第3章 全球定位系统的组成及信号结构.ppt

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1、2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所1GPS原理及其应用原理及其应用主讲：李征航主讲：李征航2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所2第第3章章 全球定位系统的组全球定位系统的组成及信号结构成及信号结构2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所33.1 GPS坐标和时间系统坐标和时间系统4GPS坐标和时间系统坐标和时间系统GPS坐标系统坐标系统1984年世界大地坐标系（WGS-84 World Geodetic System）GPS时间系统时间系统 GPS时（时（GPST）秒长：原子时秒长计时方法：GPS周+周内秒数（TOW），每周以周日零时为起点时间起点：1980年

2、1月6日0时（在该时刻与UTC同步）其他特点：无跳秒2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所53.2 全球定位系统的组成全球定位系统的组成2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所6全球定位系统组成概况全球定位系统组成概况7GPS的组成的组成空间部空间部分分地面监地面监控部分控部分用户部用户部分分GPS2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所8空间部分空间部分9GPS的空间部分的空间部分构成：由构成：由GPS卫星所组成的卫星所组成的GPS卫星星座卫星星座GPS设计星座设计星座卫星设计数量：卫星设计数量：21颗工作卫星颗工作卫星3颗活动的备用卫星颗活动的备用卫星轨道面数量：

3、轨道面数量：6平均轨道高度：平均轨道高度：20200km轨道倾角：轨道倾角：55 轨道周期：轨道周期：11h 58min当前卫星数量：当前卫星数量：3210GPS设计星座轨道面及卫星配置设计星座轨道面及卫星配置11GPS卫星的结构及作用卫星的结构及作用用于导航定位的有效载荷用于导航定位的有效载荷原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置作用作用接收、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 12GPS卫星的类型卫星的类型试验卫星：试验卫星：Block 工

4、作卫星：工作卫星：Block Block：存储星历能力为14天，具有SA和AS的能力Block A（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Block R（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪和通信Block IIR-M：可发射L2C和M码Block F（F:Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率（1176.45MHz），2010年5月28日，首颗GPS IIF 卫星发射成功，8月27日正式投入使用。13GPS卫星的类型卫星的类型Block IIRBlock IIABlock II

5、ABlock IIRBlock IIFBlock IIR14当前的当前的GPS卫星星座情况卫星星座情况(2010-10-15)GPS星座的组成情况星座的组成情况152010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所16地面监控部分地面监控部分17GPS地面监控部分的组成地面监控部分的组成主控站：主控站：1个个监测站：监测站：17个个注入站：注入站：3个个通讯与辅助系统通讯与辅助系统18GPS地面监控部分的分布地面监控部分的分布Tahiti塔希提岛塔希提岛Alaska阿拉斯加阿拉斯加USNO海军天文台海军天文台South frica南非南非Bahrain巴林巴林United Kingdom英国英国

6、Australia澳大利亚澳大利亚New Zealand新西兰新西兰South Korea韩国韩国Ecuador厄瓜多尔厄瓜多尔Argentina阿根廷阿根廷GPS Monitor Stations NGA Site (5)NGA Site (6)USAF Site (6)Hawaii夏威夷夏威夷ColoradoSprings科罗拉多科罗拉多 泉城泉城Ascension阿松森岛阿松森岛Diego Garcia迭戈加西亚迭戈加西亚Cape Canaveral卡纳维拉尔角卡纳维拉尔角Kwajalein卡瓦加兰卡瓦加兰19主控站主控站地位地位地面监控系统的行政管理中心和技术中心作用作用管理、协调地面

7、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，送往注入站卫星维护与异常情况的处理地点地点美国科罗拉多州联合空间工作中心20监测站监测站地位地位无人值守数据自动采集中心作用作用对GPS卫星进行跟踪观测记录气象数据将上述观测数据传送到主控站地点地点全球共17个监测站，6个为美国空军的监测站，分别位于：科罗拉多泉城、卡纳维拉尔角、夏威夷、阿松森群岛、迭戈加西亚和卡瓦加兰21注入站注入站地位地位地面监控系统与卫星进行通讯的设施作用作用向卫星输入导航电文和其他指令地点地点迭戈加西亚、阿松森群岛、卡瓦加兰22通讯和辅助系统通讯和辅助系统作用作用负责地面监控系统各部分间的数据传送提供其他辅助服务组成

8、组成地面通讯网络海底电缆卫星通讯网络 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所23用户部分用户部分24用户部分的组成用户部分的组成组成组成用户接收设备接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备25GPS接收机的作用和组成接收机的作用和组成作用作用接收、处理、量测GPS卫星信号，进行定位、测时和授时等工作基本组成单元基本组成单元天线单元接收单元天线单元天线单元接收单元接收单元26天线单元的组成及类型天线单元的组成及类型组成组成天线前置放大器类型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27天线相位中心天线相位中心偏差偏差天线平均相位中心天线平均相位中

9、心相位中心的偏差相位中心的偏差天线平均相位中心与天线参考点之间的差异相位中心偏移的消除相位中心偏移的消除归心改正消去法L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2归心改正归心改正天线参考点天线参考点天线平均相位中心天线平均相位中心消去法消去法28天线高天线高天线高天线高标志至平均相位中心所在平面的垂直距离HHHHhR29接收单元接收单元接收单元的组成接收单元的组成信号通道存储器微处理器输入输出设备电源2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所303.3 GPS卫星的信号结构卫星的信号结构2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所31GPS卫星信号的成分卫星信号的成分32GPS卫

10、星信号的成分卫星信号的成分载波载波可运载调制信号的高频振荡波L1，L2,L5测距码测距码用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码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）导航电文导航电文由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星空间位置、工作状态、卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据的二进制码33GPS卫星信号的成分卫星信号的成分2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所34载波载波35载波的作用和类型载波的作用和类型 作用作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型类型目前L1 频率：154f0 =1575.43MHz；波长：19.03cmL2 频率：120f0

11、 =1227.60MHz；波长：24.42cmL5 频率：115f0 =1176.45MHz；波长：25.48cm36GPS载波信号的特点载波信号的特点有利于测定多普勒频移有利于测定多普勒频移有利于减弱信号所受的电离层折射影响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）延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所37测距码测距码38测距码的作用和性质测距码的作用和性质作用作用测距性质性质伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noi

12、se）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11.基本知识基本知识随机噪声码随机噪声码：在组成一组二进制码序列时，每一位数到底是取0还是1完全是随机的。伪随机噪声码伪随机噪声码：伪随机噪声码也称伪随机码，是按照一定规律编排起来的可以复制的周期性序列，故被用于进行测距。39 伪随机码进行模二相加时的规则伪随机码进行模二相加时的规则：40 矩形波相乘的规则矩形波相乘的规则：二进制码的信号波形表示法二进制码的信号波形表示法412 m序列序列42m序列是由一组线性反馈移位寄存器产生的。序列是由一组线性反馈移位寄存器产生的。433 C/A码码名

13、称名称粗码/捕获码码率码率1.023MHz周期周期1ms1周期含码元数周期含码元数1023码元宽度码元宽度293.05m调制载波调制载波L1 作用作用捕获卫星信号粗略测距C/A码的产生码的产生G1码的产生：码的产生：将第3级和第10级寄存器中的内容进行模二相加后反馈给第一级寄存器G2码的产生码的产生将第2、3、6、8、9、10级寄存器中的内容求模二和，然后再将结果反馈给第1级寄存器44G1码码 +G2码码 =C/A码码4 P码码名称名称精码（Precise Code）码率码率10.23MHz周期周期7天1周期含码元数周期含码元数6187104000000码元宽度码元宽度29.30m调制载波调制

14、载波L1和L245 P码由码由X1和和X2i两个二进制码序列模二相加后产生两个二进制码序列模二相加后产生 的的 X1码的产生：码的产生：X1A 码码1+X6+X8+X11+X12X1B码码1+X1+X2+X5+X8+X9+X1146P码的产生码的产生X2i码的产生码的产生由由X2A和和 X2Bi两个子序列模二相加后形成两个子序列模二相加后形成 X2A 多项式1+X1+X2+X3+X4+X5+X7+X8+X9+X10+X11+X12X2B 多项式1+X1+X2+X3+X4+X8+X9+X1247P码的作用码的作用P码的码速率为C/A码的10倍码元宽度为C/A码的1/10可以较精确地测定从接收机至

15、卫星的距离也被称为精码。485 Y 码码49原因原因 防止敌对方对美国军方用户进行电子欺骗和电子干扰产生方法产生方法 将P码与W码进行模二相加，以代替P码6 L2C码码50 属性 码名称码速率周期L2 CM511.5 Kbps20 msL2 CL511.5 Kbps1.5 sL2C码的码速率为1.023 Mbps,由L2 CM码和L2 CL码组成。各各GPS卫星在生成卫星在生成L2 CM码和码和L2 CL码时所设置的初始状态码时所设置的初始状态517 L5码码频率频率 1176.45 MHZ码速率码速率 10.23 Mbps码元宽度码元宽度 29.3 m52 首颗Block IIF卫星已正式运

16、行，搭载L5频率的民用信号L5码的生成码的生成由两个相互正交的分量组成：同相分量：I5码 （XA码+XBIi码 ）正交分量：Q5码（XA码+XBQi码）XA码特征多项式：1+X9+X10+X12+X13XBI、XBQ码特征多项式：1+X1+X3+X4+X6+X7+X8+X12+X1353不同的不同的XBIi 和和XBQi 码所用的初始状态码所用的初始状态548 军用码（军用码（M码）码）供美国军方使用的保密码，其生成方法及码的结构不对外公开优点：信号捕获更加快捷、稳定抗干扰力更强有利于使用基于信息的通信协议55Block IIR-M 卫星各种测距码的信号功率谱各种测距码的信号功率谱5657现代

17、化后测距码的变化现代化后测距码的变化在在L2L2上调制上调制C/AC/A码码在在L1L1和和L2L2增加调制增加调制M M码（军用码）码（军用码）增加第三民用频率，即增加第三民用频率，即L5L5频道频道2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所58导航电文导航电文59导航电文的作用及基本结构导航电文的作用及基本结构作用作用向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息基本结构基本结构字（30bit）、子帧（10个字）、主帧（5个子帧）、导航电文（25个主帧）60导航电文的内容导航电文的内容61导航电文的内容导航电文的内容第一数据块第一数据块第1子帧的第310个字内容：遥测字

18、第1子帧的第1个字交接字 第1子帧中的第2个字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N URA指数SV Health 卫星健康状况TGD 信号L1和 L2信号的群延之差星钟数据龄期AODC卫星钟误差系数af 0（钟偏），af 1（钟速），af2（钟漂）tr子帧1中一些重要参数所占的比特数及其单位62参数所占比特数单位T GD 8*2-31秒toc16*24 秒af0 22*2-31秒af1 16*2-43秒af2 8*2-55秒导航电文的内容导航电文的内容63导航电文的内容导航电文的内容第二数据块第二数据块第2、3子帧的第310个字内容该信号所属卫星

19、的星历 广播星历导航电文的内容导航电文的内容(1)(1)卫星轨道的不同表示方法卫星轨道的不同表示方法直接给出不同历元卫星在空间的位置 以及运动速度IGS精密星历Collocation法 Bernese 5.0版用开普勒轨道根数及其变化率来描述 广播星历64导航电文的内容导航电文的内容 (2)(2)人卫轨道理论简介人卫轨道理论简介作用在卫星上的外力作用在卫星上的外力地球对卫星的万有引力 地球万有引力（1）、地球万有引力（2）日、月对卫星的万有引力大气阻力太阳光压力等人卫正常轨道与轨道摄动人卫正常轨道与轨道摄动正常轨道 只考虑卫星在地球万有引力（1）的作用下的卫星椭圆轨道轨道摄动 真实轨道与正常轨

20、道之差65导航电文的内容导航电文的内容 (2)(2)人卫轨道理论简介人卫轨道理论简介 开普勒轨道根数开普勒轨道根数升交点赤经 轨道倾角 i长半径（或长半轴）a偏心率 e近地点角距 卫星过近地点的时刻 t06667开普勒轨道根数开普勒轨道根数升交点赤经升交点赤经定义：升交点的赤定义：升交点的赤经经轨道倾角轨道倾角i定义：在升交点处定义：在升交点处轨道正方向（卫星轨道正方向（卫星运动方向）与赤道运动方向）与赤道正方向（赤经增加正方向（赤经增加方向）之间的夹角。方向）之间的夹角。长半径长半径a定义：轨道长轴的定义：轨道长轴的一半，也称作长半一半，也称作长半轴或半长轴轴或半长轴偏心率偏心率e定义：定义

21、：近地点角距近地点角距定义：从升交点的定义：从升交点的地心矢径起算，逆地心矢径起算，逆时针方向（从时针方向（从 正正方向看）旋转至近方向看）旋转至近地点的地心矢径所地点的地心矢径所经过的角度。经过的角度。卫星过近地点的卫星过近地点的时刻时刻t0导航电文的内容导航电文的内容(3)子帧子帧2和子帧和子帧3中包含的参数中包含的参数星历参考时刻toe时的轨道根数平近点角 M0轨道偏心率 e轨道长半径的平方根轨道倾角 i0近地点角距 0=t0e GAST（t0）68(3)子帧子帧2和子帧和子帧3中包含的参数中包含的参数 9个轨道摄动参数平均角速度 n的改正值 n升交点赤经 的变化率轨道倾角i 的变化率升

22、交距角u 的余弦及正弦调和改正项的振幅 Cuc,Cus 轨道倾角i 的余弦及正弦调和改正项的振幅 Cic,Cis卫星至地心的距离 r的余弦及正弦调和改正项的振幅 Crc,Crs其它参数toe 和 IODE、AODE导航电文的内容导航电文的内容6970导航电文的内容导航电文的内容第三数据块第三数据块第4、5子帧的第310个字内容：卫星历书（概略星历）卫星的健康状况AS标识及卫星类型标识表示GPS时与UTC之间的关系的参数电离层改正参数第三数据块的内容每12.5分钟重复一次导航电文的内容导航电文的内容(1)卫星历书卫星历书主要作用制定观测计划可见的卫星数及反映图形强度的DOP数有利于快速捕获卫星信

23、号(2)卫星的健康状况卫星的健康状况8比特的卫星健康状况参数6比特的卫星健康状况参数71导航电文的内容导航电文的内容72前3个比特含义000全部资料均无问题001奇偶检验有问题(部分或全部)010TLM/HOW有问题(如前导不正确等)，但不全Z计数出错011HOW码中的Z计数出错100子帧1、2、3中第310个字中存在错误101子帧4、5中第310个字中存在错误110上传资料中有错误(任一子帧第310个字中存在错误)111全部电文(含卫星自己生成的TLM、HOW在内)中有一个或多个错误 8比特卫星健康状况参数中前比特卫星健康状况参数中前3个比特的含义个比特的含义前前3个比特反映个比特反映导航电

24、文的健导航电文的健康状况康状况 后后5个比特主要反映载波、测距码方面的问题个比特主要反映载波、测距码方面的问题导航电文的内容导航电文的内容(3)AS标识及卫星类型标识标识及卫星类型标识第1个比特为AS标识1 卫星在实施AS0 卫星不实施AS后3个比特表示卫星类型001 Block II、IIA或IIR卫星010 Block IIR-M卫星011 Block IIF卫星73导航电文的内容导航电文的内容(4)表示表示GPS时与时与UTC关系的参数关系的参数GPS时与UTC的两个差异UTC有跳秒，不连续；GPS时不跳秒，连续存在细微的差别 A0+A1t 来拟合；74参数占用比特数单位A032*2-3

25、0 sA124*2-50 s/st LS 8*1 stot8212 sW N t81星期WNLSF81星期DN81天t LSF 8*1 s表示表示GPS时与时与UTC之差的参数的相关情况之差的参数的相关情况 表中参数的作用表中参数的作用 求得任一时刻的求得任一时刻的tGPS-tUTC告诉用户目前的跳秒数值以告诉用户目前的跳秒数值以及跳秒发生的时间及跳秒发生的时间导航电文的内容导航电文的内容计算计算tGPS-tUTC的三种公式的三种公式跳秒还未发生，且离跳秒时间大于6小时tGPS-tUTC=tUTC tLS A0 A1tGPStot604800(WN WNt)t位于跳秒前后6小时的时间段内tUT

26、C=WW=(tGPS tUTC 43200)（模为86400秒）+43200（秒）位于跳秒6小时以后公式同，但tLSF 要减去tLS75导航电文的内容导航电文的内容(5)电离层改正参数电离层改正参数第4子帧第18页0,1,2,3,0,1,2,376参数单位参数单位02-30 s0211 s12-27 s/1801214 s/1802 2-24(s/180)22216(s/180)232-24(s/180)33216(s/180)32010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所773.4卫星信号的调制卫星信号的调制78模二和模二和运算规则运算规则二进制信号的模二和二进制信号的模二和“1”表示二

27、进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则79二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制调制方法调制方法80卫星信号的调制示意图卫星信号的调制示意图81卫星信号的调制原理卫星信号的调制原理2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所823.5 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所83广播星历参数详解广播星历参数详解84星历参数详解星历参数详解85星历参数详解星历参数详解86星历参数详解星历参数详解87星历参数详解星历参数详解88星历参数详解星历参数详解89星历参数详解星历参数详解2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所90由广播星历计算卫星

28、位置由广播星历计算卫星位置91计算思路计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标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然后将上述坐标分别绕X轴旋转轴旋转-i角、绕角、绕Z轴轴旋转旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道参数轨道参数9293计算过程计算过程计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行的平均角速度计算计算t时刻卫星的平近点角时刻卫星的平近点角计算偏近点角计算偏近点角94计算过程计算过程计算真近点角计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径计算卫星向径95计算过程计算过程计算摄动改正

29、项计算摄动改正项进行摄动改正进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置计算卫星在轨道平面坐标系中的位置96计算过程计算过程计算升交点经度计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标计算卫星在地固坐标系下的坐标2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所97由精密星历计算卫星位置由精密星历计算卫星位置98精密星历精密星历精密星历精密星历由实测数据通过后处理得出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和钟差精密星历示例精密星历示例*2010 10 9 0 0 0.00000000PG01-10309.618954 11802.978753 21307.943368 999999.99

30、9999PG02 12916.145945-13545.191330 18665.065679 294.170130 11 6 6 108 PG03 -8655.237743 24775.348072 -3045.490778 618.992508 10 9 9 136 PG04 23443.861593 -7118.891310 10505.392904 999999.999999PG05 456.229407-21610.604553 15361.338124 -48.452504 8 6 8 125 PG06-13621.729891 22638.543476 1671.018236 463.072617 10 8 10 136 PG07 24632.743825 6202.687298 8098.699427 -1.482982 8 6 11 131 PG08 26598.209530 183.023809 -3749.917977 6.868653 10 9 10 79 99任意时刻任意时刻t卫星位置的计算卫星位置的计算原理：插值法原理：插值法方法：拉格朗日插值法等方法：拉格朗日插值法等根据精密星历计算卫星位置根据精密星历计算卫星位置拉拉格朗日插值法拉拉格朗日插值法