卫星定位原理及应用第四章.

第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号4.2GPS卫星信号4.2.1概述GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。包括：载波信号测距吗（C/A码，P码）数据码（卫星电文）4.2.1概述注：GPS卫星信号的产生、构成与复制，涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题，对于我们来说，可以不去深入研究，但要了解基本概念，有利于理解GPS的定位原理。4.2.1概述载波作用–搭载其它调制信号–测距–测定多普勒频移类型–目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm–现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03cmL224.42cm4.2.1概述载波特点–所选择的频率有利于测定多普勒频移–所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响–选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）4.2.1概述补充：码的概念及特点在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。4.2.1概述码及码的特点（1）二进制数与码码：用以表示各种不同信息的二进制数及其组合比特：一个二进制数数码率：在数字化信息传输中的每秒钟传输的比特数（2）随机噪声码随机噪声码：码元的出现无规律，不能复制测距码作用–测距性质–为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）–不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）–对齐的同一组码间的相关系数为14.2.1概述4.2.1概述类型–目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上P（Y）码（PreciseCode）–精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上–现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码4.2.1概述调制：为有效传播信息，将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，这个过程即为调制。然后，载波携带有用信号传送出去，到达用户接收机。码值为0，相应的码状态为+1；码值为1，相应的码状态为-1；载波与相应码状态的相乘便可实现载波的调制。4.2.2伪随机噪声码的产生和特征补充：模二和（模二相加）–运算规则–二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则000;110;101;011111;111;111;1114.2.2伪随机噪声码的产生和特征补充：随机噪声码码：二进制的数据序列可表达为0和1的幅度的时间函数。设一组码序列u（t），码元0，1完全随机，而概率为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机序列码（随机噪声码）。4.2.2伪随机噪声码的产生和特征随机噪声码：非周期性序列，无法复制。自相关性自相关系数：R(t)=(A-B)/(A+B)其中，A为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素相同的数目;B为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不相同的数目。当平移码元数j=0时，即B=0，R(t)=1；当平移码元数j不为0时，若j趋向于无穷，则A约为B，R(t)约为0.4.2.2伪随机噪声码的产生和特征对于GPS信号，卫星发射的是一个随机噪声码序列u(t)，由于传播时间的延迟，使得接收到的u’(t)与u(t)间平移，即相应的码元错开了，因此R(t)约为0；若通过时间延迟器来调整u’(t)，使之与u(t)的码元相互完全对齐，即使得R(t)=1，那么就可以从GPS接收机时间延迟器中，测出卫星到接收机的准确传播时间，从而可准确确定P。然而，u(t)为非周期的，不服从任何编码规则，实际上无法复制和利用，所以引入伪随机噪声码。4.2.2伪随机噪声码的产生和特征移位寄存器以四级反馈移位寄存器为例：假设初始状态为（a3,a2,a1,a0）=(1,0,0,0),每次移位时a3和a0模二相加，输出端会产生一个随机码：000111101011001思考题？C/A码C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的.ShandongUniversityofscienceandtechnology4.3GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置①计算思路–首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标–然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道参数地心升交点xy近地点卫星近地点角距真近点角升交距角升交点Z'(Z)Y'X'ro春分点轨道平面卫星Ω升交点赤经i轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点ω近地点角距长半径t0过近地点时刻e轨道偏心率地心f真近点角XY起始子午面Ω升交点经度kGASTxy4.3GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置③计算过程–计算卫星运行的平均角速度–计算t时刻卫星的平近点角–计算偏近点角03314320()843.98600510GMnaaWGSmsnnn称为地球引力常数，在系中定义为)()(0oettnMtM)(sin)()(tEetMtE4.3GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置④计算过程（续）–计算真近点角–计算升交距角（未经改正的）–计算卫星向径etEtEearctgtf)(cos)(sin1)(2)()('tftu))(cos1()('tEeAtr4.3GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑤计算过程（续）–计算摄动改正项–进行摄动改正–计算卫星在轨道平面坐标系中的位置))('2sin())('2cos()())('2sin())('2cos()())('2sin())('2cos()(tuCtuCtituCtuCtrtuCtuCtuisicrsrcusuc)()()()()(')()()(')(0tittiititrtrtrtututuoe)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx4.3GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑥计算过程（续）–计算升交点经度–计算卫星在地固坐标系下的坐标oeeoeektttt)()()(0)(sin)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos0))(())((tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ精密星历按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.342142383.6704284.3GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置•任意时刻t卫星位置的计算–原理：插值法–方法：拉格朗日插值法等nkkikinkiinnyxxxxxfxyyyxxxnxfy001010)()(,...,,,...,,)(值为，其函数点对于插值区间内的任一函数值及其对应的个结点的已知函数4.3GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置