空间坐标；同理可测定S2、S3的坐标。在未知点D上和ABC三点同步观测卫星S1、S2、S3的距离值，同样可以计算出D点的坐标。

测距及相对定位精度可达厘米级。

仪器构成：激光发射、接收望远镜，卫星跟踪望远镜，光电转换器件，计数器，驱动机构，控制部分等。

测程：50M~8000KM

测距精度：厘米级卫星定位技术的优点：测站间无须通视；

既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。卫星定位技术不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。数学模型简单且能同时确定点的三维坐标；待定点的三维坐标只要两组方程就可以求得，不涉及重力场、椭球面上的复杂运算。易于实现全天候的观测。

GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。在长距离上仍可获得高精度的定位结果。利用空间技术进行相对定位时，其观测值的精度与测站间的间距基本无关，即使在数千公里的长边上仍能获得厘米级甚至毫米级的定位精度。子午卫星系统（卫星多普勒系统）系统简介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午卫星子午卫星星座系统组成空间部分卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz30=149.988MHz；4.9996MHz80=399.968MHz；星历）卫星星座–由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分多普勒接收机大地测量多普勒接收机-1（MX1502）大地测量多普勒接收机-2（CMA751）应用领域海上船舶的定位大地测量精度单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h~1.6h），精度约为10m联测定位：各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m子午卫星系统局限性系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务导航定位精度低卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低，难以进行精密定轨1.3卫星导航定位系统GPSGLONASSGalileo北斗卫星导航定位系统1.3.1GPS1973年批准研制GPS系统；1974~1993先后经历了方案论证、系统论证、生产试验三个阶段。GPS的发展简史——方案论证阶段1973年12月，美国国防部批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。GPS的发展简史——全面研制和试验阶段从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。22GPS的发展简史——实用组网阶段1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1993年底实用的GPS网，即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

1995年7月17日，GPS达到FOC–完全运行能力（FullOperationalCapability）。23GPS卫星星座GPS卫星

GPS卫星星座24颗卫星，卫星轨道面个数6个，卫星高度20200KM，轨道倾角55度，运行周期11小时58分，载波频率为1575和1227MHZ，GPS卫星在轨重量为843.68KG，设计寿命七年半。

GPS技术的特点全球地面连续覆盖

GPS卫星数目较多，且分布合理，地球上任何地点，均可连续同步观测到4颗卫星，实现了全球、全天候连续实时地三维定位。功能多，精度高GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。实时定位应用广泛GPS系统广泛应用于大地测量、工程测量、变形测量、地籍测量、航空摄影测量和海上测绘等。1.3.2GLONASSGLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）开发者俄罗斯（前苏联）系统构成卫星星座地面控制部分用户设备GLONASS卫星运行状况

从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。到目前为止（2010年）,GLONASS系统共有26颗卫星在轨。其中有21颗卫星处于工作状态，2颗备用，3颗维护。目前，GLONASS系统新发射卫星上新增CDMA信号，提高其与其它系统的互操作性。近十年来GLONASS在轨卫星数目变化情况GLONASSconstellationGLONASSsatelliteP24GLONASSconstellationGLONASS与GPS的比较参数GLONASSNAVSTARGPS系统中的卫星数21＋321＋3轨道平面数36轨道倾角64.8°55°轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率1602~1615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHzGLONASS系统和GPS系统的比较一是卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址体制。而GLONASS采用频分多址体制，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。二是坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PE-90）。三是时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。31GLONASS系统的问题目前GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命短；GLONASS用户设备发展缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重；由于GLONASS采用的是FDMA，所以用户接收机中频率综合器复杂；对GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两系统的时间和坐标系统问题。1.3.3Galileo伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统进展2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。预计到2015年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。Galileo系统概况Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。GIOVEAGIOVEBtheGIOVESatelliteP29GIOVESatelliteGIOVE的主要目标:

频率信号测试；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；轨道环境特征测试；并行2或3通道信号传输测试。中欧导航系统之争“伽利略”卫星导航系统目前已陷入困境，不仅经费难以为继，连频率也被“北斗二代”优先占用。

中国的“北斗”卫星依照“谁先用谁先得”的原则，已使用了原本“伽利略”系统计划使用的频率。“伽利略”计划排挤中国自己反被排挤

36中欧卫星导航系统频率争夺历程蜜月期（2003年-2004年）中欧优势互补反对单极世界转折期（2005年-2007年）欧洲政治转向联美排挤中国竞争期（2008年-2009年）“北斗”横空出世技压“欧系”卫星371.3.4北斗卫星导航系统我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80º和140º的赤道上空）另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5º的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统——BD–1。北斗1代卫星导航系统组成图P32“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。定位原理“北斗一号”卫星定位系出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。工作流程北斗卫星的工作流程如图所示，地面控制中心向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户申请的服务内容进行相应的数据处理。工作流程图工作流程对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：一是从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；二是从中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，可以由上述两个延迟量计算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和。时间延迟示意图用户终端分为定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等与其它卫星导航系统比较与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD–1有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。BD–2为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD–2）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。中国航天部门于2006年年底公布了“北斗”系统的未来蓝图。据信，预计在“十一五”期间全面启动的第二期工程，整个系统的主要技术参数将有全面提高。尤其是在战时生存能力方面，此项工作将成为”十一五”期间的一项重要工作。1.4美国的GPS政策及各国的应对措施SPS与PPSSPS–标准定位服务使用C/A码，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS时间=340nsPPS–精密定位服务可使用P码，军用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS时间=200ns1.4.1美国政府的GPS政策SA技术（1990.3.25~2000.5.1）SelectiveAvailability–选择可用性人为降低普通用户的测量精度。方法:ε技术：降低星历精度（加入随机变化）δ技术：卫星钟加高频抖动 （短周期，快变化）AS技术（1994.1.31~至今）Anti-Spoofing–反电子欺骗P码加密，P+WY1.4.2应对GPS限制政策的措施改进GPS精密定位方法及软件，削弱SA和AS技术的影响我国已建立中国的GPS广域差分系统，可以使受SA干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级，可以更好的促进GPS在民间的利用。建立独立的GPS卫星测轨系统使用能同时接受GPS和GLONASS信号的接收机建立独立的卫星导航定位系统1.5我国的国家GPS控制网我国A级和B级GPS大地控制网分别于1996年和1997年完成意义：①改善和加强了我国传统天文大地网（克服传统天文大地网精度不均匀、系统误差大的缺点）；②建立起了地心参考框架和我国国家大地坐标系的转换关系；③提高我国大地水准面的精度。任务二：GPS系统概述

1-2-1GPS系统组成1-2-2GPS卫星运行及其轨道1-2-3GPS卫星星历及卫星位置的计算1-2-4GPS卫星信号及信号接收机1-2-1GPS系统的组成GPS定位系统的三大部分：空间星座部分——GPS卫星星座

地面监控部分——地面监控系统

用户部分——GPS接收机和用户1.1空间星座部分GPS空间星座的组成：GPS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。GPS卫星编号方式按卫星发射的先后顺序编号；根据GPS卫星所采用的伪随机噪声码PRN编号；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；根据美国航空航天局在其序列文件中编的NASA编号；根据卫星发射年代与该年代中的发射序列编的识别号。编号用于导航定位识别码用于供用户查询卫星有关数据卫星空间布局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。（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。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：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）发送到卫星的导航电文和其他信号；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；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。57GPS卫星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类型

试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡBlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36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

改善卫星BlockⅢ（计划在2014年要发射

）58GPS卫星改进GPS卫星（试验卫星）60BlockⅠ卫星BlockⅠ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BLOCKⅡ,BLOCKⅡA,BLOCKⅡR,BLOCKⅡF）61BlockⅡ卫星BLOCKⅡ卫星重约1.5T，设计寿命为7.5年，平均使用时间预期为6年。一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥•伽西亚(DiegoGarcia) 卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)地面监控站的分布组成1.2地面监控部分一个主控站：科罗拉多•斯必灵司（ColoradoSprings）三个注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)

卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)主控站主控站设在美国本土科罗拉多州斯平土（ColoradoSprings）作用：收集数据：收集各监测站监测获得的伪距和积分多普勒观测值、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等数据。数据处理：根据收集的数据计算各卫星的星历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正等，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。监测与协调：一是承担控制和协调各监测站和注入站的工作；二是监测整个地面监控系统是否正常，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发送给用户。调度卫星：修正卫星的运行轨道，调用备用卫星去接替失效卫星的工作。监控站监控站设备：一台双频接收机；一台高精度原子钟；一台计算机；若干台环境数据传感器；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。利用环境传感器测出当地的气象数据。监控站的作用

监控站伪距导航数据气象数据卫星状态数据主控站测量传送

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。

整个地面监控部分，除主控站外均无人值守。

地面监控系统的工作程序方框图如右图所示。监控系统工作程序

注入站地面监控系统工作流程

1.3用户设备部分

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信号接收机用户设备数据后处理软件GPS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，灵敏度高，抗干扰性强。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。电源:分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池。GPS接收机天线前置放大器GPS信号接收机射电部分微处理器电源部分数据存器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制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Trimble（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

接收机按用途按接收机结构分类

按接收机作业模式按载波频率

GPS分类分体式接收机、整体式接收机、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84水上测量/导航用GPS系统85个人旅游休闲及户外运动用GPS产品86带电子地图的导航型GPS接收机知识点回顾GPS系统组成；GPS系统组成及基本参数；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。1-2-2GPS卫星运行及其轨道主要内容：

二体问题的运动方程开普勒定律卫星无摄运动的轨道参数

真近点角V的计算

卫星的受摄运动概述（一）问题的提出

①研究GPS轨道运动理论是运用GPS卫星定位的必须条件；

②描述卫星空间运行轨迹需要卫星轨道参数；

③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究卫星运动轨迹的基础。（二）卫星的受力：卫星受到的各种具体作用力：地球对卫星的引力日月对卫星的引力大气阻力太阳光压地球潮汐力等可将作用力归纳分为两类：地球质心引力（中心引力）；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）。（三）卫星的运动：二体问题--仅考虑地球质心引力的卫星运动称为二体问题。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（四）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。下面通过二体问题的研究，学习卫星轨道是如何获取的？2.1卫星的无摄运动

所谓卫星的无摄运动是将地球视作匀质球体，且不顾其他摄动力的影响，卫星只是在地区质心引力作用下二运动。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；全部作用下的卫星运动更精确解的基础。2.1.1卫星的无摄运动—二体问题二体问题（无摄运动）

（1）将地球和卫星当作两个质点在万有引力作用下的运动称为二体运动；（2）开普勒定律确定了卫星的运行轨道；（3）采用开普勒轨道参数（轨道根数）描述卫星轨道与地球赤道的相对位置关系及卫星的位置。yxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道iv二体问题下卫星的运动方程前提：在忽略摄动力的影响因素下，卫星和地球可看成质量集中于质心的质点。研究内容：研究二个质点在万有引力作用下的运动规律问题

依据万有引力定律，卫星和地球之间存在相互作用力。

地球受卫星引力可由下式表示：

②根据牛顿第三定律，可得卫星受到的作用力

③根据牛顿第二定律F=ma,可得地球及卫星的运动方程：

④由上式相减，得到二体意义下卫星相对物体的运动方程：开普勒定律开普勒（JohannesKepler）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。

①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，是时间的函数。abMms近地点远地点Vr

②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

③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。2.1.2卫星无摄运动的轨道参数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。真近点角V当卫星处于轨道上任一点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。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m″P所对的圆心角称为偏近点角，以E表示。平近点角M0按若卫星的平均角速度，则平近点角为1052.1.3真近点角V的计算m″m′m

aMrab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。106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0.01左右，所以迭代两次便可求得偏近点角。偏近点角E与平近点角有一下重要关系：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：

卫星运动的摄动力地球的非中心引力太阳的引力和月球的引力太阳的直接与间接辐射压力太阳的阻力地球的潮汐作用磁力等2.2卫星的受摄运动在摄动力的作用下，卫星的运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道。卫星受到的摄动力地球引力场摄动力影响约为10-3量级，其他摄动力影响大多小于或接近于10-6量级。地球非球形引力的摄动北凸南凹的梨形地球

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，使升交点赤经产生周期性变化，设其变化速率为,时升交点赤经为Ω，对于任一时刻t的升交点位置表示为112

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。

2.2.1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113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的平近点角为若设，则对GPS卫星可得。2.2.2地球非球形引力的摄动对卫星轨道的影响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。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。引起平近点角的变化日月引力又称第三体引力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对卫星产生的摄动加速度约为510-6m/s2太阳引力的影响，仅约为月球引力的0.46倍2.2.3日月引力的摄动太阳辐射压力2.2.4太阳光压的影响入射作用力发射作用力反照压力（被地球反射的太阳光产生的压力，为辐射压力的1%，可忽略）太阳光压对卫星产生的加速度，约为10-7m/s2量级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。海潮大气潮2.2.5地球潮汐摄动力地球潮汐摄动力，对于在36000km高度的卫星（GPS卫星高度为20200km），摄动量约为110-10，故常被忽略。对低轨道卫星影响较大对于GPS卫星（高度为20200km）的影响可忽略2.2.6大气阻力摄动力对卫星的影响地球的实际运动受到摄动力作用的影响，结果是开普勒轨参数不再是常数而成为时间的函数。1、地球形状不规则，质量分布不均匀的影响：卫星的运动轨道并不在一个平面上，而是在空间划出一条螺旋状曲线；2、日月引力影响：日月引力影响对卫星轨道的影响是长周期的，主要影响来自月球，太阳的影响力大略是月球的46％，在3h的轨道弧段上，大略会造成50－150m的位置误差；3、太阳光压的影响：太阳光压的影响大略会使卫星在在3h的轨道弧段上，产生5－10m的位置误差；4、其他摄动力影响：大气的摄动影响、固体潮及海洋潮汐的影响对于一般的GPS用户，可以忽略不计。120知识点回顾卫星运动轨道基本参数真近点角的计算1-2-3GPS卫星星历及卫星位置计算GPS卫星星历GPS卫星在轨道平面内位置的计算3.1

GPS卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息。卫星星历描述某一时刻的卫星运动轨道参数及其变率。根据卫星星历，可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。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。123GPS卫星星历GPS卫星星历可以分为：预报星历（广播星历，broadcastephemeris）；后处理星历（精密星历，preciseephemeris）。1243.1.1预报星历预报星历，通过卫星发射的、含有轨道信息的导航电文传递给用户,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。包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动项改正参数。125参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。参考星历只代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数。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。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。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。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。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。卫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。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。128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。

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。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:2个参考时刻;6个相应参考时刻的开普勒轨道参数;9个反映摄动力影响的参数。3.1.2GPS卫星的后处理星历后处理星历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。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的实测星历。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。131后处理星历是一些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。后处理星历不是通过卫星广播的。需要通过无线电、网络等通信方式向用户传递。是有偿服务。1323.2GPS卫星位置的计算

-根据广播星历计算卫星位置计算思路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X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地心系下的坐标轨道平面坐标系轨道参数卫星在其轨道平面内的位置计算

计算真近点角Vk计算卫星运行的平均角速度n计算归化时间tk计算升交距角u0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计算卫星的轨道平面直角坐标计算轨道平面1：计算卫星运行的平均角速度n

计算过程计算卫星运行的平均角速度

〉GPS系统及其信号>GPS卫星在轨位置的计算轨道平面2：计算归化时刻tk

〉GPS系统及其信号>GPS卫星在轨位置的计算轨道平面3：计算观测时刻的平近点角Mk

4：计算偏近点角Ek

5：卫星向径r0计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角计算卫星向径（未加摄动改正）

〉GPS系统及其信号>GPS卫星在轨位置的计算轨道平面6：计算计算卫星真近点角Vk、升交点角距u07：计算摄动改正项δu、δr、δi

计算真近点角计算升交距角计算摄动改正项MωVkrk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进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置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ΩK计算卫星在地心空间直角坐标系中的坐标

计算地心坐标1：计算观测时刻的升交点经度k观测时刻的升交点经度k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GAST（春分点和格林尼治起始子午线间角距）之差，即：k=-GAST观测时刻t时的升交点赤经：=oe-（t-

toe）

由电文中可求式中，

oe

为toe的升交点赤经；为变率；电文中每小时更新一次toe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

GAST随地球自转而增加，其增值速率为地球自转速率，设一个星期开始时刻的格林尼治恒星时为GAST，则导航电文给我们提供的不是时的升交点赤经，而是始于格林尼治起始子午线到升交点的准经度，它们之间的关系是将式（2.30）、（2.31）、（2.32）一并代入式（2.29），则得升交点的经度为：

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直方向。地心坐标3：卫星在地心坐标系中的位置地心坐标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

根据卫星在轨道平面上的直角坐标->地心坐标系：

沿地心—升交点轴旋转i角，使轨道平面与赤道平面重合。沿Z轴旋转k角，使升交点与格林尼治子午线重合。这样，便得到卫星在地心坐标系中的直角坐标（X、Y、Z）。其数学表达式如：1-2-4GPS卫星信号及信号接收机GPS信号的内容、结构GPS测距码GPS的导航电文GPS信号接收机4.1GPS卫星信号的内容、结构GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。GPS卫星发射的信号包含：载波信号、测距码、导航电文。4.1.1载波信号

可运载调制信号的高频震荡波为载波GPS发射位于L波段的两种频率的载波信号：L1载波：fL1=154×f0=1575.42MHZ，波长λ1=19.032cm；L2载波：fL2=120×f0=1227.6MHZ，波长λ2=24.42cm；GPS卫星信号的调制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被加载的频率较低的信号称为调制信号GPS卫星的L1和L2载波上携带测距信号和导航电文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”1”时，与载波相乘，不会改变载波的相位；当码的波型为”-1”时，与载波相乘，载波相位改变180度。当码值(调制信号)从1变成0，或从0变成1时，将使载波相位改变180度。调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发。载波信号的作用：携带测距信号和导航电文传送给用户；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2~3数量级）；精确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延迟影响（电离层折射延迟与信号的频率有关）选择两个频率可以较好地消除信号的电离层延迟作用测距性质为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）特点确定的编码规则可复制性周期性自相关性4.1.2测距码产生若干多级反馈移位寄存器所产生的m序列经复杂处理后形成包含C/A码、P（Y）码测量原理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1有关码的基本概念表达不同信息的二进制数（“0”和“1”）及其组合，称为码在二进制中，一位二进制数称为一个码元或比特（bit，被取为码的度量单位）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，这个过程称为编码例如：两位二进制数的不同组合11,10,01,00，这些组合形式被称为码，其中每个码含有两个码元

伪随机噪声码又叫伪随机码或者伪噪声码，简称：PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。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。具有周期性、易被复制等特性。GPS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。伪随机噪声码的产生方式很多。GPS技术采用m序列，即产生于最长线性反馈移位寄存器。4.2GPS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序列的特性:1.均衡性：一周中1与0基本相等。1比0多1个。不允许全0。2.游程分布：相同码元连在一起为一游程。左图4级M序列为8个游程：长度为1的4个，长度为2的2个，长度为3的1个，长度4的1个。3.移位相加特性：一个M序列与其移位后另一M序列相加仍是M序列。4级M序列的周期m=154.自相关特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m5.伪噪声特性：M序列为伪随机码或人工复制噪声码。a3a2a1a0初始10001100111011110111…………4级M序列的产生方框图输出M序列:000111101011001输出m序列伪随机噪声码的自相关特性对齐时：000111101011001未对齐时：000111101011001000111101011001100011110101100A=15,D=0,R=（A-D）/m=1A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15

每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ)

两种载波(L1和L2)

两种码信号(C/A码和P码)

一组导航电文(信息码，D码)GPS卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。主要包括：卫星星历时钟改正卫星工作状态信息电离层延迟修正参数这些信息按照一定的数据帧格式播发给用户，成为数据码（D码）。4.1.3GPS导航电文导航信息被调制在L1载波上发送，频率为50HZ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广播星历导航电文亦是二进制数码，依规定的格式组成，按帧向外播送，每帧电文的长度为1500bit，播送速率为50bit/s。导航电文的组成每25帧构成一个主帧25颗卫星的星历4.2.1C/A码定义粗捕获码，即用于进行粗略测距和捕获精码的测距码属于伪随机噪声码（PRN码）频率C/A码频率f1=1/10×f0=1.023MHZ，仅被调制在L1载波上特征公开明码、民用、测距精度±（2~3）m4.2GPS测距码C/A码特征：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/f1≈0.977752μs

空间失距=293.1m（码元宽与C的乘积）

周期Tu=Nutu=1ms

数码率=1.023Mbit/sC/A码特性易于捕获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1/10~1/100，则对应的测距误差可达2.9~29.3m；

由于C/A码的测距精度低，因此也被称为粗捕获码4.2.2P码定义精码，即用于精确测定从GPS卫星至接收机距离的测距码属于伪随机噪声码（PRN码）频率C/A码频率f1=f0=10.23MHZ，被调制在L1和L2载波上特征保密Y码、军用、测距精度高P码特征：码长Nu≈2.35*1014比特码元宽度tu≈0.0977752μs

空间失距=29.3m

周期Tu=Nutu≈267d

数码率=10.23Mbit/sP码特性常规方法不易捕获，需借助于C/A码信息P码码长较长(周期小于1ms)，对P码进行逐个搜索，用时长，不易捕获；通过捕获的C/A码得到的GPS卫星导航信息，可方便的捕获P码。测距精度高C/A码的码元宽度较C/A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1/10~1/100，则对应的测距误差可达0.293~2.93m；P码的测距误差仅为C/A码的1/10。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-11023bit2.35×1014bit频率f0.1f0（1.023MHz）f0（10.23MHz）码宽tu=1/f0.97752μs0.097752μs周期=Nu×tu1ms267d码宽等效距离λ=c×tu293.1m29.3m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4.2.3L2C码L2C码称为城市码，被调制在L2载波上；包括2个PRN码，CM码和CL码；L2C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；增设L2C码可以用于解决C/A码只调制在L1载波，无法精确消除电离层延迟的问题。4.2.4GPS信号的传播扩频：将原拟发送的几十比特的速率的电文变换成发送几兆甚至上十兆比特速率的由电文和伪随机噪声码组成的组合。GPS采用信号扩频调制，把窄带信号扩展到一个很宽的频带上发出。高斯白噪声干扰下，通信系统信息容量为：由上述公式可以得出：在信息容量一定时，增大频带宽度B,可以减少信噪比S/N。信噪比，即SNR（SignaltoNoiseRatio）又称为讯噪比，狭义来讲是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示。信噪比越大表示输出信息越大，噪声越小。一组不包含我们想要的有用信息的量称为噪声扩频技术的作用省电（解决发射功率问题）保密（信噪比低，不易被捕获）有抗干扰作用4.3GPS导航电文第一数据块第二数据块第三数据块4.3.1遥测码（telemetryword,TLW）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。第1～8bit是同步码（10001001），为各子帧编码脉冲提供一个同步起点。第9～22bit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。第22、24bit是连接码。第25～30bit是奇偶校验码。奇偶校验码一个字码（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。例如：111001011101000110111010101110数据码文校验码文1110101010110110001110111101004.3.2转换码（handoverword,HOW）转换码位于每个子帧的第二个子码。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1～17bit，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。转换码的第25～30bit为奇偶校验码。4.3.3第一数据块第一数据块位于第1子帧的第3～10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。时延差改正Tgd电离层会使GPS在L1、L2上的信号发生时延。Tgd改正观测结果，提高定位精度。数据龄期AODC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-tt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。星期序号WNWN是从1980年1月6日子夜零时（UTC）起算的星期数，是GPS星期数。卫星时钟改正GPS时间系统以地面主控站的原子钟为基准。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。4.3.4第二数据块导航电文的第2和第3子帧组成第二数据块，内容为GPS卫星星历。内容包括：开普勒轨道6参数；轨道摄动9参数；时间参数。GPS卫星轨道参数4.3.5第三数据块第三数据块包括4、5两个子帧，内容包括了所有GPS卫星的历书数据。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。GPS卫星信号的构成作业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1-2-4GPS卫星信号及信号接收机GPS信号的内容、结构GPS测距码GPS的导航电文GPS信号接收机4.1GPS卫星信号的内容、结构GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。GPS卫星发射的信号包含：载波信号、测距码、导航电文。4.1.1载波信号

可运载调制信号的高频震荡波为载波GPS发射位于L波段的两种频率的载波信号：L1载波：fL1=154×f0=1575.42MHZ，波长λ1=19.032cm；L2载波：fL2=120×f0=1227.6MHZ，波长λ2=24.42cm；GPS卫星信号的调制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被加载的频率较低的信号称为调制信号GPS卫星的L1和L2载波上携带测距信号和导航电文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”1”时，与载波相乘，不会改变载波的相位；当码的波型为”-1”时，与载波相乘，载波相位改变180度。当码值(调制信号)从1变成0，或从0变成1时，将使载波相位改变180度。调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发。载波信号的作用：携带测距信号和导航电文传送给用户；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2~3数量级）；精确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延迟影响（电离层折射延迟与信号的频率有关）选择两个频率可以较好地消除信号的电离层延迟作用测距性质为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）特点确定的编码规则可复制性周期性自相关性4.1.2测距码产生若干多级反馈移位寄存器所产生的m序列经复杂处理后形成包含C/A码、P（Y）码测量原理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1有关码的基本概念表达不同信息的二进制数（“0”和“1”）及其组合，称为码在二进制中，一位二进制数称为一个码元或比特（bit，被取为码的度量单位）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，这个过程称为编码例如：两位二进制数的不同组合11,10,01,00，这些组合形式被称为码，其中每个码含有两个码元

伪随机噪声码又叫伪随机码或者伪噪声码，简称：PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。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。具有周期性、易被复制等特性。GPS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。伪随机噪声码的产生方式很多。GPS技术采用m序列，即产生于最长线性反馈移位寄存器。4.2GPS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序列的特性:1.均衡性：一周中1与0基本相等。1比0多1个。不允许全0。2.游程分布：相同码元连在一起为一游程。左图4级M序列为8个游程：长度为1的4个，长度为2的2个，长度为3的1个，长度4的1个。3.移位相加特性：一个M序列与其移位后另一M序列相加仍是M序列。4级M序列的周期m=154.自相关特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m5.伪噪声特性：M序列为伪随机码或人工复制噪声码。a3a2a1a0初始10001100111011110