第二章GPS系统及其信号.

GPS测量原理与数据处理第二章GPS系统及卫星信号第二章GPS系统及卫星信号GPS测量原理与数据处理第一节GPS系统的组成GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成§2-1GPS系统的组成GPS系统由空间部分----GPS卫星星座地面监控部分---地面监控系统用户设备部分---GPS信号接收机、数据处理软件及相应设备三大部分组成。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→空间部分一、空间部分---GPS卫星星座GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作（21+3）GPS星座。1、卫星的分布6个轨道平面轨道倾角为55度轨道平面之间相距60度即轨道的升交点赤经各相差60度每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度在不同的时间和不同的地点，可见的卫星颗数不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→空间部分一、空间部分---GPS卫星星座2、卫星的编号⑴顺序编号：发射卫星时间的先后顺序；⑵PRN编号：伪随机噪声（PRN）码之不同；⑶IRON编号：内部距离操作码⑷NASA编号：美国航空航天局序列；⑸国际识别号：发射年代，发射时间和有效荷载。在导航定位测量中，若需查询某颗卫星的相关数据，一般采用称为伪随机噪声码（PRN）的GPS卫星编号，以识别和确定该颗卫星。伪随机噪声码（PRN）:是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串，它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且有特定的编码规则。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→空间部分一、空间部分---GPS卫星星座3、运行时间当地球自转一周时，卫星绕地球运行二周。卫星绕地球一周的时间为12恒星时(11h58m)。对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→空间部分一、空间部分---GPS卫星星座4、GPS卫星的构成原子钟无线电发射器计算机太阳能电池板等GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→空间部分一、空间部分---GPS卫星星座5、GPS卫星的作用⑴向用户连续不断的发送导航定位信号（简称GPS信号），并用导航电文报告自己当前的位置及其他在轨卫星的概略位置；⑵在飞越注入站上空时，接收由地面注入站发送到卫星的导航信息和其他相关信息；⑶接收地面主控站的调度命令，适时地改正运行姿态。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→地面监控系统二、地面监控系统地面监控系统分为主控站、监控站和注入站。1、主控站数量：1个站址：位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地作用：负责整个地面监控系统的正常运行。根据各监控站得到的GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中，对卫星进行控制，向卫星发布指令。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→地面监控系统二、地面监控系统地面监控系统分为主控站、监控站和注入站。2、监控站数量：5个站址：位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascension）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein）作用：接收GPS卫星信号，监测卫星的工作状态，采集气象信息等。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→地面监控系统二、地面监控系统地面监控系统分为主控站、监控站和注入站。3、注入站数量：3个站址：阿松森群岛（Ascension）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein）作用：将主控站发来的的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去，并主动向主控站报告自己的工作情况。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→用户设备部分三、用户设备部分1、由GPS信号接收机、数据处理软件及相应设备组成。2、作用：对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置、速度和时间。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→用户设备部分三、用户设备部分3、GPS信号接收机定义：一般地说，把能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星信号的卫星接收设备，称为GPS信号接收机或GPS接收机。4、GPS信号接收机的分类⑴按接收机的用途分为导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机⑵按接收机的载波频率分为单频接收机、双频接收机⑶按接收机工作原理分为码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS系统的组成→用户设备部分三、用户设备部分5、GPS信号接收机的精度表示:基线向量弦长中误差（mm)a:固定误差（mm)b:比例误差系数（mm/kmorppm)D:基线向量长（km)DbaGPS测量原理与数据处理第二节GPS卫星信号GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号§2-2GPS卫星信号GPS卫星信号由载波、测距码和数据码组成。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→载波一、载波1、载波是一种能携带调制信号的高频震荡波，其振幅（频率和相位）随调制信号的变化而变化。2、GP卫星的载波信号⑴基本频率10.23MHz波长为29.3m⑵载波L1载波频率为1575.42MHz=10.23MHz×154波长为19.03cmL2载波频率为1227.60HMz=10.23MHz×120波长24.42cm。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→测距码二、测距码1、测距码调制在载波上的一些特殊的、连续的、专门用于测定卫星至接收机间的距离的二进制编码。2、C/A码⑴定义C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码（PRN码）。其码长为1023bit，码元宽为0.98μs,与之对应的波长相当于293.1m，周期为1ms。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，用各自不同的PRN号来区分不同的卫星。⑵作用C/A码是普通用户用以测定卫星到接收机间的距离的一种主要的信号。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→测距码二、测距码3、P（Y）码P码是卫星的精测码，它被调制在L1和L2载波上，码率为10.23MHz。P码的码长为6.19×1012bit，周期为7天。采用C/A码的搜索方式无法搜索P码。一般都是先捕获C/A码，再根据导航电文给出的有关信息来实现P码捕获。因P码的码元宽度为0.098μs，与之对应的波长相当于29.3m。则相应的测距误差为±2.93--±0.293m，仅为C/A码的十分之一。当实施AS时，P码与W码进行模二相加，生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→导航电文三、导航电文1、定义GPS卫星的数据码---导航电文是用户用来定位和导航的基础数据。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息等。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→导航电文三、导航电文2、导航电文的内容（1）遥测码（2）转换码（3）第一数据块（4）第二数据块（5）第三数据块GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→导航电文三、导航电文3、GPS卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息。它发布的是某一时刻在轨卫星的轨道参数及其变化率。根据卫星星历，就可计算出任一卫星、任一时刻的所在位置及其速度。GPS卫星星历分为广播星历和精密星历。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→导航电文→卫星星历3、GPS卫星星历GPS卫星星历分为广播星历和精密星历。⑴广播星历被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户利用广播星历可计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置。在野外作业时，GPS接收机自动生成一个广播星历文件。⑵精密星历是一些国家的某些部门，根据各自的卫星跟踪站，长期连续观测所获得的GPS卫星的精密观测资料，计算出来的卫星星历，因此称为精密星历。它可以根据用户要求，提供任一观测时间的卫星星历，避免了星历外推的误差。与广播星历不同的是，精密星历只能在事后向用户提供。它不是通过GPS卫星的导航电文向用户发送，而是利用电视、电传、卫星通讯等方式有偿地为所需要的用户服务。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→导航电文→卫星轨道参数4、卫星轨道参数(轨道根数)椭圆的长半径a偏心率e真近点角V在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。升交点赤经Ω在地球赤道平面上,升交点N与春分点R之间的地心角距。轨道面的倾角i卫星轨道面与地球赤道面的夹角。近地点角距ω在轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距。当卫星由南向北运动时,其轨道与地球赤道面的一个交点,叫做升交点。一般可通过这六个参数（a、e、V、Ω、i、ω）来描述卫星的无摄运动，所以，把这组参数称为开普勒轨道参数或轨道根数。参数（a、e、V、Ω、i、ω）的大小不同，则由卫星的发射条件决定。GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→导航电文→卫星轨道参数4、卫星轨道参数(轨道根数)椭圆的长半径a偏心率e真近点角V升交点赤经Ω轨道面的倾角i近地点角距ωGPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→GPS卫星信号→导航电文→卫星轨道参数5、卫星的受摄运动考虑了摄动力作用的卫星运动称为卫星的受摄运动。为了精确的确定卫星的位置，只考虑地球质心的引力情况下，来计算卫星的运动状态是不能满足其精度要求的，还必须考虑地球引力场摄动力、日月摄动力、大气阻力、光压摄动力、潮汐摄动力对卫星运动状况的影响。讨论二体问题中的六个轨道参数时，它们均为常数。而顾及了摄动力的作用后，卫星的受摄运动的轨道参数不再为常数，而是随时间变化的瞬时轨道参数。瞬时轨道参数就是卫星在地球质心引力和各种摄动力的总的影响下的轨道参数。它是卫星运动的真实轨道，也称为卫星的摄动轨道。瞬时轨道不是标准椭圆，轨道平面在空间中的方向也是变化的。GPS测量原理与数据处理第三节标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）GPS系统及卫星信号→标准定位服务和精密定位服务GPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→标准定位服务和精密定位服务§2-3标准定位服务（SPS）和精密定位服务（SPS）一、标准定位服务（StandardPositioningservice）1、SPS世界上的任何民用用户都可以免费且不受限制地使用该类定位服务2、SA政策SA(SelectiveAvailability)选择可用性，使得非特许用户不能获得高精度实时定位的方法。就是在基准信号中加载⑴技术轨道信息加绕（长周期、慢变化）⑵技术引入一个高频抖动信号（短周期、变化快）在2000年5月1日取消。3、SPS的估计精度水平精度：100m垂直精度：156m时间精度：340nsGPS测量原理与数据处理GPS系统及卫星信号→标准定位服务和精密定位服务§2-3标准定位服务（SPS）和精密定位服务（SPS）二、精密定位服务（PrecisionPositioningservice）1、PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。使用PPS需要专用设备、密钥已及专用接收机。2、ASAS(Anti-Spoofing)P码加密成Y码。Y码是由正常P码和机密的W码模二相加生成的。3、PPS的估计精度为：水平方向精度