第三四章GPS卫星定位基础

第三章卫星运动基础及GPS卫星星历第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号主要内容•卫星轨道运动；•GPS卫星信号；•美国政府的GPS政策及其现代化卫星轨道运动•假如地球是一质量分布均匀的球体，因此地球的引力就等效于一个质点的引力。地球可视为质量全部集中在其质心的质点，卫星当然同样可以看作是质量集中的质点。••研究两个质点在万有引力作用下的相对运动问题，在天体力学中称为二体问题。在二体问题意义下，地球人造卫星的轨道运动，称为正常轨道运动。卫星轨道运动•卫星轨道：卫星在空间绕地球飞行时的的运行轨迹。•无摄运动：仅仅考虑地球的质心引力对卫星的引力作用来研究卫星的运动。•受摄运动：卫星在各种引力作用下的运动，或卫星在摄动力下的运动。卫星轨道运动•1、卫星轨道•􀂾在固定的轨道上运行，在地球引力场中运动。•􀂾二体运动（无摄运动）：研究两个质点在万有引力作用下的下的相对运动问题，在天体力学中称为二体问题。•􀂾二体运动是一种理想状态下的卫星运动：•（1）视地球为一理想的均质球体•（2）在一理想的引力场中的运动（地球与卫星之间）•卫星受地球的引力为：卫星轨道运动•卫星运动遵从开普勒三大定律•开普勒第一定律：•卫星在通过地球质心的平面内运动，其向径扫过的面•积与所经历的时间成正比。•（卫星在轨道上运行的速度不等，是不断变化的，在近地点速度快，•在远地点速度慢，随引力的变化而变化）卫星轨道运动卫星轨道运动卫星轨道运动•􀂾卫星开普勒正常运动轨道的六个参数：•1）轨道平面参数：i为轨道平面倾角；Ω为升交点赤经。•2）轨道椭圆形状参数：a为轨道椭圆长半径；e为轨道椭圆离心率。•3）轨道椭圆定向参数：f(或w)为近升角距。•4）时间参数：τ为卫星通过近地点的时刻。卫星轨道运动卫星轨道运动•如果已知这6个轨道参数，就惟一地确定了二体•问题意义下卫星的运动状态。换句话说，只要已知这6个轨道参数，就可以计算卫星的瞬时位置和瞬时速度。•由这6个轨道参数所构成的坐标系统，称为轨道•坐标系统，它广泛用于描述卫星的运动。这6个轨道参数的大小则由卫星的发射条件决定。卫星轨道运动•􀂾受摄运动：受太阳引力、月亮引力、地球潮汐、光辐射等的影响下卫星的运动。•􀂾改正值：9个改正参数。卫星轨道运动卫星轨道运动•2、卫星星历•􀂾广播星历：也叫预报星历，是指相对参考历元的外推星历。参考历元瞬间的卫星星历(即参考星历)，由GPS系统的地面监控站根据大约一周的观测资料计算而得，为参考历元瞬间卫星的轨道参数。•􀂾•预报星历的内容包括：参考历元瞬间的kepler轨道6参数，反映摄动力影响的9个参数，以及参考时刻参数和星历数据龄期，共计17个星历参数。用户接收机在接收到卫星播发的导航电文后，通过解码即可直接获得预报星历。由于预报星历是以电文方式由卫星直接播送给用户接收机，因此又称为广播星历。卫星轨道运动•后处理星历：后处理星历是不含外推误差的实测精密星历，它由地面跟踪站根据精密观测资料计算而得，可向用户提供用户观测时刻的卫星精密星历，其精度目前为米级，将来可望达到分米级。•􀂾但是，用户不能实时通过卫星信号获得后处理星历，只能在事后通过磁带、网络、电传等通讯媒体向用户传递。GPS卫星信号•GPS卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的信号来测定测站坐标的，那么究竟什么是GPS卫星信号呢?•粗略地说，GPS卫星信号包括测距码信号(即P码和C/A码信号)、导航电文(或称D码，即数据码信号)和载波信号。•GPS卫星信号的产生、调制和解调都非常复杂，涉及•到现代数字通讯理论和技术方面的若干高科技问题。作为GPS信号用户，虽然可以不去深入钻研这些问题，但了解其基本知识和概念，将有助于理解GPS卫星导航和定位测量的原理，因而仍旧是十分必要的。GPS卫星信号•1GPS信号的组成•用于导航定位的GPS信号由三部分组成：••测距码（C/A码和P码（Y码））••载波（L1，L2和L5三个民用频率）••导航电文（数据码，D码）•2码、随机噪声码和伪随机噪声码•（1）码：表达表达信息的二进制数及其组合。•（2）随机噪声码：每一时刻，码元是0或是1完全是随机的一组码序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。它是一种非周期序列，无法复制。•但是，随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPS码信号测距就是利用了GPS测距码的良好的自相关性才获得成功。•（3）伪随机噪声码(PseudoRandomNoise-PRN)•虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此，为了能够实际应用，GPS采用了一种伪随机噪声码(PseudoRandomNoise-PRN)，简称伪随机码或伪码。这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的、可人工复制的码序列。•伪随机噪声码表面上看无规律，实际上有一定的规律和周期性，且可以复制。•伪随机噪声码(PseudoRandomNoise-PRN)由多级反馈移位寄存器产生。这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有“0”或“1”两种状态，并接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制。•假定一由4个存储单元组成的四级反馈和移位寄存器，如下图所示。在钟脉冲的驱动下，每个存储单元的内容，都按次序由上一单元转移到下一单元，而最后一个存储单元的内容便输出。并且，其中某两个存储单元，例如单元3和4的内容进行模二相加，再反馈输入给第一存储单元。•当移位寄存器开始工作时，置“1”脉冲使各级存储单元全处于“1”状态，此后在钟脉冲的驱动下，移位寄存器将经历15种不同的状态，然后再返回到全“1”状态，从而完成了一个周期。在四级反馈移位寄存器经历上述15种状态的同时，其最末级存储单元输出了一个具有15个码元，且周期为15的二进制数码序列，称为m序列。表示钟脉冲的时间间隔，也就是码元的宽度。•3测距码••方波••伪随机噪声码•••两种测距码：•–C/A码-粗码••码速：1.023MHz••码元长度：293m•–P(Y)码-精码••码速：10.23MHz••码元长度：29.3m•—C/A码-粗码•C/A码的码长、码元宽度、周期和数码率为：码长Nu=210-1=1023bit；码元宽度tu≈0.97752μs，相应长度293.1m；周期Tu=Nutu=1ms；数码率BPS＝1.023Mbit/s。各颗GPS卫星所使用的C/A码，其上述四项指标都相同但结构相异，这样既便于复制又容易区分。•C/A码有如下2个特点：•(1)C/A码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C/A码逐个进行搜索。因为C/A码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20.5s便可完成。由于C／A码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的信息，又可以方便地捕获P码，所以通常C／A码也称为捕获码。•(2)C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/10～1/100，则这时相应的测距误差可达29.3～2.9m。由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。所以，C/A码的原意就是粗捕获码(CoarseAcguisiton•Code)。•—P(Y)码-精码•P码由两组各由两个12级反馈移位寄存器的电路发生，其基本原理与C/A码相似，但其线路设计细节远比C/A码复杂并且严格保密。•P码的特征是：码长Nu≈2.35×1014bit；码元宽度•tu≈0.097752μs，相应长度29.3m；周期Tu=Nntu≈267d；•数码率BPS＝10.23Mbit/s。•实际上P码的一个整周期被分为38部分，每一部分周期7d，码长约6.19×1012bit。其中，5部分由地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星，1部分闲置。这样，每颗卫星所使用P码便具有不同的结构，但码长和周期相同。因为P码的码长约为6.19×1012bit，所以如果仍采用搜索C／A码的办法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，那将是无法实现的(约需14×155d)。因此，一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，便可容易地捕获P码。•另外，由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，这时若取码元的相关精度仍为码元宽度的1/10～1/100，则由此引起的相应距离误差约为2.93～0.29m，仅为C/A码的1/10。所以P码可用于较精密的导航和定位，称为精码(PreciseCode)。目前，美国政府对P码保密，不提供民用，因此GPS信号一般用户实际只能接收到C/A码。２.４美国SA和AS•美国国防部出于政策等原因，采取了人为降低GPS测量准确度的措施。也就是赋予卫星时钟信息及轨道信息等随机误差，或随机改变发送方式与信号形态，这种人为降低GPS准确度的方式称之为SA。出于军事目的，把P码进行加密，称之为AS。•(1)SA(Selectiveavailability)•①通过调节星历表资料与卫星时钟资料使卫星与接收机之间产生误差•②SA工作状态下的误差约为100m左右•③通过相对位置解算或DGPS，降低由SA造成的误差•(2)解除SA自从2000年5月1日，解除了对GPS误差具有最大影响的SA。所以，目前可以在任何时间、地点都能够获得精确度为5~15m范围内的位置信息。此项措施令航空、交通、物流、船舶等多种民间应用领域受益非浅。但是即使解除了SA，但以米单位为精确度的汽车导航及GIS领域仍需要目前的DGPS技术。•(3)AS(AntiSpoofing)•①为了防止敌人的干扰，这是把用于军事目的Pcode进行密码化的方法•②只有具备解密功能的接收机才能接收信号