全球定位系統(tǒng)組成與信號(hào)結(jié)構(gòu)

全球定位系統(tǒng)組成與信號(hào)結(jié)構(gòu)§2.1

全球定位系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)由三部分組成地面控制部分用戶設(shè)備部分1、空間部分6個(gè)軌道面平均軌道高度20200km軌道傾角55設(shè)計(jì)星座：21+3周期11h58min（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）保證在每天24小時(shí)的任何時(shí)刻，在高度角15以上，能夠同時(shí)觀測(cè)到4顆以上衛(wèi)星GPS衛(wèi)星作用：接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文生成用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（測(cè)距碼、載波）發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文）接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測(cè)核暴等。主要設(shè)備太陽(yáng)能電池板原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘）信號(hào)生成與發(fā)射裝置GPS衛(wèi)星類型：試驗(yàn)衛(wèi)星：BlockⅠ工作衛(wèi)星：BlockⅡ（存儲(chǔ)星歷能力為14天，具有SA和AS的能力）BlockⅡA（Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲(chǔ)星歷能力為180天，SVN35和SVN36帶有激光反射棱鏡BlockⅡR

（Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互跟蹤相互通訊BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS衛(wèi)星，增設(shè)第三民用頻率BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR2、GPS的地面監(jiān)控部分組成主控站：1個(gè)監(jiān)測(cè)站：5個(gè)注入站：3個(gè)通訊與輔助系統(tǒng)監(jiān)控站注入站主控站夏威夷科羅拉多阿松森群島迭哥伽西亞卡瓦加蘭主控站（1個(gè)）作用：管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作；收集各監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星；監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。地點(diǎn)：美國(guó)科羅拉多州法爾孔空軍基地。監(jiān)測(cè)站（5個(gè)）作用： 接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。地點(diǎn)： 夏威夷、主控站及三個(gè)注入站。注入站（3個(gè)）作用： 將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。地點(diǎn)： 阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）3、GPS的用戶部分組成用戶接收設(shè)備接收設(shè)備GPS信號(hào)接收機(jī)其它儀器設(shè)備GPS信號(hào)接收機(jī)組成天線單元接收天線前置放大器接收單元信號(hào)通道存儲(chǔ)器微處理器輸入輸出設(shè)備電源接收天線接收機(jī)分類根據(jù)用途：導(dǎo)航型接收機(jī)、測(cè)量型接收機(jī)、授時(shí)接收機(jī)接收頻率：?jiǎn)晤l率接收機(jī)、雙頻接收機(jī)GPS信號(hào)接收機(jī)天線單元類型：?jiǎn)螛O天線微帶天線錐形（螺旋）天線背腔平面盤旋天線天線特性平均相位中心與幾何中心天線高–

標(biāo)志至平均相位中心所在平面的垂直距離單極天線微帶天線四絲螺旋天線空間螺旋天線背腔平面盤旋天線L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2H’HHH’hRGPS信號(hào)接收機(jī)廠商Trimble（天寶）Leica（徠卡）Novtel（諾瓦泰）Ashtech（阿什泰克）Topcon（拓普康）Sokkia（索佳）南方中海達(dá)…GarminTrimble5700接收機(jī)主要部件天線主機(jī)手簿前面板頂面板底面板后面板主機(jī)組成按鈕指示等閃存卡/USB門扣數(shù)據(jù)按鈕電源按鈕記錄/記憶LED衛(wèi)星跟蹤LED無(wú)線電臺(tái)LED電池LED手簿、事件標(biāo)記或電腦外接電源、電腦、1PPS或事件外接無(wú)線電、電源、基準(zhǔn)站電臺(tái)GPS天線無(wú)線電臺(tái)內(nèi)置電池內(nèi)置電池艙閃存/USB門USB端口閃存卡南方S86按鈕：重置按鈕F1按鈕F2按鈕電源按鈕指示燈：TX

發(fā)射信號(hào)燈RX

接收信號(hào)燈BT

藍(lán)牙燈DATA

數(shù)據(jù)傳輸燈液晶顯示屏(4)插卡處(5)通訊電纜接口，5針孔(6)通訊/USB接口，7針孔(7)充電器/外接電源接口，4針孔§2.2GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)由三部分組成載波測(cè)距碼導(dǎo)航電文1、載波類型目前L1

–

頻率：154f0

=1575.43MHz；波長(zhǎng)19.03cmL2

–

頻率：120f0=1227.60MHz；波長(zhǎng)24.42cm現(xiàn)代化后增加L5

–

頻率：115f0=1176.45MHz；波長(zhǎng)25.48cm作用搭載其它調(diào)制信號(hào)測(cè)距測(cè)定多普勒頻移L119.03cm24.42cmL2特點(diǎn)所選擇的頻率有利于測(cè)定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號(hào)所受的電離層折射影響選擇兩個(gè)頻率可以較好地消除信號(hào)的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號(hào)的頻率有關(guān)）1、載波2、測(cè)距碼作用測(cè)距性質(zhì)為偽隨機(jī)噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）不同的碼（包括未對(duì)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(duì)齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為101＋10R(t)t01012、測(cè)距碼類型目前C/A碼（Coarse/AcquisitionCode）–

粗碼/捕獲碼；P（Y）碼（PreciseCode）–

精碼；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C/A碼碼率

1.023MHz；周期

1ms1周期含碼元數(shù)

1023碼元寬度

293.05m調(diào)制載波

L1P碼碼率

10.23MHz周期

7天1周期含碼元數(shù)

碼元寬度

29.30m調(diào)制載波

L1、L2基準(zhǔn)頻率10.23MHzL11575.42MHzC/ACode1.023MHzP-Code10.23MHzL21227.60MHzP-Code10.23MHz÷10×154×12050BPS衛(wèi)星電文3、衛(wèi)星導(dǎo)航電文作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及電離層改正等信息組成結(jié)構(gòu)123541234567891030s6s0.6s1幀含5個(gè)子幀1子幀含10個(gè)字子幀4、5含25頁(yè)1字含30bit3、衛(wèi)星導(dǎo)航電文基本內(nèi)容第1子幀第2子幀第3子幀第4子幀第5子幀遙測(cè)字交接字遙測(cè)字遙測(cè)字遙測(cè)字遙測(cè)字交接字交接字交接字交接字表示碼，時(shí)延改正，GPS周，數(shù)據(jù)齡期，星鐘改正星歷星歷（多幀)信息（每25幀中，每1幀的內(nèi)容都不同）（多幀)歷書、健康狀況等（每1幀的內(nèi)容都不同）50bit/s300bit/子幀3、衛(wèi)星導(dǎo)航電文遙測(cè)字（TLM–TelemetryWord）每一子幀的第1個(gè)字用作捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)交接字（HOW–HandOverWord）每一子幀的第2個(gè)字主要內(nèi)容：Z計(jì)數(shù)，每子幀給一個(gè)計(jì)數(shù)，表示時(shí)間3、衛(wèi)星導(dǎo)航電文第一數(shù)據(jù)塊－第1子幀的第3-10個(gè)字WN

–

GPS周（1-10位）L2所調(diào)制測(cè)距碼標(biāo)識(shí)符–

“10”表示C/A碼，“01”表示P(Y)碼（11-12位）傳輸參數(shù)N用戶距離誤差代表測(cè)距精度（13-16位）TGD

–

信號(hào)在衛(wèi)星內(nèi)部的時(shí)延星鐘數(shù)據(jù)齡期AODC星鐘改正參數(shù)a0（鐘偏），a1（鐘速），a2（鐘漂）3、衛(wèi)星導(dǎo)航電文第二數(shù)據(jù)塊-廣播星歷(星歷參數(shù)),第2、3子幀近地點(diǎn)參考時(shí)刻衛(wèi)星軌道（）Mxyz30s重復(fù)2h更新3、衛(wèi)星導(dǎo)航電文第三數(shù)據(jù)塊-第4、5子幀其余GPS衛(wèi)星的概略星歷及其工作狀態(tài)，也稱為歷書。作用：擬定觀測(cè)計(jì)劃有利于快速跟蹤、鎖定衛(wèi)星4、衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制第一步：首先將導(dǎo)航電文調(diào)制在測(cè)距碼上第二步：然后將組合碼調(diào)制到載波上第一步由于導(dǎo)航電文和測(cè)距碼都是二進(jìn)制，調(diào)制時(shí)采用模二和的辦法。模二和的運(yùn)算規(guī)則：如果用1表示二進(jìn)制的0，用-1表示二進(jìn)制的1，則:導(dǎo)航電文調(diào)制到測(cè)距碼上載波調(diào)制的一般方法：如果調(diào)制前載波為調(diào)幅：振幅A隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化調(diào)頻：載波頻率f（角頻率）隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化調(diào)相：相位隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化第二步調(diào)頻FM(FrequencyModulation)調(diào)幅AM(AmplitudeModulation)GPS衛(wèi)星信號(hào)采用二進(jìn)制調(diào)相法01010§2.3二體問(wèn)題及衛(wèi)星無(wú)攝軌道參數(shù)研究?jī)蓚€(gè)質(zhì)點(diǎn)在萬(wàn)有引力作用下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，在天體力學(xué)中稱為二體問(wèn)題。在攝動(dòng)力的作用下，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)稱為受攝運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道；而理想下的衛(wèi)星軌道，稱為無(wú)攝軌道。§2.2二體問(wèn)題及衛(wèi)星無(wú)攝軌道參數(shù)除地球中心引力外，其它的攝動(dòng)力包括：地球非球性及質(zhì)量分布不均2km/3h太陽(yáng)和月亮的引力太陽(yáng)輻射壓力大氣阻力地球潮汐作用力磁力1、二體問(wèn)題下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程衛(wèi)星受地球引力FS，地球受衛(wèi)星引力Fe，則：根據(jù)牛頓第二定律，衛(wèi)星和地球的運(yùn)動(dòng)方程為：由此，衛(wèi)星相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)方程：忽略衛(wèi)星的質(zhì)量，令則衛(wèi)星位置用其坐標(biāo)分量（x，y，z）表示為：包含6個(gè)積分常數(shù)(衛(wèi)星軌道根數(shù))2、衛(wèi)星無(wú)攝軌道參數(shù)開普勒第一定律（軌道定律)：衛(wèi)星沿一個(gè)橢圓軌道環(huán)繞地球運(yùn)行，而地球處于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上ab近地點(diǎn)Mmfa：橢圓長(zhǎng)半軸b：橢圓短半軸，也可以用偏心率e表示

:

升交點(diǎn)赤經(jīng)

i：軌道傾角

：近地點(diǎn)角距f:衛(wèi)星真近角點(diǎn)升交點(diǎn)衛(wèi)星軌道fM近地點(diǎn)春分點(diǎn)zxya，b

:軌道橢圓形狀參數(shù)、:軌道平向參數(shù)

:軌道橢圓定向參數(shù)

f

:

確定衛(wèi)星瞬時(shí)位置升交點(diǎn)衛(wèi)星軌道fM近地點(diǎn)春分點(diǎn)zxyab近地點(diǎn)Mmf3、真近點(diǎn)角的計(jì)算ab近地點(diǎn)M0mf平近點(diǎn)角M，假設(shè)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度為n，則：

M=n×(t-t0)偏近點(diǎn)角EEm’（開普勒方程）§2.4GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置根據(jù)精密星歷計(jì)算衛(wèi)星位置XY1、根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置計(jì)算思路1）首先計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo);2）然后將上述坐標(biāo)分別繞X軸旋轉(zhuǎn)i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)角，求出衛(wèi)星在順時(shí)天球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。3）將順時(shí)天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)地球坐標(biāo)。M春分點(diǎn)升交點(diǎn)xyzZ近地點(diǎn)Mxyz起始子午面XYZ升交點(diǎn)春分點(diǎn)計(jì)算過(guò)程1)

計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度（引力常數(shù)和長(zhǎng)半軸）（攝動(dòng)參數(shù)）2)

計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星的平近點(diǎn)角（參考時(shí)刻平近點(diǎn)角）3)

計(jì)算偏近點(diǎn)角4)計(jì)算真近點(diǎn)角5)計(jì)算升交距角（未經(jīng)改正的）6)計(jì)算衛(wèi)星向徑（未經(jīng)改正的）7)計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng)8)進(jìn)行攝動(dòng)改正9)計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的位置10)計(jì)算升交點(diǎn)經(jīng)度L11)計(jì)算衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)2、根據(jù)精密星歷計(jì)算衛(wèi)星位置精密星歷：按一定時(shí)間間隔給出衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系下的三維位置、三維速度和鐘差。IGS跟蹤站分布*20071013000.00000000PG01-6196.00910415735910338159.022963PG02-8812.916751-20957.56459313789.324684142.220951PG035397.89885315162.975168-21345.729121128.749673PG043782.980789-16452.44274920348.024406-12.319618PG05-15330.013457-26