GPS卫星信号构成与导航电文解析.ppt

GPS原理及其应用原理及其应用第四章第四章 GPS卫星信号的结构与导航电文卫星信号的结构与导航电文GPS原理及其应用原理及其应用 载波相位测量载波相位测量距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量itjtitijttR(c )2002, 黄劲松GPS原理及其应用原理及其应用测距方法测距方法 双程测距双程测距用于电磁波测用于电磁波测距仪距仪 单程测距单程测距用于用于GPS距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距方法测距方法GPS原理及其应用原理及其应用信号传播时间测距码测距原理测距码测距原理 距离测定的基本思路距离测定的基本思路 信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc信号传播时间的测定信号传播时间的测定距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距原理测距码测距原理GPS原理及其应用原理及其应用测距码测距原理测距码测距原理 利用测距码测距的必要条件利用测距码测距的必要条件 必须了解测距码的结构必须了解测距码的结构 利用测距码进行测距的优点利用测距码进行测距的优点 采用的是采用的是CDMA（码分多址）（码分多址）技术技术 易于捕获微弱的卫星信号易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度可提高测距精度 便于对系统进行控制和管理便于对系统进行控制和管理（如（如AS）每颗每颗GPS卫星都采用特定的卫星都采用特定的伪随机噪声码伪随机噪声码微弱信号的捕获微弱信号的捕获距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距原理测距码测距原理GPS原理及其应用原理及其应用测距码测距码 作用作用 测距测距 性质性质 为伪随机噪声码（为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise） 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为系数为0或或1/n（n为码元数）为码元数） 对齐的同一组码间的相关系数为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结构 测距码测距码GPS原理及其应用原理及其应用伪距测量的特点伪距测量的特点 优点优点 无模糊度无模糊度 缺点缺点 精度低精度低距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 伪距测量的特点伪距测量的特点GPS原理及其应用原理及其应用4.2 伪随机序列伪随机序列 香农(Shannon)指出，为了实现最有效的通信，应采用具有白噪声的统计特性的信号。 为了实现高可靠的保密通信，也利用随机噪声。 随机噪声的缺点：难以重复产生和处理。 伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，又便于重复产生和处理。 伪随机噪声都是由数字电路产生的周期序列(伪随机序列)。 PN序列(Pseudo Noise)- m序列序列 产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。 由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列(m序列)。GPS原理及其应用原理及其应用 4级反馈移存器。1)初始状态为)0 , 0 , 0 , 1 (),(0123aaaa输出周期最长为15的序列：000 111 101 011 0012)初始状态为)0 , 0 , 0 , 0(),(0123aaaa移位后得到的仍为全“0”状态。反馈移存器中应避免出现全“0”状态。用尽可能少的级数产生尽可能长的序列。 2. n级反馈移存器 一个n级反馈移存器可能产生的最长周期等于m=(2n l)。43(1)xx-m序列的产生GPS原理及其应用原理及其应用 为了使m序列产生器的组成尽量简单，使用项数最少的那些本原多项式。 本原多项式最少有三项（这时只需用一个模2加法器）。GPS原理及其应用原理及其应用3. m序列的性质 1)均衡性在m序列的一周期中，“1”和“0”的数目基本相等。“1”的个数比“0”的个数多一个。 2) 游程分布 把一个序列中取值相同的那些连在一起的元素合称为一个“游程”。在一个游程中元素的个数称为游程长度。例如，在图10-2中给出的m序如下：000 111 101 011 001 共有8个游程：长度为4的游程有一个；长度为3的游程有一个；长度为2的游程有两个；长度为1的游程有4个。GPS原理及其应用原理及其应用 在m序列中，长度为1的游程占游程总数的1/2；长度为2的游程占游程总数的1/4；长度为 3的游程占游程总数的1/8；。 长度为 k的游程数目占游程总数的2k ，) 1(1nk而且在长度为k的游程中lk(n 2)，连“ l”的游程和连“0”的游程各占一半。 3) 移位相加特性 一个m序列Mp与其经任意次迟延移位产生的另一不同序列Mr模2相加，得到的仍是Mp的某次迟延移位序列Ms ，即srpMMM例 m = 7的m序列Mp = 1110010, Mr = 0111001,100101101110011110010rpsMMMMs与Mp向右移位5次的结果相同。GPS原理及其应用原理及其应用 4)自相关函数自相关函数mDADADAjR)( A该序列与其j次移位序列一个周期中对应元素相同的数目； D该序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不同的数目； m该序列的周期。改写成mxxxxjRjiijii的数目的数目 10)( 上式分子就等于m序列一个周期中“0”的数目与“1”的数目之差； 由m序列的均衡性可知，m序列一周期中“0”的数目比“l”的数目少一个，1,2, 1,10, 1)(mjmjjR自相关函数也有周期性，周期也是m;自相关函数是偶函数.GPS原理及其应用原理及其应用 10.4.3 噪声产生器 要求能产生限带白色高斯噪声。设 m序列的码元宽度为T1秒，则大约在零至(1/T1) 45%Hz的频率范围内，可以认为它具有均匀的功率谱密度。对于多次进行某一测量，都有较好的可重复性。10.4.4 通信加密将信源产生的二进制数字消息和一个周期很长的伪随机序列模2相加，这样就将原消息变成不可理解的另一序列。伪随机序列的应用伪随机序列的应用GPS原理及其应用原理及其应用C/A码码（Coarse/Acquisition Code） 粗码粗码/捕获码捕获码 码长：码长：Nu=210-1=1023 码元码元 码元周期码元周期 tu0.97752s (相应的码距为相应的码距为293.1m) 周期周期Tu=1ms 数码率数码率=1.023Mbit/s 码生成：码生成：由两个十级反馈移位寄存器的输出信号模二相加而成，G(t)=G1(t) G2it+i(10tu) 其中i为偏移量，共有1023不同值，仅选择其中36个互异的C/A码。全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 测距码测距码C/A码和码和P码码GPS原理及其应用原理及其应用P（Y）码（）码（Precise Code） 精码精码 码长：码长：Nu1.351014 码元码元 码元周期码元周期 tu0.097752s (相应的码距为相应的码距为29.31m) 周期周期Tu267天天 数码率数码率=10.23Mbit/s 码生成：码生成：G(t)=G1(t) G2it+itu) （由两个20级的移位寄存器构成）其中其中i为偏移量，为偏移量，i为为137之间的整数，产生之间的整数，产生37个互异的个互异的P码相位，其中码相位，其中32个分给不同个分给不同的卫星使用，的卫星使用，5个给地面监控系统使用。个给地面监控系统使用。 P码周期很长，码周期很长，267天重复一次，实际使用天重复一次，实际使用7天被重置，实际天被重置，实际按按7天周期计算。天周期计算。 1周期含码元数：周期含码元数：6187104000000； 如码序列对齐误差为码元宽度的如码序列对齐误差为码元宽度的1/100，则相应的测距误差，则相应的测距误差可大可大0.29m。全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 测距码测距码C/A码和码和P码码GPS原理及其应用原理及其应用载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 重建载波重建载波 将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了电文之后载波调制了电文之后变成了非连续的波变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量伪距测量与载波相位测量距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及其应用原理及其应用载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 码相关法码相关法 方法方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。与接收机产生的复制码相乘。 技术要点技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（强）卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。相乘。 特点特点 限制：需要了解码的结构。限制：需要了解码的结构。 优点：可获得导航电文，可获得全优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比波长的载波，信号质量好（信噪比高）高）卫星信号的生成接收机重建载波(c )2002, 黄劲松码相关法码相关法距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及其应用原理及其应用载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 平方法平方法 方法方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。自乘。 技术要点技术要点 卫星信号（弱）自乘。卫星信号（弱）自乘。 特点特点 优点：无需了解码的结构优点：无需了解码的结构 缺点：无法获得导航电文，所获载缺点：无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了量较差（信噪比低，降低了30dB）平方法平方法距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及其应用原理及其应用载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 互相关（交叉相关）互相关（交叉相关） 方法方法 在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差频率间的伪距差和相位差 技术要点技术要点 不同频率的卫星信号（弱）进行相关。不同频率的卫星信号（弱）进行相关。 特点特点 优点：无需了优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）)()(12/, 12, 1, 2/, 12LLACLLYLYLACLLRRRR距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及其应用原理及其应用载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 Z跟踪跟踪 方法：将卫星信号在一个方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机码码元内与接收机复制出的复制出的P码进行相关处理。码进行相关处理。 在一个在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。信号（强）进行相关。 特点特点 优点：无需了解优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了较平方法好（信噪比降低了14dB）距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及其应用原理及其应用Z跟踪技术跟踪技术 AS P码码+W码码Y码码 W码的码元宽度比码的码元宽度比Y码大几十码大几十倍倍 Z跟踪技术跟踪技术 原理原理 将相关间隔（积分间隔）限将相关间隔（积分间隔）限定在一个定在一个W码码元内码码元内码码码码码元内在一个PPYW 0 1 0 0 1 0 0（1） W 码 0 1 0 0 1 0 P 码 Y 码 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W 码 1 0 1 1 0 1 P 码 Y 码 + = 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 Z跟踪技术跟踪技术GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星信号结构卫星信号结构全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构GPS原理及其应用原理及其应用概述概述 GPS卫星信号的组成部分卫星信号的组成部分 载波（载波（Carrier） L1 L2 测距码（测距码（Ranging Code） C/A码（目前只被调制在码（目前只被调制在L1上）上） P(Y)码（被分别调制在码（被分别调制在L1和和L2上）上） 卫星（导航）电文（卫星（导航）电文（Message） GPS卫星信号的生成卫星信号的生成 关键设备关键设备 原子钟原子钟全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 概述概述GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星的基准频率卫星的基准频率 f0 由卫星上的原子钟直接产生由卫星上的原子钟直接产生 频率为频率为10.23MHz 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频或分频1012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffC AfPffHz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结构 GPS卫星的基准频率卫星的基准频率 GPS原理及其应用原理及其应用载波载波 作用作用 搭载其它调制信号搭载其它调制信号 测距测距 测定多普勒频移测定多普勒频移 类型类型 目前目前 L1 频率：频率： 154 f0 = 1575.43MHz；波长：；波长：19.03cm L2 频率：频率： 120 f0 = 1227.60MHz；波长：；波长：24.42cm 现代化后现代化后 增加增加L5 频率：频率：115 f0 = 1176.45MHz；波长：；波长：25.48cmL119.03c mL224.42c m全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 载波载波GPS原理及其应用原理及其应用载波载波 特点特点 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所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响射影响 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折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）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结构 载波载波GPS原理及其应用原理及其应用GPS信号的信号的SA政策和政策和AS政策政策 美国政府在美国政府在GPS的最初设计中，计划向社会的最初设计中，计划向社会提供两种服务，精密定位服务（提供两种服务，精密定位服务（PPS）和标）和标准定位服务（准定位服务（SPS）。精密定位服务的主要）。精密定位服务的主要服务对象是政府部门或其他特许民用部门，服务对象是政府部门或其他特许民用部门，使用双频使用双频P码，预期定位精度达到码，预期定位精度达到10米。标米。标准定位服务的主要对象是广大的民间用户，准定位服务的主要对象是广大的民间用户，使用使用C/A码单频接收机，无法利用双频技术码单频接收机，无法利用双频技术消除电离层的折射的影响，其单点实时定位消除电离层的折射的影响，其单点实时定位的精度约为的精度约为100米。米。GPS原理及其应用原理及其应用GPS信号的信号的SA政策和政策和AS政策政策 但是在但是在GPS的实验阶段，由于提高了卫星钟的实验阶段，由于提高了卫星钟的稳定性和改进了卫星轨道的测定精度，使的稳定性和改进了卫星轨道的测定精度，使得利用得利用C/A码定位的精度达到码定位的精度达到14米，利用米，利用P码定位的精度达到码定位的精度达到3米，大大优于预期。美米，大大优于预期。美国政府出于自身安全的考虑，于国政府出于自身安全的考虑，于1991年在年在Block 卫星上实施了卫星上实施了SA和和AS政策，其目的政策，其目的就是降低就是降低GPS的定位精度。的定位精度。GPS原理及其应用原理及其应用GPS信号的信号的SA政策和政策和AS政策政策 SA（Selective Availability）政策即可用性选择政策，通过控制卫星钟和报告不精确的卫星轨道信息来实现。它包括两项技术：第一项技术是将卫星星历中轨道参数的精度降低到200米左右；第二项技术是在GPS卫星的基准频率施加高抖动噪声信号，而且这种信号是随机的，从而导致测量出来的伪距误差增大。通过这两项技术，使民用GPS定位精度重新回到原先估计的误差水平，即大约100米。GPS原理及其应用原理及其应用GPS信号的信号的SA政策和政策和AS政策政策 SA技术技术 GPS的的SA（Selective Availability）技术，有）技术，有选择可用选择可用性技术性技术，即人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意，即人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意降低降低GPS精度。其直接影响是精度。其直接影响是C/A码的精度从原先的码的精度从原先的20m降降低到低到100m。 SA技术的主要内容技术的主要内容 1、在、在GPS工作卫星信号的基准频率中采用工作卫星信号的基准频率中采用技术（引技术（引入一个人工高频抖动信号），使入一个人工高频抖动信号），使GPS卫星频率发生快速变卫星频率发生快速变化化(钟频抖动钟频抖动)，钟频抖动可达，钟频抖动可达2Hz，降低测量精度。，降低测量精度。 2、导航电文经、导航电文经技术处理广播星历精度由技术处理广播星历精度由100米下降到米下降到200米左右，而且偏差不固定，为不规则变化的随机量。米左右，而且偏差不固定，为不规则变化的随机量。GPS原理及其应用原理及其应用GPS信号的信号的SA政策和政策和AS政策政策 军用接收机则由于装备了特殊的硬件和码，军用接收机则由于装备了特殊的硬件和码，能减轻能减轻“SA”的效果。的效果。GPS系统管理人员通系统管理人员通过地面指挥旋转开关，控制过地面指挥旋转开关，控制“SA”的开与关。的开与关。值得指出的是，值得指出的是，SA是空间相关的，所以民是空间相关的，所以民用用户可以通过差分用用户可以通过差分GPS（DGPS）的方法）的方法消除消除SA，当然用户必须对此增加自己的成，当然用户必须对此增加自己的成本。本。GPS原理及其应用原理及其应用GPS信号的信号的SA政策和政策和AS政策政策 2000年年5月月2日，日，SA政策被取消。美国放弃政策被取消。美国放弃这一举措，可能基于两种考虑，一是其国内这一举措，可能基于两种考虑，一是其国内和国外的应用需求，以及国际竞争的需要，和国外的应用需求，以及国际竞争的需要，希望保持希望保持GPS的国际领先地位，同时成为国的国际领先地位，同时成为国际标准的战略性策略；二是美国已经具备新际标准的战略性策略；二是美国已经具备新的阻断敌对方利用民用信号对其发动攻击的的阻断敌对方利用民用信号对其发动攻击的能力，尤其是在局部区域内的控制使用能力。能力，尤其是在局部区域内的控制使用能力。GPS原理及其应用原理及其应用 AS(Anti-Spoofing) 政策即反电子欺骗政策。政策即反电子欺骗政策。它将它将P码与高度机密的码与高度机密的W码模码模2相加形成新的相加形成新的Y码。其目的在于防止敌方对码。其目的在于防止敌方对P码进行精密码进行精密定位，也不能进行定位，也不能进行P码和码和C/A码相位测量的码相位测量的联合求解。联合求解。 SA和和AS技术是各自独立实施的。技术是各自独立实施的。GPS信号的信号的SA政策和政策和AS政策政策GPS原理及其应用原理及其应用Z跟踪技术跟踪技术 AS P码码+W码码Y码码 W码的码元宽度比码的码元宽度比Y码大几十码大几十倍倍 Z跟踪技术跟踪技术 原理方法：将卫星信号在一原理方法：将卫星信号在一个个W码码元内与接收机复制码码元内与接收机复制出的出的P码进行相关处理。码进行相关处理。 将相关间隔（积分间隔）限将相关间隔（积分间隔）限定在一个定在一个W码码元内码码元内PWYP码在一个码码元内, 码码 0 1 0 0 1 0 0（1） W 码 0 1 0 0 1 0 P 码 Y 码 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W 码 1 0 1 1 0 1 P 码 Y 码 + = 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 Z跟踪技术跟踪技术GPS原理及其应用原理及其应用卫星信号的调制卫星信号的调制 模二和模二和 运算规则运算规则 二进制信号：二进制信号：“1”表示二进制表示二进制“0”，“-1”表示表示二进制二进制“1”，则，则000; 110; 101; 011111; 111; 111; 111全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星信号的调制卫星信号的调制GPS原理及其应用原理及其应用卫星信号的调制卫星信号的调制 二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS调频调频FM调幅调幅AM调相调相PM注：其它调制方式注：其它调制方式全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星信号的调制卫星信号的调制GPS原理及其应用原理及其应用卫星信号的调制卫星信号的调制 GPS卫星信号的调制卫星信号的调制 示意图示意图 卫星信号的调制原理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结构 卫星信号的调制卫星信号的调制GPS原理及其应用原理及其应用卫星信号卫星信号GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参作用：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数、卫星状态信息及其它信息 基本结构基本结构.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结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 基本内容基本内容全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 遥测字（遥测字（TLM Telemetry Word） 每一子帧的第每一子帧的第1个字个字 用作捕获导航电文的前导用作捕获导航电文的前导 交接字（交接字（HOW Hand Over Word） 每一子帧的第每一子帧的第2个字个字 主要内容：主要内容：Z计数计数全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 第一数据块第一数据块 第第1子帧的第子帧的第310个字个字 内容：内容： WN GPS周周 L2所调制测距码标识符所调制测距码标识符 “10”表示表示C/A码，码，“01”表示表示P(Y)码码 传输参数传输参数N URA TGD 信号在卫星内部的时延信号在卫星内部的时延 星钟数据龄期星钟数据龄期AODC 星钟改正参数星钟改正参数a0（钟偏），（钟偏），a1（钟速），（钟速），a2（钟漂）（钟漂）GDSVLSVTtt1)(LOCttAODC2210)()(ococSVttattaat全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 第二数据块第二数据块 第第2、3子帧的第子帧的第310个字个字 内容内容 该发送信号卫星的星历该发送信号卫星的星历 广播星历广播星历 星历参数星历参数AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,000全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 第三数据块第三数据块 第第4、5子帧的第子帧的第310个字个字 内容：所有卫星历书（概略星历）内容：所有卫星历书（概略星历） 第三数据块的内容每第三数据块的内容每12.5分钟重复一次分钟重复一次全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用星历参数详解星历参数详解：轨道长半轴的平方根A全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解为平均角速度其中：参考时刻的平近点角nttnMtMMoe)()(00nnnsmWGSaaGMnn0231433010986005. 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原理及其应用原理及其应用星历参数详解星历参数详解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结构 星历参数详解星历参数详解GPS原理及其应用原理及其应用星历参数详解星历参数详解全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解GPS原理及其应用原理及其应用星历参数详解星历参数详解ittiitiioe)()(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结构 星历参数详解星历参数详解GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算思路计算思路 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标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然后将上述坐标分别绕X轴旋转轴旋转-i角、绕角、绕Z轴旋轴旋转转- k角，求出卫星在地固系下的坐标角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道参数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结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径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 升交点经度kG AST xy全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程计算过程 计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行的平均角速度 计算计算t时刻卫星的平近点角时刻卫星的平近点角 计算偏近点角计算偏近点角03314320()843.986005 10GMnaaWGSmsnnn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结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程（续）计算过程（续） 计算真近点角计算真近点角 计算升交距角（未经改正的）计算升交距角（未经改正的） 计算卫星向径计算卫星向径etEtEearctgtf)(cos)(sin1)(2全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 )()( tftu)(cos1 ()( tEeAtrGPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程（续）计算过程（续） 计算摄动改正项计算摄动改正项 进行摄动改正进行摄动改正 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置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结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程（续）计算过程（续） 计算升交点经度计算升交点经度 计算卫星在地固坐标系下的坐标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结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用精密星历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、三维速度和钟差置、三维速度和钟差* * 2004 1 15 0 0 0.00000000 2004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 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 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置根据精密星历计算卫星位置全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用 任意时刻任意时刻t卫星位置的计算卫星位置的计算 原理：插值法原理：插值法 方法：拉格朗日插值法等方法：拉格朗日插值法等nkkikinkiinnyxxxxxfxyyyxxxnxfy001010)()(,.,.,)(值为，其函数点对于插值区间内的任一函数值及其对应的个结点的已知函数GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置根据精密星历计算卫星位置全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，