文本教程講稿

1、GPS原理及其應(yīng)用(四)GPS原理及其應(yīng)用第二章全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)2.2GPS衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu)GPS原理及其應(yīng)用GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)GPS原理及其應(yīng)用概述GPS衛(wèi)星信號的組成部分載波（Carrier）L1L2測距碼（Ranging Code）C/A碼（目前只被調(diào)制在L1上）P(Y)碼（被分別調(diào)制在L1和L2上）衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文（Message）GPS衛(wèi)星信號的生成關(guān)鍵設(shè)備 原子鐘全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 概述GPS原理及其應(yīng)用GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率 f0由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號的所有成分均

2、是該基準(zhǔn)頻率的倍頻或分頻fL1 154 f0 1575.42MHz;L1 19.03cmfL2L2 120 f0 1227.60MHz; 24.42 cmC / A碼碼率 f0 10 1.023MHz;P碼碼率 f0 10.23MHz;衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文碼率 f0 20460000 50Hz全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率GPS原理及其應(yīng)用載波作用搭載其它調(diào)制信號測距測定多普勒頻移類型目前L1 頻率： 154f0L2 頻率： 120f0現(xiàn)代化后= 1575.43MHz；波長： 19.03cm= 1227.60MHz；波長： 24.42cm增加L5 頻率： 1

3、15f0 = 1176.45MHz；波長： 25.48cmL119.03cmL224.42cm全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 載波GPS原理及其應(yīng)用載波特點所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關(guān)）全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 載波GPS原理及其應(yīng)用測距碼作用測距性質(zhì)為偽隨機噪聲碼（PRN Pseudo Random Noise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1全球定位系統(tǒng)的

4、組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 測距碼GPS原理及其應(yīng)用全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 測距碼測距碼類型目前C/A碼（Coarse/Acquisition Code） 粗碼/捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)： 1023；碼元寬度：293.05m；僅被調(diào)制在L1上P（Y）碼（Precise Code） 精碼；碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數(shù)：6187104000000；碼元寬度：29.30m；被調(diào)制在L1和 L2上現(xiàn)代化后在L2上調(diào)制C/A碼在L1和L2增加調(diào)制M碼GPS原理及其應(yīng)用衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、

5、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息基本結(jié)構(gòu).1(30bits)2(30bits).10( 30 bits)1(1)(300bits)1(30bits)2(30bits).10(30bits)2(2)(300bits)3(2)(300bits)4(3)(300bits)5(3)(300bits)1(1500bits)2(1500bits).1(1)(300bits).5(3)(300bits)25(1500bits)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文GPS原理及其應(yīng)用衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文 基本內(nèi)容全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文GPS

6、原理及其應(yīng)用衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文遙測字（TLM Telemetry Word）每一子幀的第1個字用作捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)交接字（HOW Hand Over Word）每一子幀的第2個字主要內(nèi)容：Z計數(shù)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文GPS原理及其應(yīng)用衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文第一數(shù)據(jù)塊第1子幀的第310個字內(nèi)容：WN GPS周L2所調(diào)制測距碼標(biāo)識符 “10”表示C/A碼，“01”表示P(Y)碼傳輸參數(shù)N URATGD 信號在衛(wèi)星內(nèi)部的時延(tSV )L1 tSV TGD星鐘數(shù)據(jù)齡期AODCAODC tOC tL星鐘改正參數(shù) a0（鐘偏），a1（鐘速）， a2（鐘漂）)22oc

7、tSV a0 a1 (t toc ) a (t t全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文GPS原理及其應(yīng)用衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文第二數(shù)據(jù)塊第2、3子幀的第310個字內(nèi)容該發(fā)送信號衛(wèi)星的星歷 廣播星歷 星歷參數(shù)M 0 , n,e,a, 0 ,i0 , ,i,Cuc ,Cus ,Crc ,Crs , Cic , Cis ,toe , AODE全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文GPS原理及其應(yīng)用衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文第三數(shù)據(jù)塊第4、5子幀的第310個字內(nèi)容：所有衛(wèi)星歷書（概略星歷）第三數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容每12.5分鐘重復(fù)一次全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GP

8、S衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文GPS原理及其應(yīng)用星歷參數(shù)詳解全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 星歷參數(shù)詳解M 0：參考時刻的平近點角 M (t) M 0 n (t toe )其中n為平均角速度n：平均角速度的改正值s2稱為地球引力常數(shù)，在WGS 84系中定義為3.986005 1014 m3 n n0 nA：軌道長半軸的平方根(a )3GMa30平均角速度的計算值nGPS原理及其應(yīng)用全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 星歷參數(shù)詳解星歷參數(shù)詳解e：偏心率E(t) M (t ) e sin E(t)cos E(t) e1 e2 sin E(t) 真近點角 (t) a

9、rctg 0：參考時刻升交點赤經(jīng)(oe )與GPS周開始時格林尼治赤經(jīng)(GASTW )之差設(shè)e為地球自轉(zhuǎn)角速度，k (t)為升交點經(jīng)度，(t )為升交點赤經(jīng)，則0 oe GASTW(t) oe (t toe )GAST (t) GASTW e tk (t) (t ) GAST (t)oe (t toe ) GASTW e toe GASTW (t toe ) e (t toe ) e toe 0 ( e ) (t toe ) e toeGPS原理及其應(yīng)用星歷參數(shù)詳解全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 星歷參數(shù)詳解GPS原理及其應(yīng)用全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)

10、星歷參數(shù)詳解星歷參數(shù)詳解i0：參考時刻的軌道傾角 i(t) i0 i (t toe ) i：近地點角距未經(jīng)改正的升交距交(t ) (t) Cuc，Cus：升交距角的余弦和正弦調(diào)和改正的振幅 Crc，Crs：軌道半徑的余弦和正弦調(diào)和改正的振幅 Cic，Cis：軌道傾角的余弦和正弦調(diào)和改正的振幅升交距角、軌道向徑和軌道傾角的改正項u(t) Cuc cos(2(t ) Cus sin(2(t )r(t) Crc cos(2(t) Crs sin(2(t)i(t) Cic cos(2(t) Cis sin(2(t)toe：星歷參考時刻GPS原理及其應(yīng)用衛(wèi)星信號的調(diào)制模二和 運算規(guī)則 二進(jìn)制信號：“1”

11、表示二進(jìn)制“0”，“-1”表示二進(jìn)制“1”，則11 1;11 1;11 1;11 11 0 1;0 0 011 0;0 1 1;全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星信號的調(diào)制GPS原理及其應(yīng)用衛(wèi)星信號的調(diào)制二進(jìn)制信號的相位調(diào)制S(t) B(t) cos( t )調(diào)頻FM調(diào)幅AM調(diào)相PM注：其它調(diào)制方式全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星信號的調(diào)制GPS原理及其應(yīng)用衛(wèi)星信號的調(diào)制GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制 示意圖 衛(wèi)星信號的調(diào)制原理SL1(t ) AP Pi (t ) Di (t ) cos(L1t L1) AC Ci (t) Di (t) sin(L1t L1 )

12、SL 2 (t) BP Pi (t) Di (t) cos(L 2t L 2 )全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星信號的調(diào)制GPS原理及其應(yīng)用首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)然后將上述坐標(biāo)分別繞 X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星位置的計算GPS衛(wèi)星位置的計算-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置計算思路軌道參數(shù)地 心升 交 點x軌道平面坐標(biāo)系y近 地 點衛(wèi) 星近 地 點 角 距升 交 距 角真 近 點 角GPS原理及其應(yīng)用Z (Z )X 春 分 點軌 道 平 面衛(wèi) 星 升交點赤經(jīng)軌道橢圓中心赤 道

13、 面近 地 點 近地點角距t0 過近地點時刻地 心orf 真 近 點 角Y起 始 子 午 面Y i 軌 道 傾 角升 交 點k升交點經(jīng)度G A ST Xx長 半 徑e 軌 道 偏 心 率全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星位置的計算yGPS原理及其應(yīng)用GPS衛(wèi)星位置的計算-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置計算過程 計算衛(wèi)星運行的平均角速度0a3(a)3s2 稱為地球引力常數(shù)，在WGS84系中定義為3.9860051014 m3 n n0 n計算t時刻衛(wèi)星的平近點角M (t) M 0 n (t toe )計算偏近點角E(t) M (t) e sin E(t)GM n全球定位系統(tǒng)的

14、組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星位置的計算GPS原理及其應(yīng)用GPS衛(wèi)星位置的計算-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置計算過程（續(xù)） 計算真近點角cos E(t) ef (t) arctg 1 e2 sin E(t) 計算升交距角（未經(jīng)改正的）u(t) f (t)計算衛(wèi)星向徑r (t) A(1 e cos E(t)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星位置的計算GPS原理及其應(yīng)用GPS衛(wèi)星位置的計算-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置計算過程（續(xù)）計算攝動改正項u(t) Cuc cos(2u (t ) Cus sin(2u (t )r(t) Crc cos(2u(t) Crs s

15、in(2u(t)i(t) Cic cos(2u(t) Cis sin(2u(t)進(jìn)行攝動改正u(t) u(t) u(t)r(t) r(t) r(t)i(t) i0 i (t toe ) i(t)計算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的位置x(t) r(t) cosu(t)y(t) r(t) sin u(t)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星位置的計算GPS原理及其應(yīng)用GPS衛(wèi)星位置的計算-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置計算過程（續(xù)）計算升交點經(jīng)度k (t) 0 ( e ) (t toe ) e toe計算衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)y sin (t) 0 Z X x x cosk (t)

16、y cosi(t ) sin k (t) Y RZ (k (t)Rx (i(t) y x sin k (t) y cos i(t) cosk (t)k全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星位置的計算GPS原理及其應(yīng)用精密星歷按一定時間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的三維位置、三維速度和鐘差*20041 15000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.3421423