GPS系统的组成及信号格式(1)

GPS系统的组成和信号格式GPS系统的组成GPS定位系统包括三大组成部分:1.地面监控部分；2.空间卫星部分；3.用户接收部分。GPS系统的组成1.1地面监控站的分布GPS工作卫星的地面监测部分由一个主控站,三个注入站和五个监测站组成。其分布情况是：主控站设在美国本土科罗拉多·斯平士（ColoradoSpings）的联合空间执行中心CSOC；三个注入站分别设在大西洋的阿森松（Ascension），印度洋的狄哥.伽西亚（DiegoGarcia）和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)三个美国空军基地上；五个监测站，除一个单独在夏威夷外，其余四个都分设在主控站和注入站上。GPS系统的组成1.1地面监控站的分布GPS系统的组成1.2监控系统的作用主控站又称联合空间执行中心（CSOC），它的任务主要有：（1）采集数据，推算编制导航电文。主控站的大型电子计算机采集本站和5个观测站的所有观测资料，根据收集到数据，推算各卫星的星历、卫星钟差改正数、状态数据以及大气改正数。（2）给定全球定位系统时间基准。GPS的监测站和各个卫星上都有自己的原子钟，他们与主控站的原子钟并不同步，全球定位系统中以主控站的原子钟为基准，测出其他星钟和监测站站钟对于基准钟的钟差，并将这些钟差信息编辑到导航电文中，传入到注入站，转发至各卫星。（3）协调并管理所有地面监测站和注入站系统，诊断所有地面支撑系统和天空卫星的健康状况。（4）调整卫星运动状态，启动备用卫星。GPS系统的组成监控站是无人值守的数据自动采集中心，其位置经精密测定。监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据。利用环境传感器测出当地的气象数据。然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态数据传送给主控站，为主控站编算导航电文提供可靠的数据。GPS系统的组成注入站主要作用是将主控站传来的卫星星历、钟差信息、导航电文和其他控制指令等注入到卫星的存储器中，使卫星的广播信号获得更高的精度。GPS系统的组成2.空间卫星部分空间卫星部分是由空间运行的多颗卫星按一定的规则组成的GPS卫星星座。GPS工作卫星共24颗，其中21颗卫星处于工作状态，3颗处于在轨备用状态，组成（21+3）GPS工作卫星星座。GPS工作卫星星座的24颗卫星均匀分布在6个倾角为55°的轨道平面内，各轨道面之间相距60°。现在已有30多颗，大部分轨道有5颗，部分轨道有6颗。GPS系统的组成2.空间卫星部分GPS系统的组成2.空间卫星部分GPS卫星轨道平均高度约为20200km，运行周期为11h58min。因此，地球上同一地点的GPS接收机的上空，每天出现的GPS卫星分布图形相同，只是每天提前约4min。位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点的不同而相异，最少4颗，最多时可达11颗。GPS卫星的主要作用是接收和存储导航电文，生成并发送用于导航定位的信号，接收地面指令并执行相关操作。卫星本体由结构、电源、热控、通信、姿态控制及轨道控制等各个分系统组成，以保证卫星正常运行，主要载荷是导航信号生成与发射设备、高精度原子钟。GPS系统的组成3.用户接收部分用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。GPS信号接收机，按用途的不同，可分为导航型、测地型和授时型等三种。按携带形式的不同可分为袖珍式、背负式、车载式、舰用式、空（飞机）载式、弹载式和星载式等七种。尽管各种类型的接收机结构复杂程度不同，但都必须完成下列功能：选择卫星、捕获信号、跟踪和测量导航信号、校正传播效应、计算导航解、显示及传输定位信息。GPS信号格式GPS信号由三大部分组成：即导航电文数据【D(t),或称导航电文编码】、扩频码【C/A码和P(Y)码】、载波【L1和L2】。所有这三种信号分量，都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生，从而便于信号的生成和产生，对于发射信号和接收信号的同步十分有利。现代化的过程中，逐步添加了军用码M码，并且测试并启用了第三民用信号和第四民用信号（L5和L2C）。GPS信号格式GPS信号格式GPS卫星天线发射的信号是两级调制后的导航电文D(t)，其获得过程如下：（1）将低频D(t)码调制到高频C/A码、P(Y)码等随机序列（二者模2相加或波形相乘），实现对D(t)的伪随机码扩频。（2）将第一级调制的组合码再分别调制到GPS信号的载波频率上获得卫星天线的发射信号。GPS信号格式右图是GPS卫星信号的构成示意图。图中说明所有信号分量是根据同一基准频率（图中A点）产生的，其中包括载波（B点），L2（C点），调制在载波L1上的调相信号C/A码（D点），P码（F点）和数据码（G点），经卫星发射天线（H点）发射的信号分量包括：C/A码信号（J点），L1-P码信号（K点）和L2-P码信号（L点）。GPS信号格式在载波L1和L2上调制伪随机码扩频后的D码方法是正交调制方式，该调制方式也成称为BPSK调制。如果码值取0则对应的码状态为+1，载波与码状态+1相乘时，载波相位不变；而码值取1对应的码状态为-1，载波与码状态-1相乘时，相位改变180°。载波L1和L2调制后的信号可分别表示为：）（sin）（/）（cos）（）（）（111111111011011LLCLLPLttACAttDtPAtS）（cos）（）（）（111112022LLPLttDtPBtS