GPS原理及其應用(武漢大學)04

1、 武漢大學武漢大學 測繪學院測繪學院 GPSGPS原理及其應用課程組原理及其應用課程組GPS原理及其應用原理及其應用 ( (四四) )GPS原理及其應用原理及其應用第二章第二章全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構2.2 GPS衛(wèi)星的信號結構衛(wèi)星的信號結構GPS原理及其應用原理及其應用GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構GPS原理及其應用原理及其應用概述概述 GPS衛(wèi)星信號的組成部分衛(wèi)星信號的組成部分 載波（載波（Carrier） L1 L2 測距碼（測距碼（Ranging Code） C/A碼

2、（目前只被調制在碼（目前只被調制在L1上）上） P(Y)碼（被分別調制在碼（被分別調制在L1和和L2上）上） 衛(wèi)星（導航）電文（衛(wèi)星（導航）電文（Message） GPS衛(wèi)星信號的生成衛(wèi)星信號的生成 關鍵設備關鍵設備 原子鐘原子鐘全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 概述概述GPS原理及其應用原理及其應用GPS衛(wèi)星的基準頻率衛(wèi)星的基準頻率 f0 由衛(wèi)星上的原子鐘直接產生由衛(wèi)星上的原子鐘直接產生 頻率為頻率為10.23MHz 衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻或分頻或分頻1012020001541575

3、.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffC AfPffHz碼碼率碼碼率衛(wèi)星（導航）電文碼率全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 GPS衛(wèi)星的基準頻率衛(wèi)星的基準頻率 GPS原理及其應用原理及其應用載波載波 作用作用 搭載其它調制信號搭載其它調制信號 測距測距 測定多普勒頻移測定多普勒頻移 類型類型 目前目前 L1 頻率：頻率： 154 f0 = 1575.43MHz；波長：；波長：19.03cm L2 頻率：頻率： 120 f0 = 12

4、27.60MHz；波長：；波長：24.42cm 現代化后現代化后 增加增加L5 頻率：頻率：115 f0 = 1176.45MHz；波長：；波長：25.48cmL119.03c mL224.42c m全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 載波載波GPS原理及其應用原理及其應用載波載波 特點特點 所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移 所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響射影響 選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離

5、層折射延遲于信號的頻率有關）射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關）全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 載波載波GPS原理及其應用原理及其應用測距碼測距碼 作用作用 測距測距 性質性質 為偽隨機噪聲碼（為偽隨機噪聲碼（PRN Pseudo Random Noise） 不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數為系數為0或或1/n（n為碼元數為碼元數） 對齊的同一組碼間的相關系數為對齊的同一組碼間的相關系數為1全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 測

6、距碼測距碼GPS原理及其應用原理及其應用測距碼測距碼 類型類型 目前目前 C/A碼（碼（Coarse/Acquisition Code） 粗碼粗碼/捕獲碼；捕獲碼；碼率：碼率：1.023MHz；周期：；周期：1ms；1周期含碼元數：周期含碼元數：1023；碼元寬度：；碼元寬度：293.05m；僅被調制在；僅被調制在L1上上 P（Y）碼（）碼（Precise Code） 精碼；碼率：精碼；碼率：10.23MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含碼元數：周期含碼元數：6187104000000；碼元寬度：；碼元寬度：29.30m；被調制在；被調制在L1和和L2上上 現代化后現代化后 在在L2上調制

7、上調制C/A碼碼 在在L1和和L2增加調制增加調制M碼碼全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 測距碼測距碼GPS原理及其應用原理及其應用衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文 作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數、衛(wèi)星鐘參作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數、衛(wèi)星鐘參數、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息數、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息 基本結構基本結構.第1字遙測字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第1子幀（第1數據塊）(300bits)第1字遙測字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第2子幀（第2數據塊）(3

8、00bits)第3子幀（第2數據塊）(300bits)第4子幀（第3數據塊）(300bits)第5子幀（第3數據塊）(300bits)第1主幀(1500bits)第2主幀(1500bits).第1子幀（第1數據塊）(300bits).第5子幀（第3數據塊）(300bits)第25主幀(1500bits)導航電文全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文GPS原理及其應用原理及其應用衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文 基本內容基本內容全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結

9、構 衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文GPS原理及其應用原理及其應用衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文 遙測字（遙測字（TLM Telemetry Word） 每一子幀的第每一子幀的第1個字個字 用作捕獲導航電文的前導用作捕獲導航電文的前導 交接字（交接字（HOW Hand Over Word） 每一子幀的第每一子幀的第2個字個字 主要內容：主要內容：Z計數計數全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文GPS原理及其應用原理及其應用衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文 第一數據塊第一數據塊 第第1子幀的第子幀的第310個字

10、個字 內容：內容： WN GPS周周 L2所調制測距碼標識符所調制測距碼標識符 “10”表示表示C/A碼，碼，“01”表示表示P(Y)碼碼 傳輸參數傳輸參數N URA TGD 信號在衛(wèi)星內部的時延信號在衛(wèi)星內部的時延 星鐘數據齡期星鐘數據齡期AODC 星鐘改正參數星鐘改正參數a0（鐘偏（鐘偏），），a1（鐘速），（鐘速），a2（鐘漂（鐘漂）GDSVLSVTtt1)(LOCttAODC2210)()(ococSVttattaat全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文GPS原理及其應用原理及其應用衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)

11、星（導航）電文 第二數據塊第二數據塊 第第2、3子幀的第子幀的第310個字個字 內容內容 該發(fā)送信號衛(wèi)星的星歷該發(fā)送信號衛(wèi)星的星歷 廣播星歷廣播星歷 星歷參數星歷參數AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,000全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文GPS原理及其應用原理及其應用衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文 第三數據塊第三數據塊 第第4、5子幀的第子幀的第310個字個字 內容：所有衛(wèi)星歷書（概略星歷）內容：所有衛(wèi)星歷書（概略星歷） 第三數據塊的內容每第三數據塊的內容每12.5分鐘重復

12、一次分鐘重復一次全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 衛(wèi)星（導航）電文衛(wèi)星（導航）電文GPS原理及其應用原理及其應用星歷參數詳解星歷參數詳解：軌道長半軸的平方根A全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 星歷參數詳解星歷參數詳解為平均角速度其中：參考時刻的平近點角nttnMtMMoe)()(00nnnsmWGSaaGMnn0231433010986005. 384)(系中定義為稱為地球引力常數，在平均角速度的計算值：平均角速度的改正值GPS原理及其應用原理及其應用星歷參數詳解星歷參數詳解etEt

13、EearctgttEetMtEe)(cos)(sin1)()(sin)()(2真近點角：偏心率oeeoeeoeeoeeoeWoeeWoeoekeWoeoeWoekeWoettttttttGASTtGASTtttGASTtttGASTtGASTtttGASTttGASTGPS)()()()()()()()()()()()()()()(000為升交點赤經，則為升交點經度，為地球自轉角速度，設之差周開始時格林尼治赤經與：參考時刻升交點赤經全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 星歷參數詳解星歷參數詳解GPS原理及其應用原理及其應用星歷參數詳解星歷參數

14、詳解全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 星歷參數詳解星歷參數詳解GPS原理及其應用原理及其應用星歷參數詳解星歷參數詳解ittiitiioe)()(00：參考時刻的軌道傾角)()(tt未經改正的升交距交：近地點角距)(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()(tCtCtitCtCtrtCtCtuCCCCCCisicrsrcusucisicrsrcusuc軌道傾角的改正項升交距角、軌道向徑和弦調和改正的振幅：軌道傾角的余弦和正，弦調和改正的振幅：軌道半徑的余弦和正，弦調和改正的振幅：升交距角的余

15、弦和正，：星歷參考時刻oet全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 星歷參數詳解星歷參數詳解GPS原理及其應用原理及其應用衛(wèi)星信號的調制衛(wèi)星信號的調制 模二和模二和 運算規(guī)則運算規(guī)則 二進制信號：二進制信號：“1”表示二進制表示二進制“0”，“-1”表示表示二進制二進制“1”，則，則000; 110; 101; 011111; 111; 111; 111全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 衛(wèi)星信號的調制衛(wèi)星信號的調制GPS原理及其應用原理及其應用衛(wèi)星信號的調制衛(wèi)星信號的調制 二進制信號的相位

16、調制二進制信號的相位調制)cos()()(ttBtS調頻調頻FM調幅調幅AM調相調相PM注：其它調制方式注：其它調制方式全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 衛(wèi)星信號的調制衛(wèi)星信號的調制GPS原理及其應用原理及其應用衛(wèi)星信號的調制衛(wèi)星信號的調制 GPS衛(wèi)星信號的調制衛(wèi)星信號的調制 示意圖示意圖 衛(wèi)星信號的調制原理衛(wèi)星信號的調制原理)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 G

17、PS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 衛(wèi)星信號的調制衛(wèi)星信號的調制GPS原理及其應用原理及其應用GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算-根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置 計算思路計算思路 首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系下的坐標首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系下的坐標 然后將上述坐標分別繞然后將上述坐標分別繞X軸旋轉軸旋轉-i角、繞角、繞Z軸旋軸旋轉轉- k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標軌道平面坐標系軌道平面坐標系軌道參數軌道參數地心升交點xy近地點衛(wèi)星近地點角距真近點角升交距角全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 GP

18、S衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算 GPS原理及其應用原理及其應用升交點Z (Z)YXro春分點軌道平面衛(wèi)星升交點赤經i 軌道傾角軌道橢圓中心赤道面近地點近地點角距長半徑t0 過近地點時刻e 軌道偏心率地心f 真近點角XY起始子午面 升交點經度kG AST xy全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算 GPS原理及其應用原理及其應用GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算-根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置 計算過程計算過程 計算衛(wèi)星運行的平均角速度計算衛(wèi)星運行的平均角速度 計算計算t時刻衛(wèi)星的平近點角時刻

19、衛(wèi)星的平近點角 計算偏近點角計算偏近點角03314320()843.986005 10GMnaaWGSmsnnn稱為地球引力常數，在系中定義為)()(0oettnMtM)(sin)()(tEetMtE全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算 GPS原理及其應用原理及其應用GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算-根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置 計算過程（續(xù)計算過程（續(xù)） 計算真近點角計算真近點角 計算升交距角（未經改正的）計算升交距角（未經改正的） 計算衛(wèi)星向徑計算衛(wèi)星向徑etEtEearctgtf

20、)(cos)(sin1)(2全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算 )()( tftu)(cos1 ()( tEeAtrGPS原理及其應用原理及其應用GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算-根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置 計算過程（續(xù)）計算過程（續(xù)） 計算攝動改正項計算攝動改正項 進行攝動改正進行攝動改正 計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系中的位置計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系中的位置)( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()(tuCtuCtitu

21、CtuCtrtuCtuCtuisicrsrcusuc)()()()()( )()()( )(0tittiititrtrtrtututuoe)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算 GPS原理及其應用原理及其應用GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算-根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置根據廣播星歷計算衛(wèi)星位置 計算過程（續(xù)）計算過程（續(xù)） 計算升交點經度計算升交點經度 計算衛(wèi)星在地固坐標系下的坐標計算衛(wèi)星在地固坐標系下的坐標oeeoeektttt)()()(0)(si

22、n)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos0)()(tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構 GPS衛(wèi)星信號結構衛(wèi)星信號結構 GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算 GPS原理及其應用原理及其應用精密星歷精密星歷按一定時間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標系下的三維位按一定時間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標系下的三維位置、三維速度和鐘差置、三維速度和鐘差* * 2004 1 15 0 0 0.000000002004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 206

23、98.949374 324.533285P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 5 -12628.924