3-全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)解析

GPS測量與數(shù)據(jù)處理聯(lián)系信息辦公室：南校區(qū)圖書館901室E-mail：215945824@考試成績(70%)+平時(shí)成績(30%)考核方式第三章 GPS組成及信號結(jié)構(gòu)§3.1全球定位系統(tǒng)的組成§3.2GPS衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu)§3.1全球定位系統(tǒng)的組成GPS的系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)的組成空間部分地面控制部分用戶設(shè)備部分全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成GPS的空間部分①GPS的空間部分的組成GPS衛(wèi)星星座全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的空間部分6個(gè)軌道面平均軌道高度20200km軌道傾角55

周期11h58min（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）GPS的空間部分②全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的空間部分GPS衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星保證在每天24小時(shí)的任何時(shí)刻，在高度角15

以上，能夠同時(shí)觀測到4顆以上衛(wèi)星當(dāng)前星座：31顆GPS的空間部分③全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的空間部分GPS的空間部分④GPS衛(wèi)星的地面軌跡全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的空間部分GPS的空間部分⑤GPS衛(wèi)星作用：接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文生成用于導(dǎo)航定位的信號（測距碼、載波）發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文）接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設(shè)備太陽能電池板原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘）信號生成與發(fā)射裝置全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的空間部分GPS衛(wèi)星（續(xù)）類型試驗(yàn)衛(wèi)星：BlockⅠ工作衛(wèi)星：BlockⅡBlockⅡ：存儲(chǔ)星歷能力為14天，具有SA和AS能力BlockⅡA（Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲(chǔ)星歷能力為180天，SV35和SV36帶有激光反射棱鏡BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互跟蹤和相互通訊。

BlockⅡR–M:L2載波上調(diào)制了民用碼L2CBlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS衛(wèi)星,增設(shè)第三民用頻率L5（1176.45MHz）BlockⅢ：研制中。GPS的空間部分⑥全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的空間部分GPS的空間部分⑦Block

IIRBlock

IIABlock

IIABlockⅢBlock

IIF不同類型的GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的空間部分GPS的地面監(jiān)控部分①地面監(jiān)控部分（GroundSegment）組成主控站：1個(gè)監(jiān)測站：17個(gè)注入站：4個(gè)通訊與輔助系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的地面監(jiān)控部分

GPS的地面監(jiān)控部分②地面監(jiān)控部分——分布圖全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的地面監(jiān)控部分

GPS的地面監(jiān)控部分③監(jiān)測站（17個(gè)）作用： 接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。地點(diǎn)： 全球分布，包括1個(gè)主控站和4個(gè)注入站。全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的地面監(jiān)控部分

GPS的地面監(jiān)控部分④主控站（1個(gè)）作用：管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，收集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。地點(diǎn)：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地。全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的地面監(jiān)控部分

GPS的地面監(jiān)控部分⑤注入站（4個(gè)）作用： 將導(dǎo)航電文注入（衛(wèi)星星歷）GPS衛(wèi)星。地點(diǎn)：

CapeCanaveral（美國海軍基地）阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的地面監(jiān)控部分

GPS的用戶部分①組成用戶接收設(shè)備接收設(shè)備GPS信號接收機(jī)其它儀器設(shè)備全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分②GPS信號接收機(jī)組成天線單元帶前置放大器接收天線接收單元信號通道存儲(chǔ)器微處理器輸入輸出設(shè)備電源天線單元接收單元全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分③天線單元類型單極天線微帶天線錐形（螺旋）天線四絲螺旋天線空間螺旋天線背腔平面盤旋天線GPS天線全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分④天線單元（續(xù)）特點(diǎn)單極天線單頻或雙頻（雙極結(jié)構(gòu)）、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單微帶天線結(jié)構(gòu)簡單、單頻或雙頻、側(cè)視角低（適合于機(jī)載應(yīng)用）、低增益、應(yīng)用最為廣泛錐形（螺旋）天線四絲螺旋天線–單頻、難以調(diào)整相位和極化方式、非方位對稱、增益特性好、不需要底板空間螺旋天線–雙頻、增益特性好、側(cè)視角高、非方位對稱背腔平面盤旋天線全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分⑤天線單元天線特性相位中心、增益方式、帶寬、極化相位中心平均相位中心與幾何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：歸心改正、消去法天線高：標(biāo)志至平均相位中心所在平面的垂直距離L2的平均相位中心

1

2L1的平均相位中心r1r2H’H

HH’hR全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分⑥接收單元接收（信號）通道定義：接收機(jī)中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號的部件，由無線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。類型：根據(jù)信號跟蹤方式：序貫通道、多路復(fù)用通道和多通道；根據(jù)工作原理：碼相關(guān)通道、平方通道等存儲(chǔ)器微處理器作用：數(shù)據(jù)處理、控制輸入輸出設(shè)備電源全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的用戶部分GPS的用戶部分⑦全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS的組成>GPS的用戶部分§3.2GPS衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu)概述GPS衛(wèi)星信號的組成部分載波（Carrier）L1L2L5（afterBlock

IIF）測距碼（RangingCode）C/A碼（目前只被調(diào)制在L1上）P(Y)碼（被分別調(diào)制在L1和L2上）L2C碼導(dǎo)航電文（Message）GPS衛(wèi)星信號的生成關(guān)鍵設(shè)備–原子鐘全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>概述GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率f0由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準(zhǔn)頻率的倍頻或分頻全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率

GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)載波①作用搭載其它調(diào)制信號測距（高精度測量）測定多普勒頻移類型目前L1–頻率：154f0=1575.43MHz；波長：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長：24.42cm現(xiàn)代化后（afterBlock

IIF）L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>載波載波②特點(diǎn)所選擇的載波頻率有利于測定多普勒頻移高頻率載波有利于減弱信號所受的電離層折射影響使用兩個(gè)頻率可以較好地削弱信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲與信號的頻率有關(guān)），三個(gè)頻率將進(jìn)一步削弱電離層折射的影響。全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>載波測距碼①作用捕獲衛(wèi)星信號測距性質(zhì)偽隨機(jī)噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>測距碼測距碼②類型目前C/A碼（Coarse/AcquisitionCode）–粗碼/捕獲碼；頻率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)：1023；碼元寬度：（1ms/1023）×C=293.05m；僅被調(diào)制在L1載波之上P（Y）碼（PreciseCode）–精碼；頻率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數(shù)：6187104000000；碼元寬度：29.30m；被調(diào)制在L1和L2上GPS現(xiàn)代化后在L2上調(diào)制L2C碼在L1和L2增加調(diào)制M碼L5載波上調(diào)制L5碼全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>測距碼導(dǎo)航電文①作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘參數(shù)、電離層改正信息以及衛(wèi)星工作狀態(tài)信息等信息，亦稱數(shù)據(jù)（D）碼?；窘Y(jié)構(gòu)（圖3-7，P56）全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文導(dǎo)航電文②基本內(nèi)容全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文導(dǎo)航電文③遙測字（TLM–TeLeMetryWord）每一子幀的第1個(gè)字用作捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)交接字（HOW–HandOverWord）每一子幀的第2個(gè)字主要是為了使用戶在捕獲到C/A碼解調(diào)出導(dǎo)航電文后能盡快捕獲P（Y）碼主要內(nèi)容：Z計(jì)數(shù)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文導(dǎo)航電文④第一數(shù)據(jù)塊第1子幀的第3~10個(gè)字內(nèi)容：WN：GPS周L2所調(diào)制測距碼標(biāo)識(shí)符：“10”表示C/A碼，“01”表示P(Y)碼傳輸參數(shù)

：URA（用戶測距精度）TGD：信號在衛(wèi)星內(nèi)部電路中的群延差（TotalGroupDelay）星鐘數(shù)據(jù)齡期AODC：星鐘改正參數(shù)a0（鐘偏），a1（鐘速），a2（鐘漂）：全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文導(dǎo)航電文⑤第二數(shù)據(jù)塊第2、3子幀的第3~10個(gè)字內(nèi)容該發(fā)送信號衛(wèi)星的星歷－廣播星歷星歷參數(shù)（6個(gè)開普勒軌道參數(shù)；9個(gè)軌道攝動(dòng)參數(shù)）全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文導(dǎo)航電文⑥第三數(shù)據(jù)塊第4、5子幀的第3~10個(gè)字內(nèi)容：所有衛(wèi)星歷書（概略星歷），作用是制定觀測計(jì)劃和有利于快速捕獲衛(wèi)星信號衛(wèi)星的健康狀況/AS標(biāo)識(shí)以及衛(wèi)星類型標(biāo)識(shí)/GPS時(shí)與UTC的關(guān)系參數(shù)/電離層改正參數(shù)等第三數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容每12.5分鐘重復(fù)一次全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文星歷參數(shù)詳解①全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>星歷參數(shù)詳解以上兩參數(shù)描述衛(wèi)星軌道平面在空間的指向，也就是與地球坐標(biāo)系統(tǒng)的相對位置星歷參數(shù)詳解②全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>星歷參數(shù)詳解長半徑和偏心率給出了衛(wèi)星橢圓軌道的形狀和大小確定了衛(wèi)星在橢圓軌道上的位置和指向近地點(diǎn)角距衛(wèi)星過近地點(diǎn)的時(shí)刻或衛(wèi)星的平近點(diǎn)角星歷參數(shù)詳解③全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>星歷參數(shù)詳解星歷參數(shù)詳解④全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>星歷參數(shù)詳解衛(wèi)星信號的調(diào)制①模二和GPS衛(wèi)星信號采用二進(jìn)制相位調(diào)制法。先將導(dǎo)航電文調(diào)制在測距碼上，再將組合碼調(diào)制到載波上。運(yùn)算規(guī)則二進(jìn)制信號：“1”表示二進(jìn)制“0”，“-1”表示二進(jìn)制“1”，則全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制②二進(jìn)制信號的相位調(diào)制調(diào)相PM全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制③GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制（圖3-11，P71）示意圖衛(wèi)星信號的調(diào)制原理全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星信號的調(diào)制GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置①計(jì)算思路首先計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)然后將上述坐標(biāo)分別繞X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)軌道平面坐標(biāo)系軌道參數(shù)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算

全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算

GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置③計(jì)算過程計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星的平近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算

fGPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置④計(jì)算過程（續(xù)）計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算升交距角（未經(jīng)改正的）計(jì)算衛(wèi)星向徑全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算

GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置⑤計(jì)算過程（續(xù)）計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng)進(jìn)行攝動(dòng)改正計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的位置全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算

GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置⑥計(jì)算過程（續(xù)）計(jì)算升交點(diǎn)經(jīng)度計(jì)算衛(wèi)星在瞬時(shí)地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星在協(xié)議地球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（經(jīng)極移改正即可）全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算

精密星歷 按一定時(shí)間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的三維位置、三維速度和鐘差*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.101111