全球卫星定位系统(第三次).ppt

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1、234二十四节气起源于黄河流域。远在春秋时代，就定出仲春、仲夏、仲秋和仲冬等四个节气。以后不断地改进与完善，到秦汉年间，二十四节气已完全确立。公元前104年，由邓平等制定的太初历，正式把二十四节气订于历法，明确了二十四节气的天文位置。5太阳从黄经零度起，沿黄经每运行15度所经历的时日称为“一个节气”。每年运行360度，共经历24个节气，每月2个。其中，每月第一个节气为“节气”，即：立春、惊蛰、清明、立夏、芒种、小暑、立秋、白露、寒露、立冬、大雪和小寒等12个节气；6每月的第二个节气为“中气”，即：雨水、春分、谷雨、小满、夏至、大暑、处暑、秋分、霜降、小雪、冬至和大寒等12个中气。“节气”和“中

2、气”交替出现，各历时15天，现在人们已经把“节气”和“中气”统称为“节气”。7二十四节气反映了太阳的周年视运动，所以节气在现行的公历中日期基本固定，上半年在6日、21日，下半年在8日、23日，前后不差12天。为什么同一个节气总是在每年为什么同一个节气总是在每年的一个比较固定的时间段里？的一个比较固定的时间段里？9第二章第二章 全球定位系统及信号全球定位系统及信号2.1 全球定位系统的组成全球定位系统的组成2.2 GPS卫星的信号结构卫星的信号结构102.1 全球定位系统的组成11GPS的系统组成的系统组成GPS系统由三部分组成系统由三部分组成l空间部分空间部分l地面控制部分地面控制部分l用户设

3、备部分用户设备部分12GPS的空间部分的空间部分GPS的空间部分的组成的空间部分的组成lGPS卫星星座卫星星座6个轨道面个轨道面平均轨道高度平均轨道高度20200km轨道倾角轨道倾角55 周期周期11h 58min（顾（顾及地球自转，地及地球自转，地球球-卫星的几何关卫星的几何关系每天提前系每天提前4min重复一次）重复一次）13GPS的空间部分的空间部分GPS卫星星座卫星星座l设计星座：设计星座：21+3l21颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星颗活动的备用卫星l保证在每天保证在每天24小时的任何时刻，在小时的任何时刻，在高度角高度角15 以上，能够同时观测到以上，能够同时观

4、测到4颗以上卫星颗以上卫星l当前星座：当前星座：28颗颗地球围绕太阳公转地球围绕太阳公转1圈，需要时间为圈，需要时间为365天天5时时58分分56秒秒（太阳年）（太阳年）,或或365天天6时时9分分10秒（恒星年），即大约的一年。秒（恒星年），即大约的一年。地球公转地球公转,就是地球按一定轨道围绕太阳转动就是地球按一定轨道围绕太阳转动（The Earth revolution around sun）。像）。像地球的自转具有其独特规律性一样，由于太地球的自转具有其独特规律性一样，由于太阳引力场以及自转的作用，而导致地球的公阳引力场以及自转的作用，而导致地球的公转。地球的公转也有其自身的规律。地球

5、的转。地球的公转也有其自身的规律。地球的公转这些规律从地球轨道、地球轨道面、黄公转这些规律从地球轨道、地球轨道面、黄赤交角、地球公转的周期和地球公转速度和赤交角、地球公转的周期和地球公转速度和地球公转的效应等。地球公转的效应等。地球自转一周是地球自转一周是23小时小时56分分4.09秒秒 15GPS的空间部分的空间部分16GPS的空间部分的空间部分GPS卫星的地面轨迹卫星的地面轨迹17GPS的空间部分的空间部分GPS卫星卫星l 作用：作用：接收、存储导航电文接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）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

6、载波上的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）测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。l 主要设备主要设备太阳能电池板太阳能电池板原子钟（原子钟（2台铯钟、台铯钟、2台铷钟）台铷钟）信号生成与发射装置信号生成与发射装置 18GPS卫星（续）卫星（续）l类型类型试验卫星：试验卫星：Block 工作卫星：工作卫星：Block Block：存储星历能力为：存储星历能力为14天，具有天，具有SA和和AS的能力的能力Block A（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储）

7、：卫星间可相互通讯，存储星历能力为星历能力为180天，天，SV35和和SV36带有激光反射棱镜带有激光反射棱镜Block R（Replacement/Replenishment）：卫星间）：卫星间可相互跟踪相互通讯可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的）：新一代的GPS卫星卫星,增设第增设第三民用频率三民用频率GPS的空间部分的空间部分19GPS的空间部分的空间部分Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同类型的不同类型的GPS卫星卫星20GPS的空间部分的空间部分当前的卫星状态当前的卫星状态SUB

8、J:GPS STATUS 26 MAR 20041.SATELLITES,PLANES,AND CLOCKS(CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A.BLOCK I:NONE B.BLOCK II:PRNS 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15 PLANE :SLOT F4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5 CLOCK :CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CS BLOCK II:PRNS 16,17,18,20,21,22,24,25,26,27,28,29,30,31

9、 PLANE :SLOT B1,D6,E4,E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3 CLOCK :RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RB21GPS的地面监控部分的地面监控部分 地面监控部分地面监控部分（Ground Segment）组成组成 主控站：主控站：1个个 监测站：监测站：5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22GPS的地面监控部分的地面监控部分地面监控部分地面监控部分（Ground Segment）（续）（续）l分布分布23GPS的地面监控部分的地面监控部分监测站（监测站（5个）个）l作用：

10、作用：接收卫星数据，接收卫星数据，采集气象信息，采集气象信息，并将所收集到的并将所收集到的数据传送给主控数据传送给主控站。站。l地点：地点：夏威夷、主控站夏威夷、主控站及三个注入站。及三个注入站。24GPS的地面监控部分的地面监控部分主控站（主控站（1个）个）l作用：作用：管理、协调地面监控系统各管理、协调地面监控系统各部分的工作；部分的工作；收集各监测站的数据，编制收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星；卫星星历注入卫星；监控卫星状态，向卫星发送监控卫星状态，向卫星发送控制指令；控制指令；卫星维护与异常情况的处理。卫星维护与异常情况的处理。l地点

11、：美国科罗拉多州法地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。尔孔空军基地。25GPS的地面监控部分的地面监控部分注入站（注入站（3个）个）l作用：作用：将导航电文注入将导航电文注入GPS卫星。卫星。l地点：地点：阿松森群岛（大阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西洋）、迪戈加西亚（印度洋）西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太和卡瓦加兰（太平洋）平洋）26GPS的用户部分的用户部分组成组成l用户用户l接收设备接收设备接收设备接收设备lGPS信号接收机信号接收机l其它仪器设备其它仪器设备27GPS的用户部分的用户部分GPS信号接收机信号接收机l组成组成天线单元天线单元带前置放大器带前置放大器接收天线接收天线接收单元接收

12、单元信号通道信号通道存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源电源天线单元天线单元接收单元接收单元28GPS的用户部分的用户部分 天线单元天线单元l类型类型单极天线单极天线微带天线微带天线锥形（螺旋）天线锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线四丝螺旋天线空间螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线天线29GPS的用户部分的用户部分天线单元（续）天线单元（续）l特点特点单极天线单极天线单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单心稳定、结构简单微带天线微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用

13、）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、低增益、应用最为广泛30GPS的用户部分的用户部分天线单元（续）天线单元（续）l特点特点锥形（螺旋）天线锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线四丝螺旋天线 单频、难以调整相位和极化方式、非单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线空间螺旋天线 双频、增益特性好、侧视角高、非方双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称位对称背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线31GPS的用户部分的用户部分天线单元天线单元l天线特性天线特性相位中心、增益方式、带宽、相位中心、增益方式、带宽、

14、极化极化l相位中心相位中心平均相位中心与几何中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心改相位中心偏移的消除：归心改正、消去法正、消去法天线高天线高 标志至平均相位中标志至平均相位中心所在平面的垂直距离心所在平面的垂直距离L2的平的平均相位均相位中心中心 1 2L1的平的平均相位均相位中心中心r1r2HH HHhR2016.03.2333GPS的用户部分的用户部分接收单元接收单元l接收（信号）通道接收（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。

15、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：序惯通道、多路复用通道和多通类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等l存储器存储器l微处理器微处理器作用：数据处理、控制作用：数据处理、控制l输入输出设备输入输出设备l电源电源34GPS的用户部分的用户部分352.2 GPS卫星的信号结构卫星的信号结构36GPS卫星信号结构卫星信号结构37概述概述GPS卫星信号的组成部分卫星信号的组成部分l载波（载波（Carrier）L1L2l测距码（测距码（Ranging Code）C/A码（目前只

16、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）l卫星（导航）电文（卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成卫星信号的生成l关键设备关键设备 原子钟原子钟38GPS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卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频频或分频39载波载波作用作用l搭载其它调制信号搭载其它调制信号l测距测距l测定多普勒频移测定多普勒频移类型类型l目前目前L1 频率：频率：154 f0 =1575.43MHz；波长：

17、；波长：19.03cmL2 频率：频率：120 f0 =1227.60MHz；波长：；波长：24.42cml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：25.48cm40载波载波特点特点l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测定多普勒频移l所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响折射影响l选择两个频率可以较好地消除信号的电离层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折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）关）41测距码测距码作用作用l测距测距性质性质l

18、为伪随机噪声码（为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）l不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为关系数为0或或1/n（n为码元数）为码元数）l对齐的同一组码间的相关系数为对齐的同一组码间的相关系数为142测距码测距码类型类型l目前目前C/A码（码（Coarse/Acquisition Code）粗码粗码/捕获码；捕获码；码率：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（Precise Code）精码

19、；码率：精码；码率：10.23MHz；周期：；周期：7天；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；被调制在；被调制在L1和和L2上上l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43卫星（导航）电文卫星（导航）电文作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟作用：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参数、卫星状态信息及其它信息基本结构基本结构44卫星（导航）电文卫星（导航）电文l基本内容45卫星（导航）电文卫星（导航）电文遥测字（遥测字（TLM Telemetry Word）l每一子

20、帧的第每一子帧的第1个字个字l用作捕获导航电文的前导用作捕获导航电文的前导交接字（交接字（HOW Hand Over Word）l每一子帧的第每一子帧的第2个字个字l主要内容：主要内容：Z计数计数46卫星（导航）电文卫星（导航）电文第一数据块第一数据块l第第1子帧的第子帧的第310个字个字l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（钟偏），（钟偏），a1（钟速），（钟速），a

21、2（钟漂）（钟漂）47卫星（导航）电文卫星（导航）电文第二数据块第二数据块l第第2、3子帧的第子帧的第310个字个字l内容内容该发送信号卫星的星历该发送信号卫星的星历 广播星历广播星历星历参数星历参数48卫星（导航）电文卫星（导航）电文第三数据块第三数据块l第第4、5子帧的第子帧的第310个字个字l内容：所有卫星历书（概略星历）内容：所有卫星历书（概略星历）l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49星历参数详解星历参数详解50星历参数详解星历参数详解51星历参数详解52星历参数详解星历参数详解53卫星信号的调制卫星信号的调制模二和模二和l运算规则运算规则l二进制

22、信号：二进制信号：“1”表示二进制表示二进制“0”，“-1”表表示二进制示二进制“1”，则，则54卫星信号的调制卫星信号的调制二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制调频调频FM调幅调幅AM调相调相PM注注：其其它它调调制制方方式式55卫星信号的调制卫星信号的调制GPS卫星信号的调制卫星信号的调制l示意图示意图l卫星信号的调制原理卫星信号的调制原理56GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置计算思路计算思路l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l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

23、-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5758GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计根据广播星历计根据广播星历计根据广播星历计算卫星位置算卫星位置算卫星位置算卫星位置计算过程计算过程l计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行的平均角速度l计算计算t时刻卫星的平近点角时刻卫星的平近点角l计算偏近点角计算偏近点角59GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计根据广播星历计根据广播星历计根据广播星历计算卫星位置算卫星位置算卫星位置算卫星位置计算过程（续）计算过程（续）l计算真近点角计算真近点角l计算升交距角（未经改正的

24、）计算升交距角（未经改正的）l计算卫星向径计算卫星向径60GPS卫星位置的计算-根据广播星历计根据广播星历计算卫星位置算卫星位置计算过程（续）计算过程（续）l计算摄动改正项计算摄动改正项l进行摄动改正进行摄动改正l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61GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计根据广播星历计根据广播星历计根据广播星历计算卫星位置算卫星位置算卫星位置算卫星位置计算过程（续）计算过程（续）l计算升交点经度计算升交点经度l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62精密星历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按一定

25、时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差置、三维速度和钟差*2004 1 15 0 0 0.00000000*2004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 3

26、-10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 3-10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 5-12628.924903-23445.674881 -1192.036791 13.422888P 5-12628.924903-23445.674881 -1192.03679

27、1 13.422888P 6-13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 6-13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 7 18939.291158-12511.028058-13257.166627 635.667094P 7 18939.291158-12511.028058-13257.166627 635.667094P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428GPS卫星位置的计算-根据精密星历计根据精密星历计算卫星位置算卫星位置63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GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据精密星历计根据精密星历计根据精密星历计根据精密星历计算卫星位置算卫星位置算卫星位置算卫星位置