4-GPS系统的组成及信号结构

GPS原理及其应用第三章GPS系统的组成及信号结构§3.1GPS系统组成§3.2载波、测距码与导航电文§3.3卫星信号调制§3.4GPS卫星位置计算GPS原理及其应用§3.1全球定位系统的组成GPS原理及其应用GPS的系统组成全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成空间部分地面监控部分用户部分GPSGPS原理及其应用GPS的空间部分①•GPS的空间部分的组成–由GPS卫星所组成的GPS卫星星座：全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分GPS设计星座卫星设计数量：–21颗工作卫星–3颗活动的备用卫星轨道面数量：6平均轨道高度：20200km轨道倾角：55轨道周期：11h58min当前卫星数量：32GPS原理及其应用GPS的空间部分②全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分相对春分点GPS原理及其应用GPS的空间部分③•GPS卫星的地面轨迹全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分GPS原理及其应用GPS的空间部分④•GPS卫星星空图全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分GPS原理及其应用GPS的空间部分⑤•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全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分GPS原理及其应用•GPS卫星（续）–类型•试验卫星：BlockⅠ•工作卫星：BlockⅡ–BlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS能力–BlockⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜–BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯–BlockIIR-M：可发射L2C和M码–BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星，增设第三第三民用频率（1176.45MHz），2010年5月28日，首颗GPSIIF卫星发射成功，8月27日正式投入使用。GPS的空间部分⑥全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分GPS原理及其应用GPS的空间部分⑦全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIRGPS原理及其应用GPS的空间部分⑧全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分GPS原理及其应用GPS的地面监控部分①•地面监控部分（GroundSegment）–组成•主控站：1个•监测站：17个•注入站：3个•通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分GPS原理及其应用GPS的地面监控部分②•地面监控部分（GroundSegment）（续）全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分Tahiti塔希提岛Alaska阿拉斯加USNO海军天文台Southfrica南非Bahrain巴林UnitedKingdom英国Australia澳大利亚NewZealand新西兰SouthKorea韩国Ecuador厄瓜多尔Argentina阿根廷GPSMonitorStationsNGASite(5)NGASite(6)USAFSite(6)Hawaii夏威夷ColoradoSprings科罗拉多泉城Ascension阿松森岛DiegoGarcia迭戈加西亚CapeCanaveral卡纳维拉尔角Kwajalein卡瓦加兰GPS原理及其应用GPS的地面监控部分④监测站（17个）•地位–无人值守数据自动采集中心•作用–对GPS卫星进行跟踪观测–记录气象数据–将上述观测数据传送到主控站•地点–全球共17个监测站，6个为美国空军的监测站，分别位于：科罗拉多泉城、卡纳维拉尔角、夏威夷、阿松森群岛、迭戈加西亚和卡瓦加兰全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分GPS原理及其应用GPS的地面监控部分③主控站（1个）•地位–地面监控系统的行政管理中心和技术中心•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–卫星维护与异常情况的处理•地点–美国科罗拉多州联合空间工作中心全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分GPS原理及其应用GPS的地面监控部分⑤注入站（3个）•地位–地面监控系统与卫星进行通讯的设施•作用–向卫星输入导航电文和其他指令•地点–迭戈加西亚、阿松森群岛、卡瓦加兰全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分GPS原理及其应用GPS的地面监控部分⑥通讯和辅助系统•作用–负责地面监控系统各部分间的数据传送–提供其他辅助服务•组成–地面通讯网络–海底电缆–卫星通讯网络全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分GPS原理及其应用GPS的用户部分①•组成–用户–接收设备•接收设备–GPS信号接收机–其它仪器设备全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分下一章节重点介绍！GPS原理及其应用§3.2载波、测距码与导航电文GPS原理及其应用概述GPS卫星信号的组成部分–载波（Carrier）：可运载调制信号的高频振荡波•L1，L2，L5–测距码（RangingCode）：用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码•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）：由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星空间位置、工作状态、卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据的二进制码GPS卫星信号的生成–关键设备–原子钟全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构概述GPS原理及其应用GPS卫星信号结构全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS原理及其应用GPS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0112200000551541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm1151176.45MHz;25.48cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLLLfffCAfffPzfffH码码率码码率导航电文码率全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星的基准频率GPS原理及其应用载波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•L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03cmL224.42cm全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构载波GPS原理及其应用载波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）全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构载波GPS原理及其应用测距码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1全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构测距码GPS原理及其应用测距码②•类型–随机噪声码：在组成一组二进制码序列时，每一位数到底是取0还是1完全是随机的。–伪随机噪声码：伪随机噪声码也称伪随机码，是按照一定规律编排起来的可以复制的周期性序列，故被用于进行测距。全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构测距码GPS原理及其应用测距码③•类型•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码（PreciseCode）–精码；军用码，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。•Y码：P码与W码进行模二相加，目的是防止敌对方对美国军方用户进行电子欺骗和电子干扰。•L2C码：第二民用码，码率为1.023Mbps，由L2CM码和L2CL码组成。•L5码：搭载在L5载波上的第三民用码，频率1176.45MHZ，码速率10.23Mbps，码元宽度29.3m•军用码（M码）全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构测距码GPS原理及其应用卫星（导航）电文①•作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、电离层延迟修正参数、卫星状态信息及其它信息•基本结构：字（30bit）、子帧（10个字）、主帧（5个子帧）、导航电文（25个主帧）全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文1234512345678930s6s0.02s0.6s25页一个子帧含10个字1个字含30bit1个主帧含5个子帧Bit：二进制的一位，0或1GPS原理及其应用卫星（导航）电文②–基本内容全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文TLWHOW数据块—1时钟修正参数TLWHOW数据块—2星历表TLWHOW数据块—2星历表继续TLWHOW数据块—3卫星历书等TLWHOW数据块—3卫星历书等子帧1一个子帧6s长，10个字，每字30bit1帧30s1500bit子帧3子帧4子帧5子帧2GPS原理及其应用卫星（导航）电文③•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：向用户提供用于捕获P码的Z记数。Z记数是从星期日零时起，P码子码X1的周期（1.5秒）的重复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获到P码。全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文GPS原理及其应用卫星（导航）电文④•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•SVHealth—卫星健康状况•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全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文知识点：GPS周（GPSWeek）是GPS系统内部所采用的时间系统。时间零点定义的为：1980年1月5日夜晚与1980年1月6日凌晨之间0点。最大时间单位是周（一周：604800秒）。每1024周（即7168天）为一循环周期。第一个GPS周循环点为1999年8月22日0时0分0秒。即从这一刻起，周数重新从0开始算起。星期记数规则是：Sunday为0，Monday为1，以此类推，依次记作0~6，GPS周记数（GPSWeekNumber）为“GPS周星期记数”。GPS原理及其应用卫星（导航）电文⑤•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–星历参考时刻toe时的轨道根数–9个轨道摄动参数–其它参数000,,,,,MeAi全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结