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1、第三章第三章 GPSGPS的构成的构成 第三章第三章 GPSGPS的构成的构成 一、本章学习目的：一、本章学习目的： 了解GPS的全球定位系统的组成和相关 概念、定位原理、信号、接收机 二、本章学习内容：二、本章学习内容： 全球定位系统概述 GPS的定位原理 GPS定位系统统由三部分组组成，即空间间星座部分、地 面监控部分和用户设备部分。 GPS定位系统组成示意图 空间间部分 用户户部分 控制部分 第一节 全球定位系统概述 一、空间星座部分 （一）GPS卫星星座的构成 GPS卫卫星星座由24颗颗卫卫星构成（其中3颗备颗备 用卫卫星）。 轨轨道面相对赤道面倾角为55度，卫星轨道为圆形，平均高度
2、20200km，运行周期11小时时58分，每颗卫颗卫 星对对地球可见见面积积 为地表面积的37.92%，且发射信号达到地表较平均。每颗卫 星每天约有5小时在地平线以上，而且位于地平线以上的卫 星数目是随时间和地点而异，最少为4颗、最多可达11颗。3 颗备用卫星可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，以保 证GPS空间部分正常高效地工作。 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 一、空间星座部分 （二）GPS卫星发展 第一代 Block，1978.2.22-1985.10.9，11颗，命名Block- 1至Block-11。目前已完成试验任务，全部停止了导航定 位服务 第二代 Block和
3、BlockA，1989.2.14-1997.6.17 ，28颗， 命名Block-1 至Block-9， BlockA-10至BlockA-28 。 Block和BlockA的主要差别在于BlockA增强了军用 功能，扩大了数据存储容量。对于存储导航电文的时间， Block存储14天，而BlockA存储180天 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 一、空间星座部分 （二）GPS卫星发展 第三代 BlockR和Block ，1997.6.17-2003.1.29，8颗 BlockR ，命名BlockR-1至BlockR-8，BlockR后续 卫星及Block尚在研制中。 第一节第一节
4、 全球定位系统概述全球定位系统概述 GPSGPS 空空 间间 卫卫 星星 分分 布布 （三）GPS卫星及其功能 GPS卫卫星主体呈圆圆柱形，直径1.5m，重774kg (其中包括310kg燃料)，两侧设有两块7双叶太阳 能板，能自动对日定向，保证卫星正常工作用电。 卫星体底部装有由12个单元构成的多波束天线，面 向地球发射导航定位信号。卫星体两端面上还装有 遥测遥控天线，用于与地面监控系统的通信 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 （三）GPS卫星及其功能 卫星体内的主要设备包括：原子时钟，导航电文存 储器、导航定位信号发射器，地面监控指令与信息 接收器微处理器，以及卫星姿态与轨道
5、控制系统。 每颗卫星上装备了4台高精度的原子钟(2台铷钟2台 铯钟，稳定度为10-1310-14)，是卫卫星的核心设备设备 。它将发射标准频率信号。计算机、无线电收发两 用机设计寿命为7.5年。 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 GPS-Block IIA Satellite GPS-Block IIA Satellite (Credits: (Credits: NASANASA) ) GPS-Block I Satellite GPS-Block I Satellite (Credits: (Credits: NASANASA) ) 第一第一节节 全球定位系全球定位系统统概述概
6、述 GPS-Block IIF Satellite (Credits: GPS-Block IIF Satellite (Credits: NASANASA) ) GPS卫卫星的基本功能是： (1)接收和储储存由地面监监控站发发来的导导航信息、执执 行监控站的控制指令； (2)由星载载微处处理机进进行部分必要的数据处处理； (3)通过过星载载的高精度原子钟钟提供精密的时间标时间标 准 ； (4)向用户发户发 送定位信息； (5)在地面监监控站指令下调调整卫卫星姿态态和启用备备用 卫星。 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 二、 地面监控部分 一个主控站 三个注入站 五个监测监测 站
7、 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 夸贾林岛 迪戈加西亚 （一） 主控站 主控站设在科罗拉多（Colorado）。其任务是协调和管 理所有地面监控系统的工作。除此之外，其主要功能是： （1）收集5个监测监测 站所监测监测 的所有数据。 （2）编发导编发导 航电电文。根据所有观测资观测资 料推算编编制各卫卫 星 的星历历，卫卫星钟钟差、大气层的修正参数等。提供全球定 位系统统的时间时间 基准。 （3）监监控系统统状态态。包括地面监监控系统统和空间卫间卫 星的 状态态。 （4）调调整偏离轨轨道的卫卫星，使之沿预预定轨轨道运行。 （5）启用备备用卫卫星以代替失效的卫卫星。 第一节第一节
8、 全球定位系统概述全球定位系统概述 （二） 注入站 南太平洋的阿松森岛岛(Ascension) 三个注入站设设在 印度洋的迭戈加西亚亚(Diogo Garcia) 南太平洋的卡瓦加兰兰(Kwajalein) 每个注入站有一台直径36m的天线线，一台C波段发发射机 和一台计算机。 注入站其主要任务务是：在主控站的控制下，将主控站推 算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令每天 一次地注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性 。存储器具备长达14天的预报能力。 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 （三） 监测站 监测站有5个，前面的主控站、注入站同时又是 监测站，并在夏威
9、夷还设有一个监测站。监测站是在 主控站的直接控制下的数据自动采集中心，站内设有P 码GPS接收机、精密铯钟、计算机、环境数据传感器等 ，对所接收的卫星进行连续的P码伪距跟踪测量，并将 每隔1.5s的观测结果、电离层和气象数据，采取平滑 方法，获得每15min的结果数据，传送到主控站。 整个GPS监监控系统统除主控站外均无人值值守，各站 间采用现代化的通讯网络联系，在原子钟和计算机的 精确控制下，各项工作实现高度的自动化和标准化。 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 三、用户部分 主要由GPS接收机构成。 (一) GPS接收机的基本结结构： 天线线：带带前置放大器，将接收到的GPS
10、卫星无线电信号进行放大； 信号处处理器：用于信号识别识别 和处处理； 微处处理器：用于接收机的控制、数据采集和导导航计计算 用户户信息传输传输 ：包括操作板、显显示板、数据存储储器； 振荡荡器：用于产产生精密的标标准频频率； 电电源：为为接收机工作提供电电源 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 三、用户部分 主要由GPS接收机构成。 (二) GPS接收机的分类类： 按用途分类类： 导导航型：用于运动动目标标的导导航，精度是米级级，如RTD（ 实时实时 差分）GPS 测测量型：用于高精度的定位测测量和位移监测监测 ，精度可 达厘米甚至更高，如RTK（实时实时 相位差分）GPS 授时时
11、型：专专用于时间测时间测 定和频频率控制 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 三、用户部分 主要由GPS接收机构成。 (二) GPS接收机的分类类： 按载载波频频率分类类： 单频接收机：只能接收载波L1对应的调制波 双频接收机：能同时接收载波L1， L2对应的调制波 其他分类类： 按信号波道跟踪GPS信号方式分为为平行、序贯贯、多重跟 踪式 按照处处理信号的方式分为为平方型、码码相位型和相关型 。 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 三、用户部分 主要由GPS接收机构成。 (三) 常用国内外GPS接收机一览览 第一节第一节 全球定位系统概述全球定位系统概述 名称生产产厂
12、家产产地 TrimbleTrimble（天宝）公司美国 AshtechMagellan（麦哲伦伦）公司美国 Leica WildLeica（徕徕卡）公司瑞士、美国、德国 ScorpioThales（泰雷兹兹）公司法国 南方南方测绘仪测绘仪 器有限公司中国 中海达中海达测绘仪测绘仪 器有限公司中国 华测华测华测华测 上海导导航技术术有限公司中国 麦哲伦伦315手持GPS 第二节第二节 GPSGPS定位原理定位原理 本世纪初，随着无线电技术的出现，各种无线电导航、定位 系统相继出现，如欧米伽(omega)系统，罗兰-C(loran-C)系统、 台卡(Tacan)系统和微波着陆系统(MLS)等。无线
13、电导航定位的基 本原理实质上就是测量学中的多点测距前方交会，由于定位过程 中存在着信号传播路径、气象元素覆盖面小等问题，难以获得理 想精度。 第二节第二节 GPSGPS定位原理定位原理 受无线电导航定位系统的启发，1957年苏联发射第一颗卫星 后，人们立刻把目光投向了以卫星为发射无线电波源的卫星定位 系统。 1958年，美国海军武器实验室着手实施为美国海军舰艇导航 服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”(Navy Navigation Satellite SystemNNSS)，历时历时 8年，1964年系统统建成，1967 年，美国政府批准系统解密，提供民用。 第二节第二节 GPSGPS定位
14、原理定位原理 由于NNSS采用多普勒原理定位，因此又称卫星多普勒定位。 由于NNSS系统卫星数少(56颗)，运行较低(平均约1000km)。定 位时间长(平均12天)，因此无法提供实时、三维导航，难以满 足高动态目标(如飞机、导弹)导航的要求，精度也低(单点35m ，相对1m)，因而，在地球定位中受到很大限制，但NNSS导航定 位思想方法基础却是划时代的。 第二节第二节 GPSGPS定位原理定位原理 一、基本概念 1、高电电平：在数字逻辑电逻辑电 路中，将电电路输输出电压电压 在5V并维维 持一个单元时间，定义为“1”。 2、低电电平：在数字逻辑电逻辑电 路中，将电电路输输出电压电压 在0.3
15、5 0.00V并维维持一个单单元时间时间 ，定义为义为 “0”。 3、二进进制数字码码序列：将高、低电电平按照时间顺时间顺 序连续连续 排 列构成的离散数字序列，也称为码。 第二节第二节 GPSGPS定位原理定位原理 一、基本概念 4、码码元（也称比特，即bit）：二进进制数字码码序列中的一个 电平二进制数。 每秒传送的码元个数称为数码率。 5、调调制：将低频频信号（不仅仅是二进进制数字码码序列信号，也可 以是不规则的人的声音信号、音乐信号）“装载”到高 频电磁波的过程。 6、解调调：从带带有高频电频电 磁波载载波信号中解译释译释 放出 原信号的过程。 第二节第二节 GPSGPS定位原理定位原
16、理 一、基本概念 7、二进进制随机序列有3个特点： （1）该序列是非周期性序列，不能预先确定，不能 复制。 （2）每一码元的二进制值非“0”即“1”完全随机 ，换句话说，序列中“1”和“0”出现的概率为 1/2。这这种码码元幅值值是完全无规规律的码码序列，称为为 随机码码序列，也称随机噪声码序列。 （3）具有良好的相关性。其相关函数定义为： 第二节第二节 GPSGPS定位原理定位原理 一、基本概念 8、随机码码：凡是具有3个特点的二进进制数字码码序 列的码。 根据自相关函数的值，可以判断结构与码元值 完全相同的两个随机序列是否已经对齐。 利用随机码自相关函数值判断卫星至接收机之 间的信号延迟的码元数量是确定卫星至接收机之间 距离的理论基础。 第二节第二节 GPSGPS定位原理定位原理 一、基本概念 9、伪伪随机码码：凡是具有周期性的而又有良好自相关 特性的数字码。 10、伪伪
