第5章-GPS卫星定位原理

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1、第五章第五章 GPS定位原理定位原理u1.GPS系统的组成系统的组成u2.GPS卫星信号卫星信号u3.GPS卫星星历卫星星历第一节第一节 GPSGPS系统的组成系统的组成（一）由（一）由GPS卫星组成卫星组成的的空间部分空间部分 Space Segment（二）由若干地面站（二）由若干地面站组成的组成的控制部分控制部分 Control Segment（三）以接收机为主（三）以接收机为主体的广大体的广大用户部分用户部分 User SegmentSlide 2（一）空间部分（一）空间部分uGPS系统的空间系统的空间部分由部分由GPS卫星组卫星组成，称为成，称为卫星星卫星星座座。Slide 31 1

2、、GPSGPS卫星卫星u铯原子钟铯原子钟u计算机计算机u2 2块块7 7m m2 2的太阳能翼板的太阳能翼板u无线电收发两用机无线电收发两用机u导航荷载（接收数据，导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）发射测距和导航数据）u姿态控制和太阳能板指姿态控制和太阳能板指向系统向系统Slide 4GPSGPS卫星的发展卫星的发展uBLOCK I初期的概念证实卫星初期的概念证实卫星 1995 1995年秋清除年秋清除uBLOCK II初期的生产卫星初期的生产卫星 存储存储1414天星历天星历uBLOCK IIA升级的生产卫星升级的生产卫星 存储存储180180天星历天星历uBLOCK IIR再补充的卫

3、星再补充的卫星 存储存储180180天星历天星历uBLOCK IIF后续后续/ /维持卫星维持卫星Block Block II Slide 5GPSGPS星座星座卫星卫星：24 颗颗轨道面轨道面:6个个长长 半半 轴：轴：26609km偏偏 心心 率：率：0.0080.004轨道面相对赤道面的倾角：轨道面相对赤道面的倾角：55卫星高度：卫星高度：20200km卫星运行周期：卫星运行周期：11小时小时58分钟分钟Slide 6空间部分的作用空间部分的作用u向广大用户连续不断发送导航定位信号，并用导航向广大用户连续不断发送导航定位信号，并用导航电文中的星历和历书分别报导自己的现势位置，以及电文中的

4、星历和历书分别报导自己的现势位置，以及其他在轨卫星的位置其他在轨卫星的位置; ;u飞越注入站上空时，接收地面注入站用飞越注入站上空时，接收地面注入站用S S波段发送波段发送到卫星的导航信息，和其他有关信息，并通过到卫星的导航信息，和其他有关信息，并通过GPS信信号形成导航电文，实时发送给用户号形成导航电文，实时发送给用户; ;u接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令（钟，轨道，卫星）（钟，轨道，卫星）; ;Slide 7GPS/GLONASS系统参数比较系统参数比较GPSGLONASS卫星星座21+321+3轨道平面6 个轨道面3 个轨道面轨道

5、倾角55。64.8。轨道高度20,200km19,123km运行周期11 小时 58 分钟11 小时 15 分钟星历数据轨道开普勒根数地心直角坐标卫星寻址CDMA（码分多址）不同的卫星采用不同的PRN码加以区分FDMA（频分多址）（L1 ） 1602+k ?/16 MHz（L2 ） 1246+k?/16MHz载波频率L1 ： 1575.42MHzL2 ： 1227.6MHz1602.5625MHz1615.5MHz1246.4375MHz1256.5MHz基准坐标系WGS-84PZ-90测距码伪随机噪声码伪随机噪声码码元数1023 bit511 bit码周期1 ms1 ms码频率1.023 M

6、Hz0.511 MHz时间基准GPS时统，与 UTC保持一定的差值，无跳秒GLONASS时统，经常调整与UTC保持一致，有跳秒导航电文37500 bits ，持续 750 秒7500 bits ，持续 150 秒Slide 8（二）控制部分（二）控制部分Slide 9控制部分的组成控制部分的组成u一个主控站一个主控站u五个监控站五个监控站u三个注入站三个注入站Slide 10控制部分的作用控制部分的作用负责监控全球定位系统的工作：负责监控全球定位系统的工作：u监测卫星是否正常工作，是否沿预定的监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行轨道运行u跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星跟踪计算卫星的轨

7、道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户，由卫星通过导航电文发送给用户u保持各颗卫星的时间同步保持各颗卫星的时间同步u必要时对卫星进行调度必要时对卫星进行调度Slide 11控制部分的运行机制控制部分的运行机制GPS卫星卫星监控站监控站GPS接收机接收机原子钟原子钟计算机计算机环境数据采环境数据采集装置集装置主控站主控站原始观测数据原始观测数据具备监测站具备监测站的功能的功能并对数据进并对数据进行综合处理行综合处理注入站注入站星历星历时钟数据时钟数据控制参数控制参数计算机计算机发射机发射机发射天线发射天线Slide 12（三）用户部分（三）用户部分DAVIS GPS DCLRMSGFL

8、PALTENTCRSRDISGSETEBRGTRK42.5 NM154 KT0.03217.537.2DKHIO+ + +NAVAPP1uGPS接收机接收机接收、跟踪、变换和测量接收、跟踪、变换和测量GPSGPS信号，以获得必要的定信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作据处理而完成定位工作Slide 13GPS接收机接收机uDSNPDSNPuLEICALEICAuGARMINGARMIN uTRIMBLE TRIMBLE uASHTECHASHTECHuJAVADJAVADSlide 14系统的运行机制系统的运行机制GPS卫星星座卫星星座GPS

9、信号接收机信号接收机地面监控系统地面监控系统24颗卫星颗卫星广播轨道时间数据以及辅助资料信息广播轨道时间数据以及辅助资料信息接收设备接收设备接收卫星信号接收卫星信号中央控制系统中央控制系统时间同步时间同步跟踪卫星定轨跟踪卫星定轨Slide 15第二节第二节 GPS卫星信号卫星信号GPS信号信号卫星向卫星向广大用户发送的用于广大用户发送的用于导航定位的调制波导航定位的调制波Slide 16一、信号的构成及产生一、信号的构成及产生u考虑三个方面：1、为了提供卫星的瞬时位置导航电文 数据码：D码2、为了保密通信，提高信号的抗干扰能力；以及不同的卫星的区分选择和精密测距伪随机码 测距码：C/A码，P码

10、3、为了信号的传播将扩频后的编码脉冲对L波段的两个载波进行调制后发射 载波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ) Slide 17GPS信号的构成信号的构成信号的生成信号的生成信号的调制信号的调制信号的特点信号的特点P36Slide 181、信号的生成、信号的生成Slide 192、GPS信号的调制信号的调制X伪随机噪声码导航电文(50 Hz)X载波调制调制调制调制二二级级调调制制Slide 20第一级的调制第一级的调制v第一级是导航电文调制到测距码；v采用二进制编码序列编码序列“模二和模二和”算法；v调制结果是把数据码(导航电文)从50Hz扩展到1.023MHz(对于C/

11、A码)0 1 0 0 1010 1 0 1 1 010 1 0 1 01 0 Slide 21第二级的调制第二级的调制第二级是测距码调制到载波测距码调制到载波，采用二进制信号二进制信号“波形相乘波形相乘”的算法，将导航电文与测距码合成后的二进制码调制到载波上Slide 22L1L1上调制的信号上调制的信号L1 Carrier Wave 1575.42MHzC/A Code 1.023 MHzNavigation Message50HzPrecise Code 10.23 MHz载波：码：码：码：其中：L1)cos(D)(;/C)(;P)()sin()()cos()()()(1111111LLC