3-全球定位系统的组成及信号结构解析

GPS测量与数据处理联系信息办公室：南校区图书馆901室E-mail：215945824@考试成绩(70%)+平时成绩(30%)考核方式第三章 GPS组成及信号结构§3.1全球定位系统的组成§3.2GPS卫星的信号结构§3.1全球定位系统的组成GPS的系统组成GPS系统的组成空间部分地面控制部分用户设备部分全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成GPS的空间部分①GPS的空间部分的组成GPS卫星星座全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的空间部分6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55

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）GPS的空间部分②全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的空间部分GPS卫星星座设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15

以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：31颗GPS的空间部分③全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的空间部分GPS的空间部分④GPS卫星的地面轨迹全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的空间部分GPS的空间部分⑤GPS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全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的空间部分GPS卫星（续）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）：卫星间可相互跟踪和相互通讯。

BlockⅡR–M:L2载波上调制了民用码L2CBlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率L5（1176.45MHz）BlockⅢ：研制中。GPS的空间部分⑥全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的空间部分GPS的空间部分⑦Block

IIRBlock

IIABlock

IIABlockⅢBlock

IIF不同类型的GPS卫星全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的空间部分GPS的地面监控部分①地面监控部分（GroundSegment）组成主控站：1个监测站：17个注入站：4个通讯与辅助系统全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的地面监控部分

GPS的地面监控部分②地面监控部分——分布图全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的地面监控部分

GPS的地面监控部分③监测站（17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： 全球分布，包括1个主控站和4个注入站。全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的地面监控部分

GPS的地面监控部分④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。全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的地面监控部分

GPS的地面监控部分⑤注入站（4个）作用： 将导航电文注入（卫星星历）GPS卫星。地点：

CapeCanaveral（美国海军基地）阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的地面监控部分

GPS的用户部分①组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的用户部分GPS的用户部分②GPS信号接收机组成天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源天线单元接收单元全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的用户部分GPS的用户部分③天线单元类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的用户部分GPS的用户部分④天线单元（续）特点单极天线单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线–单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线–双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的用户部分GPS的用户部分⑤天线单元天线特性相位中心、增益方式、带宽、极化相位中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心改正、消去法天线高：标志至平均相位中心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心

1

2L1的平均相位中心r1r2H’H

HH’hR全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的用户部分GPS的用户部分⑥接收单元接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序贯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的用户部分GPS的用户部分⑦全球定位系统的组成及信号结构>GPS的组成>GPS的用户部分§3.2GPS卫星的信号结构概述GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2L5（afterBlock

IIF）测距码（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）L2C码导航电文（Message）GPS卫星信号的生成关键设备–原子钟全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>概述GPS卫星的基准频率f0由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星的基准频率

GPS卫星信号结构全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构载波①作用搭载其它调制信号测距（高精度测量）测定多普勒频移类型目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后（afterBlock

IIF）L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>载波载波②特点所选择的载波频率有利于测定多普勒频移高频率载波有利于减弱信号所受的电离层折射影响使用两个频率可以较好地削弱信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟与信号的频率有关），三个频率将进一步削弱电离层折射的影响。全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>载波测距码①作用捕获卫星信号测距性质伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）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全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>测距码测距码②类型目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；频率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：（1ms/1023）×C=293.05m；仅被调制在L1载波之上P（Y）码（PreciseCode）–精码；频率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上GPS现代化后在L2上调制L2C码在L1和L2增加调制M码L5载波上调制L5码全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>测距码导航电文①作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、电离层改正信息以及卫星工作状态信息等信息，亦称数据（D）码。基本结构（图3-7，P56）全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文导航电文②基本内容全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文导航电文③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个字主要是为了使用户在捕获到C/A码解调出导航电文后能尽快捕获P（Y）码主要内容：Z计数全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文导航电文④第一数据块第1子帧的第3~10个字内容：WN：GPS周L2所调制测距码标识符：“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码传输参数

：URA（用户测距精度）TGD：信号在卫星内部电路中的群延差（TotalGroupDelay）星钟数据龄期AODC：星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）：全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文导航电文⑤第二数据块第2、3子帧的第3~10个字内容该发送信号卫星的星历－广播星历星历参数（6个开普勒轨道参数；9个轨道摄动参数）全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文导航电文⑥第三数据块第4、5子帧的第3~10个字内容：所有卫星历书（概略星历），作用是制定观测计划和有利于快速捕获卫星信号卫星的健康状况/AS标识以及卫星类型标识/GPS时与UTC的关系参数/电离层改正参数等第三数据块的内容每12.5分钟重复一次全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文星历参数详解①全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>星历参数详解以上两参数描述卫星轨道平面在空间的指向，也就是与地球坐标系统的相对位置星历参数详解②全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>星历参数详解长半径和偏心率给出了卫星椭圆轨道的形状和大小确定了卫星在椭圆轨道上的位置和指向近地点角距卫星过近地点的时刻或卫星的平近点角星历参数详解③全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>星历参数详解星历参数详解④全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>星历参数详解卫星信号的调制①模二和GPS卫星信号采用二进制相位调制法。先将导航电文调制在测距码上，再将组合码调制到载波上。运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星信号的调制卫星信号的调制②二进制信号的相位调制调相PM全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星信号的调制卫星信号的调制③GPS卫星信号的调制（图3-11，P71）示意图卫星信号的调制原理全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星信号的调制GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置①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，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道参数全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置③计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

fGPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置④计算过程（续）计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑤计算过程（续）计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑥计算过程（续）计算升交点经度计算卫星在瞬时地固坐标系下的坐标计算卫星在协议地球坐标系下的坐标（经极移改正即可）全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

精密星历 按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.101111