GPS原理及其应用demo_4.ppt

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1、武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GPS原理及其应用徐晓华地理信息系统专业 20011130103土地资源管理专业 20019450102武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所4.1 GPS卫星信号卫星信号四、四、GPSGPS卫星的导航电文和卫星信号卫星的导航电文和卫星信号v有关码的基本概念有关码的基本概念二进制数：二进制数：0,1码：表达不同信息的二进制数及其组合码：表达不同信息的二进制数及其组合码元，比特：码的度量单位，一位二进制数称码元，比特：码的度量单位，一位二进制数称1码元或码元或1比特比特数码率，码率：二进制数字化信息的传输中，数码率，码率：二进制数字化

2、信息的传输中，每秒传输的比特数，单位为每秒传输的比特数，单位为BPS(bit/s)武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所随机噪声码：码元幅度的取值完全无规律的码随机噪声码：码元幅度的取值完全无规律的码序列，也称随机码序列序列，也称随机码序列随机噪声码的自相关性随机噪声码的自相关性伪随机噪声码（伪随机噪声码（Pseudo Random Noise-PRN）：）：不仅具有类似随机噪声码的良好自相关特性，不仅具有类似随机噪声码的良好自相关特性，而且具有确定的编码规则，周期性的且易复制而且具有确定的编码规则，周期性的且易复制武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所码长：二进制数中

3、码元的个数码长：二进制数中码元的个数周期：产生一序列周期：产生一序列PRN码的时间码的时间码元宽：产生一个码的时间或对应的距离码元宽：产生一个码的时间或对应的距离武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所vGPS卫星信号的结构卫星信号的结构包括载波（包括载波（Carrier）、）、测距码（测距码（Code）和和卫星（导航）电文（卫星（导航）电文（Message）载波：载波：L1L2测距码：测距码：C/A码（目前只被调制在码（目前只被调制在L1上）上）P(Y)码（被分别调制在码（被分别调制在L1和和L2上）上）卫星（导航）电文卫星（导航）电文武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研

4、究所vGPS卫星的基准频率卫星的基准频率 f0由卫星上的原子钟直接产生由卫星上的原子钟直接产生频率为频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频或分频武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v载波载波作用作用搭载其它调制信号搭载其它调制信号测距测距测多普勒频移测多普勒频移武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所类型类型目前目前L1 频率：频率：154 f0 =1575.43MHz；波长：波长：19.03cmL2 频率：频率：120 f0 =1227.60MHz；波长

5、：波长：24.42cm现代化后现代化后增加增加L5 频率：频率：115 f0=1176.45MHz；波长：波长：25.48cm武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v测距码测距码作用：测距作用：测距性质：为伪随机噪声码性质：为伪随机噪声码武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所类型类型目前目前C/A码（码（Coarse/Acquisition Code）粗粗码码/捕获码；码率：捕获码；码率：1.023MHz；周期：周期：1ms；1周期含码元数：周期含码元数：1023；码元宽度：；码元宽度：293.05m；仅被调制在仅被调制在L1上上P（Y）码（码（Precision Co

6、de）精码；码精码；码率：率：10.23MHz；周期：周期：7天；天；1周期含码元周期含码元数：数：6187104000000；码元宽度：；码元宽度：29.30m；被调制在被调制在L1和和L2上上武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所现代化后现代化后在在L2上调制上调制C/A码码在在L1和和L2增加调制增加调制M码码武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所4.2 GPS卫星导航电文卫星导航电文卫星（导航）电文卫星（导航）电文定义：包含有关卫星的星历、卫星工作状态、定义：包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、时间系统、卫星钟运行状态、轨道

7、摄动改正、大气折射改正和由大气折射改正和由C/A码捕获码捕获P码等导航信息码等导航信息的数据码（的数据码（D码）码）作用：向用户播发卫星星历、卫星钟参数、作用：向用户播发卫星星历、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息卫星状态信息及其它信息基本结构基本结构武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所按帧播发，播发速度按帧播发，播发速度50BPS每主帧含每主帧含5个子帧个子帧每子帧每子帧10个字，每字个字，每字30bit主帧之间，主帧之间，1、2、3子帧每小时更新一次，子帧每小时更新一次，4，5子帧仅在卫星注入新的导航数据后才更子帧仅在卫星注入新的导航数据后才更新新武汉大学测绘学院武汉大学测绘

8、学院空间大地测量研究所导航电文的基本内容导航电文的基本内容武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所卫星（导航）电文（续）卫星（导航）电文（续）遥测字（遥测字（TLM Telemetry Word）每一子帧的第每一子帧的第1个字个字用作捕获导航电文的前导用作捕获导航电文的前导转换码（交接字）（转换码（交接字）（HOW Hand Over Word）每一子帧的第每一子帧的第2个字个字主要内容：主要内容：Z计数（从每周开始子夜零时计数（从每周开始子夜零时起算的时间计数，表示下一子帧开始瞬间起算的时间计数，表示下一子帧开始瞬间的的GPS时，为实用方便一般为发播的子帧时，为实用方便一般为发播的

9、子帧数）数）武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所卫星（导航）电文（续）卫星（导航）电文（续）第一数据块第一数据块第第1子帧的第子帧的第310个字个字内容：内容：WN GPS周周L2所调制测距码标识符所调制测距码标识符 “10”表示表示C/A码，码，“01”表示表示P(Y)码码传输参数传输参数N URATGD 信号在卫星内部的时延信号在卫星内部的时延星钟数据龄期星钟数据龄期AODC星钟改正参数星钟改正参数a0，a1，a2武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所卫星（导航）电文（续）卫星（导航）电文（续）第二数据块第二数据块第第2、3子帧的第子帧的第310个字个字内容：该发

10、送信号卫星的星历内容：该发送信号卫星的星历 广播星广播星历历星历参数星历参数武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所卫星（导航）电文（续）卫星（导航）电文（续）第三数据块第三数据块第第4、5子帧的第子帧的第310个字个字内容：所有卫星历书（概略星历）内容：所有卫星历书（概略星历）第三数据块的内容每第三数据块的内容每12.5分钟重复一次分钟重复一次武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所卫星信号的调制卫星信号的调制模二和模二和运算规则运算规则二进制信号：二进制信号：“1”表示二进制表示二进制“0”，“-1”表示二进制表示二进制“1”，则，则武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间

11、大地测量研究所二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所卫星信号的调制卫星信号的调制框图框图武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所卫星信号的调制原理卫星信号的调制原理卫星信号的解调卫星信号的解调复制码与卫星信号相乘复制码与卫星信号相乘平方解调技术平方解调技术武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所4.3 GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理GPS接收机的分类接收机的分类按用途分按用途分导航型导航型测地型测地型授时型授时型按载波频率分按载波频率分单频接收机单频接收机(L1)双频接收机双频接收机(L1,L2)武汉大学测绘学

12、院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所按接收机通道分按接收机通道分多通道接收机多通道接收机具有四个以上信号通道，每个通道只连续跟踪具有四个以上信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号一个卫星信号序贯通道接收机序贯通道接收机序贯通道：对进入该通道的卫星，按时依次进序贯通道：对进入该通道的卫星，按时依次进行跟踪测量，量测一个循环，大于行跟踪测量，量测一个循环，大于20ms多路复用通道接收机多路复用通道接收机序贯通道：对进入该通道的卫星，按时依次进序贯通道：对进入该通道的卫星，按时依次进行跟踪测量，量测一个循环，小于等于行跟踪测量，量测一个循环，小于等于20ms武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地

13、测量研究所按接收机工作原理分按接收机工作原理分码相关型码相关型优点：既可进行伪距测量也可进行载波相位优点：既可进行伪距测量也可进行载波相位测量，并能获得导航电文，具有良好性噪比测量，并能获得导航电文，具有良好性噪比缺点：用户必须掌握缺点：用户必须掌握PRN码结构码结构平方型平方型优点：无需掌握码结构，便能获得载波优点：无需掌握码结构，便能获得载波缺点：无法获得导航电文和时间信息，性噪缺点：无法获得导航电文和时间信息，性噪比较差比较差混合型混合型武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GPS接收机的组成及工作原理接收机的组成及工作原理天线天线接收机主机接收机主机电源电源武汉大学测绘学院

14、武汉大学测绘学院空间大地测量研究所天线单元天线单元类型：单极天线、微带天线、锥形天线类型：单极天线、微带天线、锥形天线等等相位中心相位中心天线的平均相位中心与几何中心天线的平均相位中心与几何中心天线平均相位中心的偏差天线平均相位中心的偏差天线平均相位中心偏差的消除：归天线平均相位中心偏差的消除：归心改正、消去法心改正、消去法天线高天线高武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2HHHHhR武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所思考题思考题1：GPS信号是由哪几部分组成的，信号是由哪几部分组成的，各部分有什么作用各部分有什么作用？思考题思考题2：什么是伪随机噪声码？：什么是伪随机噪声码？思考题思考题3：GPS卫星导航电文的基本结构卫星导航电文的基本结构是怎样的？是怎样的？