3-全球定位系统的组成及信号结构解析.ppt
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1、湖南科技大学 建筑与城乡规划学院主讲人:龙四春 李黎GPS测量与数据处理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:考试成绩(70%)+平时成绩(30%)考核方式GPS测量与数据处理第三章 GPS组成及信号结构 3.1 全球定位系统的组成3.2 GPS卫星的信号结构GPS测量与数据处理3.1 全球定位系统的组成全球定位系统的组成GPS测量与数据处理GPS的系统组成的系统组成GPS系统的组成系统的组成空间部分空间部分地面控制部分地面控制部分用户设备部分用户设备部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成GPS测量与数据处理GPS的空间
2、部分的空间部分GPS的空间部分的组成的空间部分的组成GPS卫星星座卫星星座全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分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(顾及地球自转,顾及地球自转,地球地球-卫星的几何卫星的几何关系每天提前关系每天提前4min重复一次)重复一次)GPS测量与数据处理GPS的空间部分的空间部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS卫星星座卫星星座设计星座:设计星座:21+321颗
3、正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗颗活动的备用卫星活动的备用卫星保证在每天保证在每天24小时的任何小时的任何时刻,在时刻,在高度角高度角15 以上,以上,能够同时观测到能够同时观测到4颗以上颗以上卫星卫星当前星座:当前星座:31颗颗GPS测量与数据处理GPS的的空空间间部部分分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS测量与数据处理GPS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全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS测量与数据处理GPS的空间
4、部分的空间部分GPS卫星卫星 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载波上的测距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)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。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 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构
5、 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS测量与数据处理GPS卫星(续)卫星(续)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能力能力Block A(Advanced):卫星间可相互通讯,存储星历能):卫星间可相互通讯,存储星历能力为力为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):卫星间可相互):卫星间可相互跟踪和相互通讯。跟踪和相互通讯。Block R M:L2载波上调制了民用码载波上调制
6、了民用码L2CBlock F(Follow On):新一代的):新一代的GPS卫星卫星,增设第三民用频增设第三民用频率率L5(1176.45MHz)Block :研制中。:研制中。GPS的空间部分的空间部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS测量与数据处理GPS的空间部分Block IIRBlock IIABlock IIABlock Block IIF不同类型的不同类型的GPS卫星卫星全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS测量与数据处理GPS的地面
7、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:17个个注入站:注入站:4个个通讯与辅助系统通讯与辅助系统全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS测量与数据处理GPS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分布图分布图全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS测量与数据处理GPS的地面监控部分的地面监控部分监测站(监测站(17个)个)作用:作用:接
8、收卫星数据,采集接收卫星数据,采集气象信息,并将所收气象信息,并将所收集到的数据传送给主集到的数据传送给主控站。控站。地点:地点:全球分布,包括全球分布,包括1个主个主控站和控站和4个注入站。个注入站。全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS测量与数据处理GPS的地面监控部分的地面监控部分主控站(主控站(1个)个)作用:作用:管理、协调地面监控系统各部管理、协调地面监控系统各部分的工作,分的工作,收集各监测站的数据,收集各监测站的数据,编制导编制导航电文,送往注入站将卫星星航电文,送往注入站将卫星星历注入卫星历注入
9、卫星,监控卫星状态,向卫星发送控监控卫星状态,向卫星发送控制指令;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。地点:美国科罗拉多州法尔孔地点:美国科罗拉多州法尔孔空军基地。空军基地。全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS测量与数据处理GPS的地面监控部分的地面监控部分注入站(注入站(4个)个)作用:作用:将导航电文注入(卫将导航电文注入(卫星星历)星星历)GPS卫星。卫星。地点:地点:Cape Canaveral(美国(美国海军基地)阿松森群海军基地)阿松森群岛(大西洋)、迪戈岛(大西洋)、迪戈加
10、西亚(印度洋)和加西亚(印度洋)和卡瓦加兰(太平洋)卡瓦加兰(太平洋)全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS测量与数据处理GPS的用户部分的用户部分组成组成用户用户接收设备接收设备接收设备接收设备GPS信号接收机信号接收机其它仪器设备其它仪器设备全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS测量与数据处理GPS的用户部分的用户部分GPS信号接收机信号接收机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单元信号通道信号通道
11、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全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS测量与数据处理GPS的用户部分的用户部分 天线单元天线单元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天线天线全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS测量与数据处理GPS的用户部分的用户部分天线单元(续)天线单元
12、(续)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、相位中心稳定、结单频或双频(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)、低增益、结构简单、单频或双频、侧视角低(适合于机载应用)、低增益、应用最为广泛应用最为广泛锥形(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、非方位对称、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、非方位对称双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称
13、背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS测量与数据处理GPS的用户部分的用户部分天线单元天线单元天线特性天线特性相位中心、增益方式、带相位中心、增益方式、带宽、极化宽、极化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:相位中心偏移的消除:归归心改正、消去法心改正、消去法天线高天线高 :标志至平均相位:标志至平均相位中心所在平面的垂直距离中心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2HHHHhR全球定位系统的组
14、成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS测量与数据处理GPS的用户部分的用户部分接收单元接收单元接收(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,由无定义: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。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;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、平方通道等根据工作原理:码相关通道、平方通道等存储器存储器微处理器微处理器作用:数据
15、处理、控制作用:数据处理、控制输入输出设备输入输出设备电源电源全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS测量与数据处理GPS的用户部分的用户部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS测量与数据处理3.2 GPS卫星的信号结构GPS测量与数据处理概概述述GPS卫星信号的组成部分卫星信号的组成部分载波(载波(Carrier)L1L2L5(after Block IIF)测距码(测距码(Ranging Code)C/A码(目前只被调制在码(目前只被调制在L1上)
16、上)P(Y)码(被分别调制在码(被分别调制在L1和和L2上)上)L2C码码导航电文(导航电文(Message)GPS卫星信号的生成卫星信号的生成关键设备关键设备 原子钟原子钟全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 概述概述GPS测量与数据处理GPS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卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍倍频或分频频或分频全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星的基
17、准频率卫星的基准频率 GPS测量与数据处理GPS卫星信号结构卫星信号结构全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构GPS测量与数据处理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(高精度测量)测距(高精度测量)测定多普勒频移测定多普勒频移类型类型目前目前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:;波长:24.42cm现代化后(现代化后(after Block IIF)L5 频率:频率:115 f0=1176.45MHz;波长:;波长:25
18、.48cm全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 载波载波GPS测量与数据处理载波载波特点特点所选择的载波频率有利于测定多普勒频移所选择的载波频率有利于测定多普勒频移高频率载波高频率载波有利于减弱有利于减弱信号所受的信号所受的电离层折射电离层折射影响影响使用两个频率可以较好地使用两个频率可以较好地削弱削弱信号的信号的电离层折电离层折射延迟射延迟(电离层折射延迟与信号的频率有关),(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。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全球定位系统的组成及信号结构
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