第5章-gps卫星定位原理

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1、第五章 GPS定位原理,1.GPS系统的组成 2.GPS卫星信号 3.GPS卫星星历,第一节 GPS系统的组成,（一）由GPS卫星组成的空间部分 Space Segment （二）由若干地面站组成的控制部分 Control Segment （三）以接收机为主体的广大用户部分 User Segment,Slide 2,（一）空间部分,GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。,Slide 3,1、GPS卫星,铯原子钟 计算机 2块7m2的太阳能翼板 无线电收发两用机 导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据） 姿态控制和太阳能板指向系统,Slide 4,GPS卫星的发展,BLOCK I初

2、期的概念证实卫星 1995年秋清除 BLOCK II初期的生产卫星 存储14天星历 BLOCK IIA升级的生产卫星 存储180天星历 BLOCK IIR再补充的卫星 存储180天星历 BLOCK IIF后续/维持卫星,Slide 5,GPS星座,卫星：24 颗 轨道面:6个 长 半 轴：26609km 偏 心 率：0.0080.004 轨道面相对赤道面的倾角：55 卫星高度：20200km 卫星运行周期：11小时58分钟,Slide 6,空间部分的作用,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，以及其他在轨卫星的位置; 飞越注入站上空时，接收地面注

3、入站用S波段发送到卫星的导航信息，和其他有关信息，并通过GPS信号形成导航电文，实时发送给用户; 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）;,Slide 7,GPS/GLONASS系统参数比较,Slide 8,（二）控制部分,Transmits information,Slide 9,控制部分的组成,一个主控站 五个监控站 三个注入站,Slide 10,控制部分的作用,负责监控全球定位系统的工作： 监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行 跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户 保持各颗卫星的时间同步 必要时对卫星进行调度,Slide 11,控

4、制部分的运行机制,GPS卫星,Slide 12,（三）用户部分,APP,1,GPS接收机 接收、跟踪、变换和测量GPS信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作,Slide 13,GPS接收机,DSNP LEICA GARMIN,TRIMBLE ASHTECH JAVAD,Slide 14,系统的运行机制,GPS卫星星座,GPS信号接收机,地面监控系统,24颗卫星 广播轨道时间数据以及辅助资料信息,接收设备 接收卫星信号,中央控制系统 时间同步 跟踪卫星定轨,Slide 15,第二节 GPS卫星信号,GPS信号卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波,Slide 16,一

5、、信号的构成及产生,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,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 17,GPS信号的构成,信号的生成 信号的调制 信号的特点,P36,Slide 18,1、信号的生成,Slide 19,2、GPS信号的调制,Slide 20,第一级的调制,第一级是导航电文调制到测距码； 采用二进制编码序列“模二和”算法； 调制结果是把

6、数据码(导航电文)从50Hz扩展到1.023MHz(对于C/A码),Slide 21,第二级的调制,第二级是测距码调制到载波，采用二进制信号“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 22,L1上调制的信号,L1 Carrier Wave 1575.42MHz,Slide 23,L2上调制的信号,L2 Carrier Wave 1227.6MHz,Slide 24,3、信号的特点,载波频率选用L频段的两个频率，受电离层影响小，并可测定电离层延迟； 利用伪随机噪声码测距技术，具有良好的抗干扰性； 采用二级调制技术，把发送低码率的D码转换成发送复合码，既节省了卫

7、星的电能，有增强抗干扰性和保密性；,Slide 25,二、GPS的测距码,什么是伪随机噪声码 伪随机噪声码的产生 伪随机噪声码测距 GPS的测距码,Slide 26,1、伪随机噪声码,伪随机噪声码PRN码 Pseudo Random Noice Code 什么是伪随机噪声码 以预先确定并可重复产生和复制，具有白噪声统计特性的二进制码，有一定周期的，取值0或1的二进制序列 为什么用它测距？ 仙农“噪声通信理论”：可实现低信噪比的接收，可实现码分多址通信，具有良好的保密特性,Slide 27,2、伪随机噪声码的产生,GPS产生伪随机码的方式： m序列发生器 -多级线性移位反馈寄存器,例：,Slid

8、e 28,3、伪随机噪声码测距,原理利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测值,Slide 29,GPS测距,t时刻,t +t时刻,Slide 30,GPS测距,Slide 31,4、GPS的测距码,GPS的测距码,粗测码C/A码,精测码P码,Slide 32,(1)、粗测码,C/A码：由两个十级反馈移位寄存器产生,C/A码的特性 长度周期： 码元长度： 时间周期： 频率：,C/A码的特点 易于搜索和捕获； 码长约为300km 一个码长293m，测量（比对）精度1%10%,Slide 33,(2

9、)、精测码,P码的特性 长度周期： 码元长度： 时间周期： 频率：,P码的特点 周期长，码率高，不易于捕获； 易于保密，难于破译； AS政策: P+W=Y 一个码长29.3m，测量（比对）精度1%10%,Slide 34,三、 GPS的载波信号,电磁波的基本概念 GPS的载波信号,Slide 35,1、电磁波传播的基本概念,电磁波是一种随时间t变化的正弦或余弦波。 设电磁波初相角为0，角频率，振幅为Ae，则电磁波的数学表达式为 y=Aesin(t+ 0),y=Aesin(t+ 0),Ae,t,y,Slide 36,1）电磁波参数的关系,设电磁波的频率为f， 周期为T， 角频率为 =2f； f=

10、1/T， 相位为，相位角为： 且当t=0时有初相位 0， = /2 =(t+ 0 )/2 ,Slide 37,2）电磁波的传播,假设电磁波在真空中的传播速度为cvac，则有 cvac= vacf= vac/T 在卫星大地测量中，国际上当前采用的真空光速为： c=2.99782458108(m/s)。,Slide 38,3）信号的折射,实际的电磁波传播是在大气介质中，若干大气层可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。 电磁波在大气中的传播速度可以用折射率n来表示，n=c/v。折射率与大气的组成和结构密切相关，其实际值接近于1。,Slide 39,2、GPS的载波信号,L1载波

11、 频率：1572.42MHZ 波长：19cm L2载波 频率：1227.6MHZ 波长：24cm,Slide 40,关于载波,GPS的载波是L波段的微波，具有良好的穿透大气的能力，从卫星的发射天线发出后沿直线传播到达地球表面，发射信号强度为26.8dBw，接收最低信号强度为-160dBw。 常规GPS接收机可以进行正常接收的最弱信号为-160dBw，而经过稠密介质时信号强度大为衰减，例如在室内，GPS信号强度会衰减为-188dBw（比-158dBw弱1000倍），因而常规GPS接收机在室内因信号太弱而不能进行定位，在这种弱信号环境下，特殊的GPS接收机仍然可以工作，例如Indoor GPS。,

12、Slide 41,关于载波,载波的作用是作为传输工具，把搭载于其上的测距码和导航电文从卫星传播到地面； 对于测量型接收机，载波又同时用作为测量信号，接收机对接收到的载波进行相位测量，获得高精度的相位观测值，从而实现厘米乃至毫米级的高精度基线测量。,Slide 42,四、 导航电文,导航电文的概念 导航电文的格式 导航电文的内容,P34,Slide 43,一、导航电文,导航电文卫星通过无线电信号向地面发播的电文，是用户用来定位和导航的数据基础，即一组数据码。,Slide 44,二、导航电文的播发内容,卫星的星历 卫星的工作状态 卫星的时钟改正 电离层时延改正 C/A码捕获P码 其它卫星的星历,S

13、lide 45,导航电文的播发格式：二进制编码,Slide 46,播发内容,子桢号,1个子桢6秒长，10个字，每个字30bit,1桢30秒，1500bit,Slide 47,1、遥测码 TLM-Telemetry word,遥测码每个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导,第18bit为同步码（10001001） 第922bit为遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息，以此指示用户是否选用该卫星。 第23、24bit无意义， 第2530bit为奇偶检验码。,Slide 48,2、转换码 HOW-Hand over word,转换码向用户提供用于捕获P码的

14、Z计数 Z计数它表示从每星期六/星期日午夜零时开始播发的D码的子桢数。知道Z计数，就知道观测时刻P码在周期中的准确位置，以此较快地捕获P码,0,1,2,6“,12“,周六/日子夜零时,100799,604794“,100800,604800“,Slide 49,3、第一数据块,第一子帧的第3-10个字码为第一数据块。它的主要内容是： (1)信号内部的时延改正值Tgd； (2)星期序号WN，GPS星期数; (3)卫星时钟改正系数 (4)数据龄期AODC，时钟改正数的外推时间间隔；,Slide 50,4、第二数据块,第二和第三子帧共同构成第二数据块，它表示GPS卫星的星历。 (1)开普勒6参数 (

15、2)轨道摄动9参数 (3)时间2参数 星历参考时刻 星历数据龄期,Slide 51,5、第三数据块,第三数据块是由第4和第5两个子帧构成的，它提供GPS卫星的历书数据。 当接收机捕获得某颗卫星后，利用第三数据块提供其它卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星工作状态等数据。 用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，而且还可根据所在的位置，选择最佳星座，依据已知的卫星PRN号进行设置，以快速捕获和定位,Slide 52,四、用户接收到的导航文件,GPS接收机对导航电文进行解码，输出； 可以通过随机软件将输出的接收机文件转换成ASCII格式的通用格式的RINEX文件 Receiver Indepe

16、ndent Exchange format (RINEX) ftp:/igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex2.txt 文件名称格式： 4-charDay of yearSession.yyn e.g. brdc0120.02n,Slide 53,第三节 GPS卫星星历,1、理想情况下的卫星运动,所谓理想情况下的卫星运动，是将地球视作匀质球体，且不顾及其它摄动力的影响，卫星只是在地球质心引力作用下而运动。,一、卫星运动理论基础,Slide 54,一、理想情况下的卫星运动,根据牛顿万有引力定律，在上述理想情况下，卫星相对于地球的引力加速度为：,式中 G地球引力常数