GPSppt-3全球定位系统组成及信号结构.

《GPS原理及其应用》主讲：付建红遥感信息工程学院第三讲全球定位系统的组成及信号结构《GPS原理及其应用》遥感信息工程学院主要内容全球定位系统的组成二体问题及卫星轨道参数GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算遥感信息工程学院§3.1全球定位系统的组成GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分遥感信息工程学院遥感信息工程学院1、空间部分6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55周期12h（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）设计星座：21+3保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星遥感信息工程学院GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置遥感信息工程学院GPS卫星试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡ（存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力）BlockⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SVN35和SVN36带有激光反射棱镜BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星，增设第三民用频率遥感信息工程学院BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR遥感信息工程学院2、GPS的地面监控部分组成主控站：1个监测站：17个注入站：3个通讯与辅助系统监控站注入站主控站夏威夷科罗拉多阿松森群岛迭哥伽西亚卡瓦加兰遥感信息工程学院主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作；收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州的联合空间中心。遥感信息工程学院监测站（17个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、主控站、三个注入站等。遥感信息工程学院注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）遥感信息工程学院3、GPS的用户部分组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备遥感信息工程学院GPS信号接收机组成天线单元收天线前置放大器接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源接收天线接收机遥感信息工程学院分类根据用途：导航型接收机、测量型接收机、授时接收机接收频率：单频率接收机、双频接收机GPS信号接收机遥感信息工程学院天线单元类型：单极天线微带天线锥形（螺旋）天线背腔平面盘旋天线天线特性平均相位中心与几何中心天线高–标志至平均相位中心所在平面的垂直距离单极天线微带天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线遥感信息工程学院sincosrYYrXX平均相位中心几何中心平均相位中心几何中心L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2H’HHH’hHRhHHH22'R遥感信息工程学院Trimble5700接收机主要部件天线主机手簿遥感信息工程学院前面板顶面板底面板后面板主机组成遥感信息工程学院按钮指示等闪存卡/USB门扣遥感信息工程学院数据按钮电源按钮记录/记忆LED卫星跟踪LED无线电台LED电池LED遥感信息工程学院手簿、事件标记或电脑外接电源、电脑、1PPS或事件外接无线电、电源、基准站电台GPS天线无线电台遥感信息工程学院内置电池内置电池舱闪存/USB门USB端口闪存卡遥感信息工程学院遥感信息工程学院遥感信息工程学院南方S86遥感信息工程学院按钮：重置按钮F1按钮F2按钮电源按钮指示灯：TX发射信号灯RX接收信号灯BT蓝牙灯DATA数据传输灯液晶显示屏遥感信息工程学院(4)插卡处(5)通讯电缆接口，5针孔(6)外接电源接口，7针孔(7)充电器接口，4针孔遥感信息工程学院遥感信息工程学院§3.2二体问题及卫星无摄轨道参数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。在摄动力的作用下，卫星的运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道；而理想下的卫星轨道，称为无摄轨道。遥感信息工程学院1、二体问题下的卫星运动方程卫星受地球引力FS，地球受卫星引力Fe，则：rrrmMGFFSe2根据牛顿第二定律，卫星和地球的运动方程为：rrrmMGdtrdMrrrmMGdtrdm22222212(地球)(卫星)遥感信息工程学院rrrmGdtrdrrrMGdtrd22222212由此，卫星相对地球的运动方程：rrrmMGdtrd222)((地球)(卫星)遥感信息工程学院忽略卫星的质量，令则卫星位置用其坐标分量（x，y，z）表示为：zrμdtzdyrμdtydxrμdtxd322322322GM包含6个积分常数332211)()()(dtctfzdtctfydtctfx解方程遥感信息工程学院2、卫星无摄轨道参数开普勒第一定律（轨道定律)：卫星沿一个椭圆轨道环绕地球运行，而地球处于椭圆的一个焦点上。ab近地点Mmfa：椭圆长半轴b：椭圆短半轴，也可以用偏心率e表示:轨道倾角：升交点赤经：近地点角距f:卫星真近角点iΩ近地点卫星轨道fωM春分点升交点xyzΩiω遥感信息工程学院abMa，b:轨道椭圆形状参数、:轨道平向参数:轨道椭圆定向参数f:确定卫星瞬时位置ΩiωiΩ近地点卫星轨道fωM春分点升交点xyz遥感信息工程学院3、真近点角的计算ab近地点M0mf平近点角M,假设卫星运动的平均角速度为n,则：M=n×(t-t0)偏近点角EEEeMEsineEEeacfcossintan21m’遥感信息工程学院§3.3GPS卫星信号结构GPS卫星发射的信号由三部分组成载波测距码导航电文遥感信息工程学院1、载波类型目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–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：25.48cm作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移L119.03cm24.42cmL2遥感信息工程学院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）1、载波遥感信息工程学院2、测距码作用测距性质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101遥感信息工程学院+1-1+1-1相关系数：115015R码完全对齐遥感信息工程学院+1-17个码元相同,8个码元不相同相关系数：067.01587R+1-1错开1个码元遥感信息工程学院+1-17个码元相同,8个码元不相同相关系数：067.01587R+1-1错开2个码元遥感信息工程学院＋10R(t)t0101测距码生成方法：通过多级反馈移位寄存器产生m序列寄存器1寄存器2寄存器3寄存器4输出1111011100110001100000101111000010010011遥感信息工程学院寄存器1寄存器2寄存器3寄存器4输出110001101011010110101110001101011011111遥感信息工程学院2、测距码类型目前•C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；•P（Y）码（PreciseCode）–精码；现代化后•在L2上调制C/A码•在L1和L2增加调制M码遥感信息工程学院C/A码•码率1.023MHz；•周期1ms•1周期含码元数1023•码元宽度293.05m•调制载波L1P码•码率10.23MHz•周期7天•1周期含码元数6187104000000•码元宽度29.30m•调制载波L1、L2特性遥感信息工程学院基准频率10.23MHzL11575.42MHzC/ACode1.023MHzP-Code10.23MHzL21227.60MHzP-Code10.23MHz÷10×154×12050BPS卫星电文遥感信息工程学院3、卫星导航电文作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及电离层改正等信息组成结构123541234567891030s6s0.6s1帧含5个子帧1子帧含10个字子帧4、5含25页1字含30bit遥感信息工程学院3、卫星导航电文基本内容第1子帧第2子帧第3子帧第4子帧第5子帧遥测字交接字遥测字遥测字遥测字遥测字交接字交接字交接字交接字表示码，时延改正，GPS周，数据龄期，星钟改正星历星历（多帧)信息（每25帧中，每1帧的内容都不同）（多帧)历书、健康状况等（每1帧的内容都不同）遥感信息工程学院3、卫星导航电文遥测字（TLM–TelemetryWord）每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导交接字（HOW–HandOverWord）每一子帧的第2个字主要内容：Z计数遥感信息工程学院3、卫星导航电文第一数据块－第1子帧的第3-22个字WN–GPS周L2所调制测距码标识符–“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码传输参数N及卫星状态TGD–信号在卫星内部的时延星钟数据龄期AODC星钟改正参数af0（钟偏），af1（钟速），af2（钟漂）LtTOCAODCrffftTOCtaTOCtaat2210)()(遥感信息工程学院3、卫星导航电文第二数据块-广播星历(星历参数),第2、3子帧,AODE0i0近地点参考时刻TOE卫星轨道（）Ae,MxyzωisicrsrcusucCCCCCCin,,,,,,,,,,Ae,0i,,00M,0M遥感信息工程学院3、卫星导航电文第三数据块-第4、5子帧其余GPS卫星的概略星历及其工作状态，也称为历书。作用：拟定观测计划有利于快速跟踪、锁定卫星遥感信息工程学院4、卫星信号的调制第一步：首先将导航电文调制在测距码上第二步：然后将组合码调制到载波上遥感信息工程学院第一步由于导航电文和测距码都是二进制，调制时采用模二和的办法。模二和的运算规则：000110101011如果用1表示二进制的0，用-1表示二进制的1，则:111111111111遥感信息工程学院导航电文调制到测距码上遥感信息工程学院载波调制的一般方法：如果调制前载波为调幅：振幅A随调制信号的变化而变化调频：载波频率f（角频率）随调制信号的变化而变化调相：相位随调制信号的变化而变化)cos(0tA)(0t第二步遥感信息工程学院调频FM(FrequencyModulation)调幅AM(AmplitudeModulation)遥感信息工程学院GPS卫星信号采用二进制调相法01010111-1-1遥感信息工程学院§3.4GPS卫星位置的计算根据广播星历计算卫星位置根据精密星历计算卫星位置遥感信息工程学院1、根据广播星历计算卫星位置计算思路1）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标;2）然后将上述坐标分别绕X轴旋转i角、绕Z轴旋转角，求出卫星在顺时天球坐标系下的坐标。3）将顺时天球坐标转换到瞬时地球坐标。iM春分点升交点xyzXYZ遥感信息工程学院0Ω近