GPS概论-第四章-GPS卫星导航电文和卫星信号

1全球定位原理及应用资源与环境学院林承达[e-mail]2第四章GPS卫星导航电文和卫星信号卫星导航电文...第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits)...第10字(30bits)第1子帧（第1数据块）(300bits)第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits)...第10字(30bits)第2子帧（第2数据块）(300bits)第3子帧（第2数据块）(300bits)第4子帧（第3数据块）(300bits)第5子帧（第3数据块）(300bits)第1主帧(1500bits)第2主帧(1500bits)...第1子帧（第1数据块）(300bits)...第5子帧（第3数据块）(300bits)第25主帧(1500bits)导航电文34.1卫星（导航）电文•作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息•主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。•基本结构4卫星（导航）电文–基本内容5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6卫星（导航）电文•第一数据块–第1子帧的第3~10个字–内容：•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–URA•TGD–信号在卫星内部的时延•星钟数据龄期AODC•星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）GDSVLSVTtt1)(LOCttAODC2210)()(ococSVttattaat7卫星（导航）电文•第二数据块–第2、3子帧的第3~10个字–内容•该发送信号卫星的星历－广播星历–星历参数AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,,,,,,,,,,,,,,,,0008卫星（导航）电文•第三数据块–第4、5子帧的第3~10个字–内容：所有卫星历书（概略星历）–第三数据块的内容每12.5分钟重复一次94.2GPS卫星信号GPS卫星信号结构10GPS卫星信号的要求•适应多用户系统的要求•满足实时定位的要求•满足高精度定位的要求•满足军事保密的要求11概述•GPS卫星信号的组成部分–载波（Carrier）•L1•L2–测距码（RangingCode）•C/A码（目前只被调制在L1上）•P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）–卫星（导航）电文（Message）•GPS卫星信号的生成–关键设备–原子钟12GPS卫星的基准频率f0•由卫星上的原子钟直接产生•频率为10.23MHz•卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频1012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffCAfPffHz码码率码码率卫星（导航）电文码率13载波①•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：25.48cmL119.03cmL224.42cm14载波②•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）15测距码①•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116测距码②•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17基本观测量•观测站（用户接收天线）至GPS卫星（信号发射天线）的距离（或称信号传播路径），通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟），或者测定卫星载波信号在该路径上的变化的周数来导出的。18GPS卫星的测距码信号•GPS卫星所发射的信号，包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或称D码）等多种信号分量•P码和C/A码统称为测距码19码和码的产生•有关码的基本概念•广泛使用二进制数进行编码（0和1），按照一定的规则进行组合成为编码。•随机噪声码•码是表达某种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列。•对一组码序列u（t），对某一时刻来说，码元是0或1完全随机的，但其出现的概率都为50％，无规律，通常叫随机码序列，也叫随机码噪声序列。•特点是自相关性好，有利于提高GPS卫星码信号测距的精度。•非周期的序列，不符合任何编码规则，这样就无法复制和利用。•伪随机噪声及其产生•GPS采用伪随机噪声码（PseudoRandomNoice-PRN)。•特点是：良好的自相关性，具有某种确定的编码规则。是周期性的，可以复制。20伪随机码的组成•由一组连在一起的存储单元组成，每个存储单元只有0或1两种状态。•移位存储器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置“1”脉冲。•移位存储器就是在钟脉冲的驱动及置“1”脉冲的作用下而工作的。21C/A码•由两个10级反馈位移寄存器相组合而产生。•C/A码的码长很短，易于捕获。C/A码共有1023个码元，若以50秒的速度搜索，只需20.5秒就可。•由C/A码易于捕获，知道C/A码可以方便的捕获P码，所以又被称为“捕获码”。•码元宽度大。由于其精度低，又叫粗码。22P码•采用两组各由12级反馈移位寄存器构成。•采用先搜索C/A码的办法，来捕获P码。•P码用于精密定位，故通常称之为精码。23C/A码与P码的比较C/A码P码码长码元宽周期数码率1023比特1ms1.023Mbits/s0.97752us267天10.23Mbits/s0.097752us2.35*101424卫星信号的调制①•模二和–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25卫星信号的调制②•二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS调频FM调幅AM调相PM注：其它调制方式26卫星信号的调制③•GPS卫星信号的调制–示意图–卫星信号的调制原理)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS27GPS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28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kGASTxy29GPS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30GPS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31GPS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32GPS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))(())((tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ33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*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.342142383.670428GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置34•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GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置35教学课件下载•Ftp••匿名登录•或UserName：gps–PassWord:gps平时办公时间都会开放，定期更新课程课件供下载。要求：课件资料仅供学习。请尊重教师劳动，资料不许外传，不得用于商业途径，不得发布于网络。