GPS(衛(wèi)星信號(hào))

1、GPS Principles and Applications 學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 了解碼的概念，了解隨機(jī)噪聲碼的概念及其特征，理解GPS測距碼的產(chǎn)生原理，理解GPS導(dǎo)航電文及其組成，掌握GPS衛(wèi)星星歷的概念，理解利用GPS衛(wèi)星星歷進(jìn)行衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算方法，了解衛(wèi)星載波信號(hào)及其組成，了解美國的GPS政策。GPS Principles and Applications GPS衛(wèi)星信號(hào)是衛(wèi)星信號(hào)是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波，定位的調(diào)制波，它包含有：它包含有：n數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文）數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文） n測距碼測距碼n載波載波 衛(wèi)星時(shí)鐘衛(wèi)星時(shí)鐘基本頻率基本頻率f

2、0為為10.23MHz，是產(chǎn)生上述三種信號(hào)，是產(chǎn)生上述三種信號(hào)的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。GPS Principles and Applications 4.1 GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào)4.2 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文4.3 GPS衛(wèi)星星歷4.4 GPS衛(wèi)星的載波信號(hào)4.5 美國政府關(guān)于GPS衛(wèi)星信號(hào)的限制使用政策主要內(nèi)容主要內(nèi)容GPS Principles and Applications n碼的基本概念碼碼碼元碼元編碼編碼表達(dá)信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合將各種信息按某種規(guī)則表示為數(shù)碼的過程碼組合中的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)均稱作碼元，單位是bit數(shù)碼率數(shù)碼率數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為bit/s或BPS碼長碼長一個(gè)周期內(nèi)碼元

3、的最大個(gè)數(shù)，以Nu表示。碼元寬度碼元寬度鐘脈沖的時(shí)間間隔，以tu表示 因此一個(gè)碼序列的周期為碼長Nu與碼元寬度tu的乘積，以Tu表示，即Tu=Nutu4.1 GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào)GPS Principles and Applications p自相關(guān)性自相關(guān)性 碼序列的相關(guān)程度，用以比較碼序列之間的結(jié)構(gòu)，以相關(guān)函數(shù)R(t)表示，( )uuuuSDR tSD碼値相同碼値相同的碼元個(gè)數(shù)的碼元個(gè)數(shù) 碼値相異碼値相異的碼元個(gè)數(shù)的碼元個(gè)數(shù) 結(jié)論結(jié)論 隨機(jī)噪聲碼具有良好的自相關(guān)性。碼元值完全無規(guī)律的碼序列。非周期、無法復(fù)制n碼的基本概念隨機(jī)噪聲碼序列隨機(jī)噪聲碼序列1兩個(gè)相同的碼序列對(duì)齊0其他情況4.1

4、GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào)p概念概念特征一特征一特征二特征二GPS Principles and Applications 1( )uuuuSDR tSD兩個(gè)相同的碼序列對(duì)齊0其他情況21ruN n碼的基本概念偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼4.1 GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào)具有隨機(jī)噪聲碼的良好自相關(guān)性特征一特征一具有周期性，可以復(fù)制，特征二特征二偽隨機(jī)噪聲碼由r級(jí)移位反饋寄存器產(chǎn)生，碼長為GPS Principles and Applications n碼的基本概念輸出狀態(tài)編號(hào)各級(jí)狀態(tài)3 4末級(jí)輸出 1201300.1101400011151000006010000700101081001119110000

5、10011010111011011201011113101010141101111511111110110011111100111R(t)=-1/(2r-1)0 可見，偽隨機(jī)噪聲碼具可見，偽隨機(jī)噪聲碼具有良好的自相關(guān)特性，并且有良好的自相關(guān)特性，并且具有周期性，可以復(fù)制。具有周期性，可以復(fù)制。以四級(jí)反饋移位寄存器為例以四級(jí)反饋移位寄存器為例1111鐘脈沖置“1”脈沖1111偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼4.1 GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào)0GPS Principles and Applications 由兩個(gè)具有良好互相關(guān)特性的同族m碼序列構(gòu)成的哥爾德碼（Gold Code）族。 r級(jí)移位寄存器只能產(chǎn)生碼

6、長為2r-1的m序列，然而實(shí)際應(yīng)用中，往往需要各種不同碼長序列。GPS衛(wèi)星發(fā)播兩種偽隨機(jī)測距碼：由兩個(gè)碼長互素的m碼組成模2和復(fù)碼；精密測距碼精密測距碼p碼碼粗捕獲碼粗捕獲碼C/A碼碼nGPS的測距碼信號(hào)4.1 GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào)GPS Principles and Applications C/A碼產(chǎn)生原理)()()(021iNtGtGtG GPS的的C/A碼是由兩個(gè)碼是由兩個(gè)10級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列序列G1和和G2，經(jīng)模，經(jīng)模2和產(chǎn)和產(chǎn)生的復(fù)合碼。生的復(fù)合碼。nGPS的測距碼信號(hào)4.1 GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào)碼元對(duì)應(yīng)的時(shí)間，為1/1023msG1與G2間相位偏置的

7、碼元數(shù)C/A碼是利用兩個(gè)同周期、具有良好互相關(guān)特性的同族的碼是利用兩個(gè)同周期、具有良好互相關(guān)特性的同族的m碼序列，組成復(fù)合碼序列族，稱此為哥爾德碼。這些碼既具碼序列，組成復(fù)合碼序列族，稱此為哥爾德碼。這些碼既具有良好的自相關(guān)特性，又具有優(yōu)良的互相關(guān)特性。有良好的自相關(guān)特性，又具有優(yōu)良的互相關(guān)特性。GPS Principles and Applications C/A碼是短碼，易于搜索和捕獲；并可據(jù)此捕獲P碼。C/A碼數(shù)字特征及其定位精度nGPS的測距碼信號(hào)4.1 GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào)lC/A碼的數(shù)字特征碼長碼長Nu=2r-1=1023bit碼元寬度碼元寬度對(duì)應(yīng)長度L=ctu=293.1m周期

8、周期Tu=Nutu=1mslC/A碼的精度對(duì)應(yīng)的測距誤差可達(dá)29.3-2.93ml結(jié)論結(jié)論C/A碼精度較低，所以稱其為粗碼(Coarse/Acquisition Code)由于鐘脈沖頻率f1=1/10f0=1.023MHZ， 碼元寬度為tu=1/f=0.97752s，若兩個(gè)序列的碼元相關(guān)誤差為碼元寬度的1/101/100，鐘脈沖的時(shí)間間隔GPS Principles and Applications )()()(21pintXtXtPP碼產(chǎn)生原理nGPS的測距碼信號(hào)4.1 GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào) GPS的的P碼是由兩個(gè)碼是由兩個(gè)12級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列序列X1和和X2，組

9、成的模組成的模2復(fù)合碼。復(fù)合碼。ni為子碼X2的延遲參數(shù)，規(guī)定取區(qū)間0,36的正整數(shù)。當(dāng)ni取0、1、2、36時(shí)，就構(gòu)成37個(gè)平移等價(jià)的P碼。P碼的數(shù)字特征碼長碼長Nu=212-1=2.351014bit碼元寬度碼元寬度對(duì)應(yīng)長度L=ctu=29.3m周期周期Tu=Nutu=267d由于鐘脈沖頻率f1=f0=10.23MHZ，碼元寬度為tu=1/f=0.097752s，GPS Principles and Applications P碼的一周期分為38部分，每部分7天，碼長約6.191012bit。 (Precise Code)P碼的結(jié)構(gòu)nGPS的測距碼信號(hào)4.1 GPS衛(wèi)星的測距碼信號(hào)5部分由

10、地面監(jiān)控站使用，1部分閑置，其他32部分各分配給一顆衛(wèi)星每顆衛(wèi)星所用P碼結(jié)構(gòu)不同，碼長和周期相同若以50碼元/s的速度搜索，C/A碼僅需20.5s，P碼需14155天P碼的捕獲方法是先捕獲C/A碼，根據(jù)導(dǎo)航電文中給出的相關(guān)信息捕獲P碼P碼的精度約為0.29-2.93ml結(jié)論結(jié)論P(yáng)碼精度高，稱為精碼，用于較精密的導(dǎo)航定位P碼碼元寬度為C/A碼的1/10，引起的距離誤差P碼結(jié)構(gòu)保密，不供民用GPS Principles and Applications C/A碼和P碼主要特征指標(biāo)特征指標(biāo)C/A碼P碼產(chǎn)生物理單元10級(jí)反饋移位寄存器12級(jí)反饋移位寄存器碼長Nu=2r-11023bit2.351014

11、bit頻率f0.1f0（1.023MHz）f0 （10.23MHz）碼寬tu=1/f0.97752s0.097752s周期=Nutu1ms267d碼寬等效距離=ctu293.1m29.3m測距誤差(1/10-1/100碼寬)29.3-2.9m2.93-0.29m特征粗碼、開放、二值精碼、保密、二值GPS Principles and Applications 導(dǎo)航電文是以二進(jìn)制碼的形式按規(guī)定格式組成，以幀為導(dǎo)航電文是以二進(jìn)制碼的形式按規(guī)定格式組成，以幀為單位向外播送，又叫數(shù)據(jù)碼（單位向外播送，又叫數(shù)據(jù)碼（D碼）碼） 導(dǎo)航電文基本單位為幀，一幀導(dǎo)航電文長導(dǎo)航電文基本單位為幀，一幀導(dǎo)航電文長150

12、0bit，其傳，其傳輸速率是輸速率是50bit/s，播發(fā)一幀電文的時(shí)間為，播發(fā)一幀電文的時(shí)間為30秒鐘。秒鐘。 4.2 GPS的導(dǎo)航電文n概述導(dǎo)航電文是用戶進(jìn)行定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)導(dǎo)航電文是用戶進(jìn)行定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)意義意義概念概念基本單位基本單位GPS Principles and Applications n重復(fù)與更新周期重復(fù)與更新周期第4、5子幀共25頁，750秒重復(fù)一次，衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后內(nèi)容更新。第1、2、3子幀每30秒鐘重復(fù)一次，內(nèi)容每小時(shí)更新一次。一幀導(dǎo)航電文含5個(gè)子幀，每個(gè)子幀10個(gè)字碼，每個(gè)字碼30bit電文，一子幀電文的持續(xù)播發(fā)時(shí)間為6s。4.2 GPS的導(dǎo)航電文第1

13、、2、3子幀與第4、5子幀的每一頁構(gòu)成一幀電文，每25幀導(dǎo)航電文組成一個(gè)主幀。GPS Principles and Applications n導(dǎo)航電文的組成導(dǎo)航電文的組成遙測碼遙測碼：表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換碼：轉(zhuǎn)換碼：提供從C/A碼轉(zhuǎn)換到P碼的Z記數(shù)第一數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊:時(shí)延差改正、星期序號(hào)、衛(wèi)星健康狀況、數(shù)據(jù)齡、衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)第二數(shù)據(jù)塊：第二數(shù)據(jù)塊：衛(wèi)星星歷，提供有關(guān)衛(wèi)星位置信息。第三數(shù)據(jù)塊：第三數(shù)據(jù)塊：包含所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)，用于選星4.2 GPS的導(dǎo)航電文GPS Principles and Applications 載波L1、L2的電離層時(shí)延差。 從1980年1月6日世界

14、協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）子夜零點(diǎn)起算的GPS星期數(shù)為星期序號(hào)WN。n第一數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊4.2 GPS的導(dǎo)航電文時(shí)延差改正時(shí)延差改正Tgd星期序號(hào)星期序號(hào)WNTDTIAT32.184sGPST198019s4sUTCUT119871977.1.1GPSTUTCGPST與協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）的時(shí)刻規(guī)定于1980年1月6日相一致。衛(wèi)星時(shí)鐘改正衛(wèi)星時(shí)鐘改正時(shí)鐘齡期時(shí)鐘齡期AODCGPS Principles and Applications 2210)()(ococsttattaat衛(wèi)星衛(wèi)星鐘差鐘差衛(wèi)星衛(wèi)星鐘速鐘速衛(wèi)星鐘漂，即衛(wèi)星鐘漂，即鐘速變化率鐘速變化率第一數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊的基準(zhǔn)時(shí)間的基準(zhǔn)時(shí)間GPS衛(wèi)星的時(shí)

15、鐘相對(duì)于GPS時(shí)間系統(tǒng)的偏差即為衛(wèi)星時(shí)鐘改正時(shí)延差改正時(shí)延差改正Tgd星期序號(hào)星期序號(hào)WN衛(wèi)星時(shí)鐘改正衛(wèi)星時(shí)鐘改正時(shí)鐘齡期時(shí)鐘齡期AODCn第一數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊4.2 GPS的導(dǎo)航電文GPS時(shí)間系統(tǒng)以地面主控站的原子鐘為基準(zhǔn)基準(zhǔn)時(shí)間給出的衛(wèi)星鐘改正參數(shù)精度隨時(shí)間的推移而下降時(shí)鐘改正數(shù)的外推時(shí)間間隔表明衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)的置信度AODC=toct1最近一次更新衛(wèi)星鐘改正參數(shù)的時(shí)間GPS Principles and Applications n第二數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊4.2 GPS的導(dǎo)航電文開普勒軌道系數(shù)開普勒軌道系數(shù)軌道攝動(dòng)參數(shù)軌道攝動(dòng)參數(shù)時(shí)間參數(shù)時(shí)間參數(shù)（衛(wèi)星星歷）（衛(wèi)星星歷）ae i fs衛(wèi)星軌道

16、橢圓長半軸的平方根衛(wèi)星軌道橢圓偏心率0參考時(shí)刻t0的軌道面傾角0參考時(shí)刻t0的升交點(diǎn)赤經(jīng)近地點(diǎn)角距參考時(shí)刻t0的平近點(diǎn)角M0GPS Principles and Applications n第二數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊4.2 GPS的導(dǎo)航電文開普勒軌道系數(shù)開普勒軌道系數(shù)軌道攝動(dòng)參數(shù)軌道攝動(dòng)參數(shù)時(shí)間參數(shù)時(shí)間參數(shù)（衛(wèi)星星歷）（衛(wèi)星星歷）M0=n(t0-) n平均角速度改正數(shù)，即衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度與計(jì)算值之差升交點(diǎn)赤徑變化率（弧度/秒）i衛(wèi)星軌道平面傾角的變化率 Crs和Crc升交矩角的正余弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（弧度），ssf 軌道傾角的正余弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（弧度），Cis和Cic衛(wèi)星矢徑的正余弦調(diào)和項(xiàng)改

17、正的振幅（米），Cus和Cuc春分點(diǎn)春分點(diǎn)Msf升交點(diǎn)升交點(diǎn)S近地近地點(diǎn)點(diǎn)z=2/TGPS Principles and Applications n第二數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊4.2 GPS的導(dǎo)航電文軌道攝動(dòng)參數(shù)軌道攝動(dòng)參數(shù)時(shí)間參數(shù)時(shí)間參數(shù)（衛(wèi)星星歷）（衛(wèi)星星歷）)2sin()2cos()2sin()2cos()2sin()2cos(kiskicikrskrcrkuskucuCCCCCC升交點(diǎn)角距、衛(wèi)星矢徑和軌道面傾角的攝動(dòng)改正項(xiàng)p從星期日子夜零點(diǎn)開始度量的星歷參考時(shí)刻toe；1oettp星歷表的數(shù)據(jù)齡期AODE預(yù)報(bào)星歷測量的最后觀測時(shí)間預(yù)報(bào)星歷的外推時(shí)間長度GPS Principles and A

18、pplications 4.2 GPS的導(dǎo)航電文遙測碼遙測碼：表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換碼：轉(zhuǎn)換碼：提供從C/A碼轉(zhuǎn)換到P碼的Z記數(shù)第三數(shù)據(jù)塊：第三數(shù)據(jù)塊：包含所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)，用于選星第一數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊l時(shí)延差改正時(shí)延差改正Tgdl星期序號(hào)星期序號(hào)WNl衛(wèi)星時(shí)鐘改正衛(wèi)星時(shí)鐘改正l時(shí)鐘齡期時(shí)鐘齡期AODCst000,Miea, ,ucusrcrsicisni CCCCCC第二數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊l開普勒六參數(shù)開普勒六參數(shù)l軌道攝動(dòng)九參數(shù)軌道攝動(dòng)九參數(shù)l時(shí)間二參數(shù)時(shí)間二參數(shù)參考時(shí)刻toe星歷表的數(shù)據(jù)齡期AODEn導(dǎo)航電文小結(jié)導(dǎo)航電文小結(jié)1oett=toct1預(yù)報(bào)星歷測量的最后觀測時(shí)間第一數(shù)

19、據(jù)塊的基準(zhǔn)時(shí)間預(yù)報(bào)星歷測量的最后觀測時(shí)間GPS Principles and Applications 4.3 GPS衛(wèi)星星歷nGPS衛(wèi)星星歷的概念衛(wèi)星星歷的概念描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計(jì)算出任一時(shí)刻的衛(wèi)星位置及其速度。nGPS衛(wèi)星星歷的類型衛(wèi)星星歷的類型p預(yù)報(bào)星歷預(yù)報(bào)星歷通過導(dǎo)航電文中的數(shù)據(jù)塊直接發(fā)射給用戶接收機(jī)，又稱廣播星歷p后處理星歷后處理星歷由GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控站通過磁帶、網(wǎng)絡(luò)、電傳向用戶提供，又稱為精密星歷。對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻的衛(wèi)星軌道參數(shù)及其變化率GPS Principles and Applications 預(yù)報(bào)星歷相對(duì)某一參考?xì)v元相對(duì)某一參考?xì)v元的開普勒軌道參數(shù)的開普

20、勒軌道參數(shù)軌道攝軌道攝動(dòng)改正動(dòng)改正項(xiàng)參數(shù)項(xiàng)參數(shù)由地面監(jiān)控站由地面監(jiān)控站根據(jù)大約一周根據(jù)大約一周的觀測資料計(jì)的觀測資料計(jì)算而得，亦稱算而得，亦稱參考星歷參考星歷任意觀測歷元任意觀測歷元的衛(wèi)星星歷的衛(wèi)星星歷限制預(yù)報(bào)限制預(yù)報(bào)星歷外推星歷外推時(shí)間間隔時(shí)間間隔跟蹤站每天利用其跟蹤站每天利用其觀測資料計(jì)算衛(wèi)星觀測資料計(jì)算衛(wèi)星軌道參數(shù)的更新值軌道參數(shù)的更新值并注入衛(wèi)星，而衛(wèi)并注入衛(wèi)星，而衛(wèi)星發(fā)射星歷每小時(shí)星發(fā)射星歷每小時(shí)更新一次更新一次在攝動(dòng)力作用下在攝動(dòng)力作用下衛(wèi)星實(shí)際軌道將衛(wèi)星實(shí)際軌道將偏離其參考軌道，偏離其參考軌道，并隨觀測歷元增加并隨觀測歷元增加消除攝消除攝動(dòng)力影動(dòng)力影響響4.3 GPS衛(wèi)星星歷n預(yù)

21、報(bào)星歷及其意義預(yù)報(bào)星歷及其意義GPS Principles and Applications 4.3 GPS衛(wèi)星星歷n精密星歷及其特點(diǎn)精密星歷及其特點(diǎn) 是一些國家某些部門，根據(jù)各自建立的衛(wèi)星跟蹤站所獲得的對(duì)GPS衛(wèi)星的精密觀測資料，計(jì)算得到的衛(wèi)星星歷?？梢韵蛴脩籼峁┰谟脩粲^測時(shí)間內(nèi)的衛(wèi)星星歷，避免了星歷外推的誤差。由于這種星歷是在事后向用戶提供的在其觀測時(shí)間內(nèi)的精密軌道信息，因此稱為后處理星歷或精密歷。不是通過GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文向用戶傳遞，而是利用磁帶或通過電視、電傳、衛(wèi)星通訊或互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等方式有償?shù)貫樗枰挠脩籼峁┑姆?wù) p精密星歷概念精密星歷概念p精密星歷特點(diǎn)精密星歷特點(diǎn)GPS Prin

22、ciples and Applications 4.3 GPS衛(wèi)星星歷n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算0sincossssssffrssssRiRRzyx)()()(13zyxGASTRZYX)(3衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定衛(wèi)星天球坐標(biāo)確定衛(wèi)星天球坐標(biāo)確定衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定?sf真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算GPS Principles and Applications 4.3 GPS衛(wèi)星星歷n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算p知識(shí)回顧知識(shí)回顧平平近近點(diǎn)點(diǎn)角角Mk開普勒方程Ms= E - esinEssfeefEcos1coscos偏偏近近點(diǎn)點(diǎn)角角E 真真近近點(diǎn)點(diǎn)角角f

23、k真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算)(0ttnMkk平均角速度平均角速度歸化歸化觀測觀測時(shí)間時(shí)間平均角速度計(jì)算平均角速度計(jì)算歸化觀測時(shí)間歸化觀測時(shí)間平近點(diǎn)角計(jì)算平近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算GPS Principles and Applications t toe oe 星歷表參考?xì)v元（秒），星歷表參考?xì)v元（秒），IODEIODE（AODEAODE）星歷表數(shù)據(jù)齡星歷表數(shù)據(jù)齡期，期，MM0 0 按參考?xì)v元按參考?xì)v元toetoe計(jì)算的平近點(diǎn)計(jì)算的平近點(diǎn)角（弧度），角（弧度）， n n 由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得平均角速度與按

24、給定參數(shù)計(jì)算所得的平均角速度之差（弧度），的平均角速度之差（弧度），e e 軌道第一偏心率（軌道第一偏心率（N N），）， 軌道長半徑的平方根軌道長半徑的平方根a平均角速度平均角速度302/nGM aTnnn0（1 1）計(jì)算修正平均角速度）計(jì)算修正平均角速度n nGM4aT232開普勒第三定律：開普勒第三定律：n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算4.3 GPS衛(wèi)星星歷真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算平均角速度計(jì)算平均角速度計(jì)算歸化觀測時(shí)間歸化觀測時(shí)間平近點(diǎn)角計(jì)算平近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算GPS Principles and Applications toetoe星歷表參考?xì)v元（

25、秒），星歷表參考?xì)v元（秒），IODEIODE（AODEAODE）星歷表數(shù)據(jù)齡星歷表數(shù)據(jù)齡期（期（N N），），M0M0按參考?xì)v元按參考?xì)v元toetoe計(jì)算的平近點(diǎn)計(jì)算的平近點(diǎn)角（弧度），角（弧度）， nn由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得的均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得的平均角速度之差（弧度），平均角速度之差（弧度），e e軌道第一偏心率（軌道第一偏心率（N N），）， 軌道長半徑的平方根軌道長半徑的平方根a 電文中給出的電文中給出的GPSGPS衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)是對(duì)應(yīng)于參考?xì)v元參數(shù)是對(duì)應(yīng)于參考?xì)v元t toeoe 的，的，對(duì)于某觀測歷元對(duì)于某觀測歷

26、元t t，必須確定其，必須確定其相對(duì)于參考?xì)v元的時(shí)間差值相對(duì)于參考?xì)v元的時(shí)間差值t tk koekttt（2 2）計(jì)算歸化觀測時(shí)間）計(jì)算歸化觀測時(shí)間t tk k平均角速度計(jì)算平均角速度計(jì)算歸化觀測時(shí)間歸化觀測時(shí)間平近點(diǎn)角計(jì)算平近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算4.3 GPS衛(wèi)星星歷真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算GPS Principles and Applications t toe oe 星歷表參考?xì)v元（秒），星歷表參考?xì)v元（秒），IODEIODE（AODEAODE）星歷表數(shù)據(jù)齡星歷表數(shù)據(jù)齡期（期（N N），），MM0 0按參考?xì)v元按參考?xì)v元toe

27、toe計(jì)算的平近點(diǎn)計(jì)算的平近點(diǎn)角（弧度），角（弧度）， nn由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得的均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得的平均角速度之差（弧度），平均角速度之差（弧度），e e軌道第一偏心率（軌道第一偏心率（N N），）， 軌道長半徑的平方根軌道長半徑的平方根a（3 3）計(jì)算觀測時(shí)刻的衛(wèi)星平近點(diǎn)角）計(jì)算觀測時(shí)刻的衛(wèi)星平近點(diǎn)角 kkntMM0MZ春分點(diǎn)春分點(diǎn)0M升交點(diǎn)升交點(diǎn)S近地點(diǎn)近地點(diǎn)參考時(shí)刻參考時(shí)刻kntn衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算4.3 GPS衛(wèi)星星歷平均角速度計(jì)算平均角速度計(jì)算歸化觀測時(shí)間歸化觀測時(shí)間平近點(diǎn)角計(jì)算平近

28、點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算GPS Principles and Applications toetoe星歷表參考?xì)v元（秒），星歷表參考?xì)v元（秒），IODEIODE（AODEAODE）星歷表數(shù)據(jù)齡期星歷表數(shù)據(jù)齡期（N N），），MM0 0按參考?xì)v元按參考?xì)v元toetoe計(jì)算的平近點(diǎn)角計(jì)算的平近點(diǎn)角（弧度），（弧度）， nn由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得的均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得的平均角速度之差（弧度），平均角速度之差（弧度），e e軌道第一偏心率（軌道第一偏心率（N N），）， 軌道長半徑的平方根軌道長半徑的平方

29、根a按迭代方法進(jìn)行解算按迭代方法進(jìn)行解算 kkkEeMEsin（4 4）計(jì)算觀測時(shí)刻的衛(wèi)星偏近點(diǎn)角）計(jì)算觀測時(shí)刻的衛(wèi)星偏近點(diǎn)角 n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算4.3 GPS衛(wèi)星星歷平均角速度計(jì)算平均角速度計(jì)算歸化觀測時(shí)間歸化觀測時(shí)間平近點(diǎn)角計(jì)算平近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算GPS Principles and Applications toetoe星歷表參考?xì)v元（秒），星歷表參考?xì)v元（秒），IODEIODE（AODEAODE）星歷表數(shù)據(jù)齡星歷表數(shù)據(jù)齡期（期（N N），），MM0 0按參考?xì)v元按參考?xì)v元toetoe計(jì)算的平近點(diǎn)計(jì)算的平近點(diǎn)角（弧度

30、），角（弧度）， nn由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得的均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得的平均角速度之差（弧度），平均角速度之差（弧度），e e軌道第一偏心率（軌道第一偏心率（N N），）， 軌道長半徑的平方根軌道長半徑的平方根a（5 5）計(jì)算觀測時(shí)刻的衛(wèi)星真近點(diǎn)角）計(jì)算觀測時(shí)刻的衛(wèi)星真近點(diǎn)角 )2/11(2kktgEeearctgfcoscos1coskkfeEef平均角速度計(jì)算平均角速度計(jì)算歸化觀測時(shí)間歸化觀測時(shí)間平近點(diǎn)角計(jì)算平近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算4.3 GPS衛(wèi)星星歷真近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)

31、星坐標(biāo)計(jì)算GPS Principles and Applications 4.3 GPS衛(wèi)星星歷n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算0sincossssssffrssssRiRRzyx)()()(13zyxGASTRZYX)(3衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定衛(wèi)星天球坐標(biāo)確定衛(wèi)星天球坐標(biāo)確定衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星地球衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定軌道攝動(dòng)軌道攝動(dòng)參數(shù)確定參數(shù)確定)2sin()2cos()2sin()2cos()2sin()2cos(kiskicikrskrcrkuskucuCCCCCC升交點(diǎn)角升交點(diǎn)角距確定距確定?sf真近點(diǎn)

32、角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算GPS Principles and Applications 0 0按參考?xì)v元按參考?xì)v元toetoe計(jì)算的升計(jì)算的升交點(diǎn)赤徑（弧度），交點(diǎn)赤徑（弧度），i i0 0按參考?xì)v元按參考?xì)v元toetoe計(jì)算的軌道計(jì)算的軌道傾角（弧度），傾角（弧度）， 近地點(diǎn)角距（弧度），近地點(diǎn)角距（弧度），升交點(diǎn)赤徑變化率（弧度升交點(diǎn)赤徑變化率（弧度/ /秒），秒）， 軌道傾角變化率（弧度軌道傾角變化率（弧度/ /秒秒i（6 6）計(jì)算升交距角）計(jì)算升交距角 kkfMZ春分點(diǎn)春分點(diǎn)kf升交點(diǎn)升交點(diǎn)參考時(shí)刻參考時(shí)刻近地點(diǎn)近地點(diǎn)觀測時(shí)刻觀測時(shí)刻4.3 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)

33、算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星地球衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定軌道攝動(dòng)軌道攝動(dòng)參數(shù)確定參數(shù)確定升交點(diǎn)角升交點(diǎn)角距確定距確定GPS Principles and Applications CucCuc升交矩角的余弦調(diào)和項(xiàng)升交矩角的余弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（弧度），改正的振幅（弧度），CusCus升交矩角的正弦調(diào)和項(xiàng)升交矩角的正弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（弧度），改正的振幅（弧度），CrcCrc衛(wèi)星矢徑的余弦調(diào)和項(xiàng)衛(wèi)星矢徑的余弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（米），改正的振幅（米），CrsCrs衛(wèi)星矢徑的正弦調(diào)和項(xiàng)衛(wèi)星矢徑的正弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（米），改正的振幅（米），CicCic軌道傾角的余弦調(diào)和項(xiàng)軌道傾

34、角的余弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（弧度），改正的振幅（弧度），CisCis軌道傾角的正弦調(diào)和項(xiàng)軌道傾角的正弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（弧度）改正的振幅（弧度）（7 7）計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng)）計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng))2sin()2cos()2sin()2cos()2sin()2cos(kiskicikrskrcrkuskucuCCCCCC u u、r r、i i分別表分別表示升角距角、衛(wèi)星矢徑和示升角距角、衛(wèi)星矢徑和軌道面傾角的攝動(dòng)改正軌道面傾角的攝動(dòng)改正衛(wèi)星地球衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定軌道攝動(dòng)軌道攝動(dòng)參數(shù)確定參數(shù)確定升交點(diǎn)角升交點(diǎn)角距確定距確定4.3 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算n

35、衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算GPS Principles and Applications 2(1)1coskaerefcoscos1coskkfeEef1coskraeE（8 8）計(jì)算經(jīng)攝動(dòng)改正的升交距角、衛(wèi)星矢徑、軌道傾角）計(jì)算經(jīng)攝動(dòng)改正的升交距角、衛(wèi)星矢徑、軌道傾角 0 0按參考?xì)v元按參考?xì)v元toetoe計(jì)算的升計(jì)算的升交點(diǎn)赤徑（弧度），交點(diǎn)赤徑（弧度），i i0 0按參考?xì)v元按參考?xì)v元toetoe計(jì)算的軌道計(jì)算的軌道傾角（弧度），傾角（弧度）， 近地點(diǎn)角距（弧度），近地點(diǎn)角距（弧度），升交點(diǎn)赤徑變化率（弧度升交點(diǎn)赤徑變化率（弧度/ /秒），秒）， 軌道傾角變化率（弧度軌道傾角變化率（弧度/

36、 /秒秒i開普勒第一定律ukkurkkEearcos1kiktiii04.3 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星地球衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定軌道攝動(dòng)軌道攝動(dòng)參數(shù)確定參數(shù)確定升交點(diǎn)角升交點(diǎn)角距確定距確定GPS Principles and Applications cossin0kkkkkkxyrz（9 9）計(jì)算衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置）計(jì)算衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置 yrkx升交點(diǎn)升交點(diǎn)近地點(diǎn)近地點(diǎn)k kkfxkyk4.3 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星地球衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道衛(wèi)星

37、軌道坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定軌道攝動(dòng)軌道攝動(dòng)參數(shù)確定參數(shù)確定升交點(diǎn)角升交點(diǎn)角距確定距確定 若設(shè)該軌道坐標(biāo)系的x軸指向升交點(diǎn)，則衛(wèi)星在該坐標(biāo)系統(tǒng)中的極角為升交距角k ,GPS Principles and Applications 4.3 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星地球衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定軌道攝動(dòng)軌道攝動(dòng)參數(shù)確定參數(shù)確定升交點(diǎn)角升交點(diǎn)角距確定距確定（1010）計(jì)算觀測時(shí)刻升交點(diǎn)經(jīng)度）計(jì)算觀測時(shí)刻升交點(diǎn)經(jīng)度 升交點(diǎn)升交點(diǎn)GXxzLkGAST 觀測時(shí)刻t的升交點(diǎn)經(jīng)度LK ,為該時(shí)刻的升交點(diǎn)赤經(jīng) 與格林泥治恒星時(shí)GAST之差，即GA

38、STLkkoet 和GAST為觀測時(shí)刻t的對(duì)應(yīng)值 0e0e按參考?xì)v元按參考?xì)v元t toeoe計(jì)算的升交計(jì)算的升交點(diǎn)赤徑（弧度），點(diǎn)赤徑（弧度）， 升交點(diǎn)赤徑變化率（弧度升交點(diǎn)赤徑變化率（弧度 / /秒），秒），tGASTGASTeGPS時(shí)間原點(diǎn)時(shí)間原點(diǎn)t（t的零時(shí)刻，周六午夜的零時(shí)刻，周六午夜/周日子夜的交換時(shí)刻）的格林尼治恒星時(shí)周日子夜的交換時(shí)刻）的格林尼治恒星時(shí)地球自轉(zhuǎn)的角速率，為地球自轉(zhuǎn)的角速率，為7.29211510-15（rad/s）GPS Principles and Applications GASTLkkoettGASTGASTetGASTtLekoek0oeGAST 令ttL

39、ekk0oeekekttL)(0oekttt4.3 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算（1010）計(jì)算觀測時(shí)刻升交點(diǎn)經(jīng)度）計(jì)算觀測時(shí)刻升交點(diǎn)經(jīng)度 衛(wèi)星地球衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定軌道攝動(dòng)軌道攝動(dòng)參數(shù)確定參數(shù)確定升交點(diǎn)角升交點(diǎn)角距確定距確定春分點(diǎn)春分點(diǎn)t時(shí)的時(shí)的零子午面零子午面0et0e時(shí)的時(shí)的升交點(diǎn)升交點(diǎn)GAST0準(zhǔn)經(jīng)度準(zhǔn)經(jīng)度GPS Principles and Applications kkkZYXkkkzyxkzLR （1111）計(jì)算衛(wèi)星在瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的位置）計(jì)算衛(wèi)星在瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的位置 ZGX升交點(diǎn)升交點(diǎn)xzLk 由軌道直

40、角坐標(biāo)系o-xyz變換到瞬時(shí)地球坐標(biāo)系O-XYZ，kxiR = 然后繞Z（z）軸順轉(zhuǎn)角度Lk，使X軸與x軸重合。 應(yīng)先繞軌道x軸順轉(zhuǎn)角度ik，使Z（z）軸重合，4.3 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星地球衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定軌道攝動(dòng)軌道攝動(dòng)參數(shù)確定參數(shù)確定升交點(diǎn)角升交點(diǎn)角距確定距確定GPS Principles and Applications (12)(12)計(jì)算衛(wèi)星在協(xié)議地球坐標(biāo)系的位置計(jì)算衛(wèi)星在協(xié)議地球坐標(biāo)系的位置kkkkkkCTSXXYM YZZGPSGPS采用的協(xié)議地球坐標(biāo)系為采用的協(xié)議地球坐標(biāo)系為WGS-84W

41、GS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系4.3 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算n衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星地球衛(wèi)星地球坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道坐標(biāo)確定坐標(biāo)確定軌道攝動(dòng)軌道攝動(dòng)參數(shù)確定參數(shù)確定升交點(diǎn)角升交點(diǎn)角距確定距確定GPS Principles and Applications n載波信號(hào)及其意義載波信號(hào)及其意義4. 4 GPS載波信號(hào)測距碼（1.023Mbit/s）、導(dǎo)航電文（10.23Mbit/s）和導(dǎo)航電文（50Mbit/s）屬于低頻信號(hào)，難以傳輸解決辦法是發(fā)射一高頻信號(hào)（載波），加載測距碼和導(dǎo)航電文（調(diào)制信號(hào)），形成調(diào)制波。GPS衛(wèi)星采用L頻帶的兩種不同頻率的電磁波作為高頻信號(hào)，分別稱為L1載波和L2載波。GPS Principles and Applications 載波，載波，便于把便于把衛(wèi)星信衛(wèi)星信號(hào)發(fā)送號(hào)發(fā)送到地面到地面n載波信號(hào)組成載波信號(hào)組成4.4 GPS載波信號(hào)GPS Principles and Applications GPS測距信號(hào)測距碼載