GPS系統(tǒng)的組成及信號格式(1)

1、GPS系統(tǒng)的組成和信號格式系統(tǒng)的組成和信號格式GPS系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成 GPS定位系統(tǒng)包括三大組成部分: 1.地面監(jiān)控部分； 2.空間衛(wèi)星部分； 3.用戶接收部分。GPS系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成1.1 地面監(jiān)控站的分布 GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)測部分由一個主控站,三個注入站和五個監(jiān)測站組成。其分布情況是：主控站設在美國本土科羅拉多斯平士（Colorado Spings）的聯(lián)合空間執(zhí)行中心 CSOC ；三個注入站分別設在大西洋的阿森松（Ascension），印度洋的狄哥.伽西亞（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加蘭 (Kwajalein) 三個美國空軍基地上；五個監(jiān)測站，除一個單獨在夏威夷外

2、，其余四個都分設在主控站和注入站上。GPS系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成1.1 地面監(jiān)控站的分布GPS系統(tǒng)的組成1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的作用 主控站又稱聯(lián)合空間執(zhí)行中心（CSOC），它的任務主要有：（1）采集數(shù)據(jù)，推算編制導航電文。主控站的大型電子計算機采集本站和5個觀測站的所有觀測資料，根據(jù)收集到數(shù)據(jù)，推算各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差改正數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣改正數(shù)。（2）給定全球定位系統(tǒng)時間基準。GPS的監(jiān)測站和各個衛(wèi)星上都有自己的原子鐘，他們與主控站的原子鐘并不同步，全球定位系統(tǒng)中以主控站的原子鐘為基準，測出其他星鐘和監(jiān)測站站鐘對于基準鐘的鐘差，并將這些鐘差信息編輯到導航電文中，傳入到注入站，轉發(fā)至各衛(wèi)星。（3

3、）協(xié)調并管理所有地面監(jiān)測站和注入站系統(tǒng)，診斷所有地面支撐系統(tǒng)和天空衛(wèi)星的健康狀況。（4）調整衛(wèi)星運動狀態(tài)，啟動備用衛(wèi)星。 GPS系統(tǒng)的組成 監(jiān)控站是無人值守的數(shù)據(jù)自動采集中心，其位置經(jīng)精密測定。監(jiān)控站根據(jù)其接收到的衛(wèi)星擴頻信號求出相對于其原子鐘的偽距和偽距差，檢測出所測衛(wèi)星的導航定位數(shù)據(jù)。利用環(huán)境傳感器測出當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。然后將算得的偽距、導航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給主控站，為主控站編算導航電文提供可靠的數(shù)據(jù)。GPS系統(tǒng)的組成 注入站主要作用是將主控站傳來的衛(wèi)星星歷、鐘差信息、導航電文和其他控制指令等注入到衛(wèi)星的存儲器中，使衛(wèi)星的廣播信號獲得更高的精度。GPS系統(tǒng)的組成2. 空間衛(wèi)星

4、部分 空間衛(wèi)星部分是由空間運行的多顆衛(wèi)星按一定的規(guī)則組成的GPS衛(wèi)星星座。GPS工作衛(wèi)星共24顆，其中21顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài)，3顆處于在軌備用狀態(tài)，組成（21+3）GPS工作衛(wèi)星星座。GPS工作衛(wèi)星星座的24顆衛(wèi)星均勻分布在6個傾角為55的軌道平面內(nèi)，各軌道面之間相距60?，F(xiàn)在已有30多顆，大部分軌道有5顆，部分軌道有6顆。GPS系統(tǒng)的組成2. 空間衛(wèi)星部分 GPS系統(tǒng)的組成2. 空間衛(wèi)星部分 GPS衛(wèi)星軌道平均高度約為20200km，運行周期為11h58min。因此，地球上同一地點的GPS接收機的上空，每天出現(xiàn)的GPS衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4min。位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時間

5、和地點的不同而相異，最少4顆，最多時可達11顆。 GPS衛(wèi)星的主要作用是接收和存儲導航電文，生成并發(fā)送用于導航定位的信號，接收地面指令并執(zhí)行相關操作。衛(wèi)星本體由結構、電源、熱控、通信、姿態(tài)控制及軌道控制等各個分系統(tǒng)組成，以保證衛(wèi)星正常運行，主要載荷是導航信號生成與發(fā)射設備、高精度原子鐘。GPS系統(tǒng)的組成3. 用戶接收部分 用戶接收部分的基本設備，就是GPS信號接收機，其作用是接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星所發(fā)射的GPS信號，以達到導航和定位的目的。 GPS信號接收機，按用途的不同，可分為導航型、測地型和授時型等三種。按攜帶形式的不同可分為袖珍式、背負式、車載式、艦用式、空（飛機）載式、彈載式

6、和星載式等七種。 盡管各種類型的接收機結構復雜程度不同，但都必須完成下列功能：選擇衛(wèi)星、捕獲信號、跟蹤和測量導航信號、校正傳播效應、計算導航解、顯示及傳輸定位信息。GPS信號格式 GPS信號由三大部分組成：即導航電文數(shù)據(jù)【D(t),或稱導航電文編碼】、擴頻碼【C/A碼和P(Y)碼】、載波【L1和L2】。所有這三種信號分量，都是在同一個基本頻率f0 =10.23MHz的控制下產(chǎn)生，從而便于信號的生成和產(chǎn)生，對于發(fā)射信號和接收信號的同步十分有利?，F(xiàn)代化的過程中，逐步添加了軍用碼M碼，并且測試并啟用了第三民用信號和第四民用信號（L5和L2C）。GPS信號格式GPS信號格式 GPS衛(wèi)星天線發(fā)射的信號是

7、兩級調制后的導航電文D(t)，其獲得過程如下：（1）將低頻D(t)碼調制到高頻C/A碼、P(Y)碼等隨機序列（二者模2相加或波形相乘），實現(xiàn)對D(t)的偽隨機碼擴頻。（2）將第一級調制的組合碼再分別調制到GPS信號的載波頻率上獲得衛(wèi)星天線的發(fā)射信號。GPS信號格式 右圖是GPS衛(wèi)星信號的構成示意圖。圖中說明所有信號分量是根據(jù)同一基準頻率（圖中A點）產(chǎn)生的，其中包括載波（B點）， L2（C點），調制在載波L1上的調相信號C/A碼（D點），P碼（F點）和數(shù)據(jù)碼（G點），經(jīng)衛(wèi)星發(fā)射天線（H點）發(fā)射的信號分量包括：C/A碼信號（J點），L1-P碼信號（K點）和L2-P碼信號（L點）。GPS信號格式 在載波L1和L2上調制偽隨機碼擴頻后的D碼方法是正交調制方式，該調制方式也成稱為BPSK調制。如果碼值取0則對應的碼狀態(tài)為+1，載波與碼狀態(tài)+1相乘時，載波相位不變；而碼值取1對應的碼狀態(tài)為-1，載波與碼狀態(tài)-1相乘時