3GPS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(三)GPS原理及其应用第二章全球定位系统的组成及信号结构§2.1全球定位系统的组成GPS原理及其应用§2.1全球定位系统的组成GPS原理及其应用GPS的系统组成•GPS系统由三部分组成–空间部分–地面控制部分–用户设备部分全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS原理及其应用GPS的空间部分①•GPS的空间部分的组成–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•6个轨道面•平均轨道高度20200km•轨道倾角55•周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）GPS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•GPS卫星星座–设计星座：21+3–21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星–保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星–当前星座：28颗GPS原理及其应用GPS的空间部分③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地能力–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–BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率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⑦BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的GPS卫星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⑧•当前的卫星状态全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分SUBJ:GPSSTATUS26MAR20041.SATELLITES,PLANES,ANDCLOCKS(CS=CESIUMRB=RUBIDIUM):A.BLOCKI:NONEB.BLOCKII:PRNS1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15PLANE:SLOTF4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5CLOCK:CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CSBLOCKII:PRNS16,17,18,20,21,22,24,25,26,27,28,29,30,31PLANE:SLOTB1,D6,E4,E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3CLOCK:RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RBGPS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：5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原理及其应用主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋GPS的地面监控部分②•地面监控部分（GroundSegment）（续）–分布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•监测站（5个）–作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。–地点：夏威夷、主控站及三个注入站。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④•主控站（1个）–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，送往注入站将卫星星历注入卫星，•监控卫星状态，向卫星发送控制指令；•卫星维护与异常情况的处理。–地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。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）–作用：将导航电文注入GPS卫星。–地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）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GPS原理及其应用GPS的用户部分②•GPS信号接收机–组成•天线单元–带前置放大器–接收天线•接收单元–信号通道–存储器–微处理器–输入输出设备–电源天线单元接收单元全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分GPS原理及其应用GPS的用户部分③•天线单元–类型•单极天线•微带天线•锥形（螺旋）天线–四丝螺旋天线–空间螺旋天线•背腔平面盘旋天线单极天线微带天线空间螺旋天线四丝螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分GPS原理及其应用GPS的用户部分④•天线单元（续）–特点•单极天线–单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单•微带天线–结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛•锥形（螺旋）天线–四丝螺旋天线–单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板–空间螺旋天线–双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称•背腔平面盘旋天线全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分GPS原理及其应用GPS的用户部分⑤•天线单元–天线特性•相位中心、增益方式、带宽、极化–相位中心•平均相位中心与几何中心•相位中心的偏移•相位中心偏移的消除：归心改正、消去法•天线高–标志至平均相位中心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心12L1的平均相位中心sincosrYYrXX平均相位中心几何中心平均相位中心几何中心r1r2H’HHH’hHRhHHH22'R全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分GPS原理及其应用GPS的用户部分⑥•接收单元–接收（信号）通道•定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。•类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等–存储器–微处理器•作用：数据处理、控制–输入输出设备–电源前置放大器信号通道天线观测值全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分GPS原理及其应用GPS的用户部分⑦信号通道微处理器输入输出存储器电源全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分