第三章GPS系统的组成与GPS信号

GPS测量定位技术第三章GPS系统的组成与GPS信号•学习目标•第一节GPS定位系统的组成•第二节卫星的运行及其轨道•第三节卫星的星历与卫星位置计算•第四节GPS卫星信号•第五节GPS信号的接收•本章小结•思考题与习题GPS测量定位技术第三章GPS系统的组成与GPS信号学习目标·了解GPS信号的结构，测距码是怎样产生的，导航电文的内容，天线的作用与分类。·理解监控系统的作用，投入的可用GPS卫星状况，用户接收机的用途，卫星的运动及其轨道。·掌握GPS定位系统的组成共三部分：①地面监控部分。②空间卫星部分。③用户接收部分。卫星的星历，卫星信号的内容、结构及传播。GPS测量定位技术第一节GPS定位系统的组成GPS定位系统包括三大部分：（1）地面监控部分；（2）空间卫星部分；（3）用户接收部分。以下分别介绍它们的作用、工作原理和工作状况。一、地面监控部分（一）地面监控站的分布地面监控站在GPS定位系统试验阶段和工作阶段有所不同。试验卫星的地面监控站由设在范登堡空军基地的一个主控站、一个注入站和一个监测站及其它地方的四个检测部分组成。GPS测量定位技术（一）地面监控站的分布图3-1GPS卫星地面监控站的分布GPS测量定位技术（一）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（即ConsolidatedSpaceOperationCenter）；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测量定位技术（二）监控系统的作用1.主控站的作用主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传播等设备，其主要作用如下：1）收集数据收集各监测站获得监测的伪距和伪距差观测值、卫星时钟和工作状态数据、气象、监测站自身状态以及参考星历等数据。2）数据处理根据所收集的前述数据计算各卫星的星历、时钟改正、卫星状态、大气传播改正等，具体地就是卫星位置和速度的六个轨道根数的摄动，每个卫星的三个太阳压力常数，卫星的时钟偏差、漂移和漂移率，各个监测站的时钟偏差、对流层残余偏差及极移偏差等状态数据。并将这些数据按一定格式编制成导航电文，并将导航电文及时传送给注入站。GPS测量定位技术1.主控站的作用3）监测与协调主控站一方面承担控制和协调各监控站与注入站的工作，另一方面还要监测整个地面监控系统是否正常，检验注入卫星的电文是否正确，监控卫星是否按预定状态将电文发送给用户。4）控制卫星修正卫星的运行轨道，调用备用卫星去接替失效卫星的工作。2.监控站的作用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。主要设备包括1台双频接收机、一台高精度原子钟、一台电子计算机和若干台环境数据传感器。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测量定位技术3.注入站的作用注入站是无人值守的工作站，设有3.66m抛物面天线，1台C波段发射机和一台电子计算机。其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。地面监控系统的工作程序方框图如右图所示。图3-2监控系统工作程序GPS测量定位技术一、地面监控部分地面监控部分的工作程序为：由监测站连续接收GPS卫星信号，不断积累测距数据（伪距和伪距差），并将这些测距数据以及气象数据、卫星状态数据等发送到主控站；再由主控站对测距数据进行包括电离层、对流层、相对论效应、天线相位中心的偏移及地球自转和时标改正等的传播时延改正。并用卡尔曼数学滤波器进行连续数据平滑处理及最小二乘与多项式拟合，以提供卫星的位置和速度的六个轨道根数的摄动，每个卫星的三个太阳压力常数，卫星的时钟偏差，漂移和漂移率，各监测站的时钟偏差，对流层残余偏差及三个极移偏差状态数据，并将这些数据编成导航电文传送到注入站。最后由注入站将这些导航电文注入卫星。GPS测量定位技术二、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。本书第一章第二节已有述及。这里仅就空间卫星的作用和有关情况作些说明。美国发射的GPS卫星。有多种编号方式。比如可以按发射的先后顺序编号，也可以根据所采用不同的伪随机噪声码PRN编号，还可以根据内部距离操作码IRON编号，以及根据美国航空航天局在其序列文件中编的NASA编号和根据卫星发射年代与该年代中的发射序列编的识别号。其中，PRN编号是供导航定位用的，识别号是供用户查询卫星有关数据用的。GPS工作卫星BLOCKⅡ是用火箭或航天飞机发射的，其编号方法与试验卫星的编号方法基本相同，其轨道近于圆形，最大偏心率为0.01，轨道长半径也是26560km，轨道倾角为55°，卫星的高度为20200km，运行周期为十二恒星时，即每天绕地球运行两周。GPS测量定位技术二、空间卫星部分工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道，一方面是为了增大覆盖面积，另一方面是为了使覆盖均匀，从而达到信号强度均匀、接收时间也均匀的目的。GPS卫星的主要作用有三方面：（1）接收地面注入站发送的导航电文和其它信号；（2）接收地面主控站的命令，修正其在轨运行偏差及启用备件等；（3）连续地向广大用户发送GPS导航定位信号，并用电文的形式提供卫星自身的现势位置与其它在轨卫星的概略位置，以便用户接收使用。GPS测量定位技术二、空间卫星部分可见GPS卫星定位是以被动定位原理进行工作的，GPS卫星最根本的作用就是向用户发送用户所需要的信号和电文。既然如此，对卫星的寿命长短和时间的精确度就必须高度重视。GPS工作卫星的设计寿命是七年半，但从实验卫星的工作情况来看，使用寿命一般都会超过甚至远远超过设计寿命。GPS工作卫星中安置两台铷原子钟和两台铯原子钟，以便随时启用更替。采用原子钟的目的是因为它的频率稳定度优于1E～14，远高于稳定度为1E～9的石英钟，因而可大幅度提高导航和定位精度。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°，因此相邻两轨之间的升交点赤经相差60°。同一轨道面内相邻两卫星间的升交距角相差90°，相邻两轨道面上的卫星升交距角比较，东边比西边超过30°。GPS测量定位技术二、空间卫星部分GPS卫星的空间布局和运行速度决定了地面观测者具备下列观测条件：（1）同一卫星每天可提前四分钟出现，其在地平线以上的可见运行时间为五小时。（2）由于观测者所处的位置和时间的不同，可同时观测的卫星个数也各异，但最少能观测到4颗卫星，最多可观测到11颗。（3）GPS定位精度与被观测卫星的位置分布有关。对于只能观测到4颗卫星的情况，因在这一时间段内别无选择，其定位精度一般较差，这个短暂的时间段称为“时间间隙段”。在时间间隙段内须用新型的GPS/GLONASS集成式接收机同时接收GPS信号和GLONASS信号才能消除“间隙段”的影响。“间隙段”仅出现在极少数地区，而广大范围内不会出现这种情况。GPS测量定位技术三、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。按工作原理可分为码接收机和无码接收机，前者动态、静态定位都能用，后者只能用于静态定位。按使用载波频率的多少可分为单频接收机（用一个载波频率L1）和用两个载波频率（L1、L2）的双频接收机，以双频接收机为今后精度定位的主要用机。按型号分，种类就更多，计约160个厂家生产出几百种不同牌（型）号的接收机。GPS测量定位技术第二节卫星的运行及其轨道GPS卫星在空间绕地球运行，取决于它所受的作用力。这些作用力包括：地球重力场对卫星的引力，日、月等天体对卫星的引力，以及太阳光压、大气阻力和地球潮汐力等。这些作用力的情况复杂多变，所以卫星的实际运动状况和状态也就比较复杂，很难用既精确又简单的数学模型进行描述。在对卫星所有的作用力中，地球重力场的引力是最主要的。为了研究和实际应用的方便，通常将作用于卫星上的各种作用力按其影响的大小分成两类：一类是假设地球为匀质球体的引力；另一类是摄动力，也称为非中心力，它包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力、地球潮汐力等。摄动力作用的结果，使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道。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。GPS测量定位技术一、理想情况下的卫星运动所谓理想情况下的卫星运动，是将地球视作匀质球体，且不顾及其它摄动力的影响，卫星只是在地球质心引力作用下而运动。理想情况下的卫星运动是我们的首要研究对象。这是因为：（1）它是卫星运动的第一近似描述；（2）它是至今唯一能得到的严密分析解的运动；（3）它是全部作用力下的卫星运动更精确解的基础。根据牛顿万有引力定律，在上述理想情况下，卫星相对于地球的引力加速度为式中——地球引力常数；——地球质量；——卫星质量；——卫星的地心向径。rrmMGr3）（GMmr（3—1）GPS测量定位技术一、理想情况下的卫星运动因卫星的质量相对于地球的质量很小，若忽略卫星的质量则有（3-2）引力加速度r决定着卫星绕地球运行的基本规律，这些基本规律可以用开普勒定律具体描述。rrGMr3GPS测量定位技术一、理想情况下的卫星运动1.开普勒第一定律——卫星运行的轨道是一个椭圆，地球质心位居椭圆的一个焦点上。该定律表明，卫星相对于地球质心的运动轨道是一个椭圆，该椭圆有着固定的形状和大小，椭圆上距离地球质心最远的一点称为远地点，距离地球质心最近的一点称为近地点，如右图所示。图3-3卫星运行轨道椭圆GPS测量定位技术一、理想情况下的卫星运动根据式（3-2）的解，可得卫星绕地球质心运动的轨道方程：式中——卫星的地心距离；——椭圆的长半径；——椭圆的偏心率；——称为真近点角，当=0时，为卫星的近地点距离；当=180°时，为卫星的远地点距离。它描述了任意时刻卫星在轨道上相对近地点的位置，是时间的函数。Veearcos112）（（3-3）raeVVV）（ear1V）（ear1GPS测量定位技术一、理想情况下的卫星运动2.开普勒第二定律——卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。开普勒第二定律表明，卫星沿轨道椭圆的运行速度在不断变化，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小，如右图所示。图3-4相等时间地心向径扫过的面积GPS测量定位技术一、理想情况下的卫星运动和其它物体运动一样，卫星的运动也具有两种能量：势能（位能）和动能。势能是由地球重力场的作用而引起，其大小和卫星在轨道上所处的位置有关，在近地点处势能最小，远地点处势能最大，卫星在任一时刻所具有的势能为。动能则是由卫星自身运动所引起，其大小是卫星运动速度的函数。如果取卫星的运动速度为，则其动能为，所以卫星运行至近点处动能最大，远地点处动能最小。根据能量守恒定理，卫星在运动期间，势能与动能之和为一常量，即常数（3-4）rGMm221mvvrGMmmv221GPS测量定位技术一、理想情况下的卫星运动3.开普勒第三定律——卫星围绕地球运行的周期的平方与轨道椭圆长半径的立方成正比，其比值等于地球引力常数的倒数。开普勒第三定律的数学形式为（3-5）式中为卫星运动的