GPS原理及其应用

武汉大学测绘学院GPS原理及其应用课程组GPS原理及其应用(四)GPS原理及其应用第二章全球定位系统的组成及信号结构§2.2GPS卫星的信号结构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–现代化后•增加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–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、卫星状态信息及其它信息•基本结构...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GPS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：Z计数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•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–星历参数AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,,,,,,,,,,,,,,,,000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⑥•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原理及其应用星历参数详解①：轨道长半轴的平方根A全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构星历参数详解为平均角速度其中：参考时刻的平近点角nttnMtMMoe)()(00nnnsmWGSaaGMnn0231433010986005.384)(系中定义为称为地球引力常数，在平均角速度的计算值：平均角速度的改正值GPS原理及其应用星历参数详解②etEtEearctgttEetMtEe)(cos)(sin1)()(sin)()(2真近点角：偏心率oeeoeeoeeoeeoeWoeeWoeoekeWoeoeWoekeWoettttttttGASTtGASTtttGASTtttGASTtGASTtttGASTttGASTGPS)()(])()([][][)]([)()()()()()()()()()(000为升交点赤经，则为升交点经度，为地球自转角速度，设之差周开始时格林尼治赤经与：参考时刻升交点赤经全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构星历参数详解GPS原理及其应用星历参数详解③全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构星历参数详解GPS原理及其应用星历参数详解④ittiitiioe)()(00：参考时刻的轨道倾角)()(tt未经改正的升交距交：近地点角距))(2sin())(2cos()())(2sin())(2cos()())(2sin())(2cos()(tCtCtitCtCtrtCtCtuCCCCCCisicrsrcusucisicrsrcusuc轨道倾角的改正项升交距角、轨道向径和弦调和改正的振幅：轨道倾角的余弦和正，弦调和改正的振幅：轨道半径的余弦和正，弦调和改正的振幅：升交距角的余弦和正，：星历参考时刻oet全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构星历参数详解GPS原理及其应用卫星信号的调制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全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星信号的调制GPS原理及其应用卫星信号的调制②•二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS调频FM调幅AM调相PM注：其它调制方式全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星信号的调制GPS原理及其应用卫星信号的调制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全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星信号的调制GPS原理及其应用GPS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全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算GPS原理及其应用升交点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kGASTxy全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算GPS原理及其应用GPS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全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算GPS原理及其应用GPS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全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算)()('tftu))(cos1()('tEeAtrGPS原理及其应用GPS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全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算GPS原理及其应用GPS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))(())((tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算GPS原理及其应用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.