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1、卫 星 导 航 系 统http:/ GPS系统与信号 2本章内容安排GPSGPS系统组成及各部分的作用系统组成及各部分的作用GPSGPS卫星导航电文卫星导航电文GPSGPS卫星在轨位置计算卫星在轨位置计算GPSGPS技术展望技术展望3GPS系统组成及各部分作用地面监控系统地面监控系统卫星卫星用户用户4GPS系统组成及各部分作用GPSGPS卫星轨道和星座卫星轨道和星座 GPSGPS系统卫星星座基本参数：系统卫星星座基本参数：卫星数（颗）卫星数（颗）21+321+3轨道数（个）轨道数（个）6 6倾角倾角55轨道平面间距轨道平面间距6060运行周期运行周期11h58min11h58min卫星轨道高度
2、（卫星轨道高度（kmkm）2020020200 GPS卫星星座5GPS系统组成及各部分作用GPS卫星24小时的运行轨道图6GPS系统组成及各部分作用GPS星座的卫星分布7GPS系统组成及各部分作用lGPSGPS卫星作用卫星作用接收、存储导航电文接收、存储导航电文生成并发送用于导航定位的信号生成并发送用于导航定位的信号接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途其他特殊用途l主要设备主要设备太阳能电池板太阳能电池板原子钟（原子钟（2 2台铯钟、台铯钟、2 2台铷钟）台铷钟）信号生成与发射装置信号生成与发射装置 8GPS系统组成及各部分作用GPSGPS地面监控系统地面监控系统空
3、间段注入站监测站主控站主控站：主控站：1 1个个; ; 监测站：监测站：6 6个个; ;注入站：注入站：4 4个个; ; 通讯与辅助系统。通讯与辅助系统。9GPSGPS系统组成及各部分作用系统组成及各部分作用Kwajalein AtollUS Space CommandHawaiiAscension Is.Diego GarciaCape Canaveral注入站注入站主控站主控站监测站监测站10GPS系统组成及各部分作用n主控站主控站 管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫测站的数据，编制导
4、航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指星，监控卫星状态，向卫星发送控制指 令；卫星维护与异常令；卫星维护与异常情况的处理。情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。n监测站监测站 接收卫星数据，采集气象信息，实时监测卫接收卫星数据，采集气象信息，实时监测卫 星，星，并将收集到的数据传送给主控站。并将收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、科罗拉多州法尔孔空军基地、阿松森群岛地点：夏威夷、科罗拉多州法尔孔空军基地、阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）、卡瓦加兰（太平洋）。（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）、卡瓦加兰（太平
5、洋）。n注入站注入站 将导航电文注入将导航电文注入GPSGPS卫星。卫星。 地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度 洋）、洋）、卡瓦加兰卡瓦加兰 （太平洋）。（太平洋）。11GPS系统组成及各部分作用地面监控系统框图12GPS系统组成及各部分作用用户设备用户设备各种型号的各种型号的GPSGPS接收机接收机13GPS系统组成及各部分作用接收机分类（用途）接收机分类（用途）车载型车载型用于车辆导航定位；用于车辆导航定位；航海型航海型用于船舶导航定位；用于船舶导航定位；航空型航空型用于飞机导航定位用于飞机导航定位; ;星载型星载型用于卫星导航定位用于
6、卫星导航定位; ;测地型测地型用于大地测量。用于大地测量。14GPS系统组成及各部分作用接收机分类（载波频率）接收机分类（载波频率）单频接收机：单频接收机只能接收单频接收机：单频接收机只能接收L1L1载波信号，不载波信号，不能消除电离层误差能消除电离层误差; ;双频接收机：双频接收机可以同时接收双频接收机：双频接收机可以同时接收L1L1、L2L2载波载波信号。利用不同频率对电离层延迟的差别，可以信号。利用不同频率对电离层延迟的差别，可以 消除电离层延迟的影响消除电离层延迟的影响 。单频接收机双频接收机15GPS系统组成及各部分作用接收机分类（通道数）接收机分类（通道数）多通道接收机多通道接收机
7、序贯通道接收机序贯通道接收机多路多用通道接收机多路多用通道接收机 内置SiRF第三代20通道高灵敏度接收机16GPS系统组成及各部分作用接收机分类（工作原理）接收机分类（工作原理）码相关型接收机：利用码相关技术得到伪距观测码相关型接收机：利用码相关技术得到伪距观测 值；值；平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值；相位差，测定伪距观测值；混合型接收机：
8、综合上述两种接收机的优点，既可混合型接收机：综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值；以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值；干涉型接收机：将干涉型接收机：将GPSGPS卫星作为射电源，采用干涉卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。测量方法，测定两个测站间距离。 17GPS系统组成及各部分作用GPSGPS接收机结构接收机结构天线单元：包括接收天线和前置放大器。对天线的天线单元：包括接收天线和前置放大器。对天线的性能要求有：高增益、低噪声系数、大的动态范围性能要求有：高增益、低噪声系数、大的动态范围等；等；接收单元：接收信号并处理，计算需要的信
9、息；接收单元：接收信号并处理，计算需要的信息；通道单元：包括码延迟锁定环（通道单元：包括码延迟锁定环（DLLDLL）和载波相位）和载波相位锁定环（锁定环（PLLPLL）；）；计算和显示单元：根据采集到的信息，计算和显示计算和显示单元：根据采集到的信息，计算和显示三维坐标和速度；三维坐标和速度；存储单元：用于存储输入的各种数据存储单元：用于存储输入的各种数据; ;电源：提供接收机需要的电能。电源：提供接收机需要的电能。18GPS卫星信号 GPS GPS信号包括三种信号分量：信号包括三种信号分量：载波、测距码和数据载波、测距码和数据码码( (导航电文导航电文) )。时钟频率。时钟频率 f f0 0
10、 =10.23MHz=10.23MHz，利用频率综合器产生所，利用频率综合器产生所需要的频率。需要的频率。 GPS信号构成19GPS卫星信号载波（载波（L L波段）波段）L1L1载波：载波： ，波长，波长 ；L2L2载波：载波： ，波长，波长 。 载波信号载波信号L1L1上调制有上调制有P P码、码、C/AC/A码及码及D D码；码；而载波信号而载波信号L2L2上只调制上只调制P P码和码和D D码。其信号结构为：码。其信号结构为： 20GPS卫星信号C/AC/A码码（Coarse/Acquisition CodeCoarse/Acquisition Code） 由由M M序列优选对组合码形成
11、的序列优选对组合码形成的GoldGold码（码（G G码）码）码率：码率：1.023MHz1.023MHz；周期：周期：1ms1ms；1 1周期含码元数：周期含码元数：10231023；码元宽度：码元宽度：293.05m293.05m；仅被调制在仅被调制在L1L1上；上；码长很短，可以在一秒钟搜索一千次，所以码长很短，可以在一秒钟搜索一千次，所以C/AC/A码除了用于捕获卫星信号和提供伪距观测量外，码除了用于捕获卫星信号和提供伪距观测量外，还可以过渡到捕获还可以过渡到捕获P P码。码。21GPS卫星信号C/A码构成原理图C/A码产生22GPS卫星信号P P码（码（Precise CodePre
12、cise Code）由两个伪随机码相乘构成；由两个伪随机码相乘构成； 码率：码率：10.23MHz10.23MHz；周期：周期：7 7天；天；1 1周期含码元数：周期含码元数：61871040000006187104000000；码元宽度：码元宽度：29.30m29.30m；被调制在被调制在L1L1和和L2L2上。上。C/A码和P码23导航电文（D码）GPS卫星信号电文结构电文结构24GPS卫星信号电文内容电文内容25GPS卫星信号参 数位 数标度因子LSB有效范围单 位 数据龄期 IODE8轨道半径正弦谐波校正项的幅值 Crs16a2-5米长半轴的平方根值 16a2-43半圆基准时间的平近点
13、角 M032a2-31半圆升交距角余弦谐波校正项的幅值 Cuc16a2-29弧度轨道的偏心率 e322-330.03无量纲升交距角正弦谐波校正项的幅值 Cus16a2-29弧度平均运动修正量 322-19星历的基准时间 t tococ1624604784s倾角余弦谐波校正项的幅值 Cic16a2-29弧度近地点角 32a2-31半圆倾角正弦谐波校正项的幅值 Cis16a2-29弧度在基准时间的倾角 I032a2-31半圆轨道半径余弦谐波校正项的幅值 Crc16a2-5米在基准时间轨道平面的升交点经度 32a2-31半圆升交点赤经变化率 24a2-43半圆/s倾角变化率 14a2-43半圆/s2
14、6GPS卫星信号GPS卫星信号产生27GPS卫星信号信号功率 S50 bps 导航电文(1)1.023MHz PRN 码 (1)1575.42MHz L1 载频载波相位（弧度）Thermal Noise-174dBm/Hz调制C/A码的L1信号28SPSSPS与与PPSPPSlSPS SPS ： 标准定位服务，使用标准定位服务，使用C/AC/A码，民用码，民用lPPS PPS ：精密定位服务，可使用：精密定位服务，可使用P P码，军用码，军用SASA技术技术l选择可用性（选择可用性（Selective Availability Selective Availability ）：人为降低）：人为
15、降低普通用户的测量精度。普通用户的测量精度。l方法方法技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）AS AS Anti-Spoofing Anti-Spoofingl反电子欺骗：反电子欺骗：P P码加密，码加密，P+WP+WY Y美国政府于美国政府于19911991年年7 7月月1 1日实施日实施SASA技术，技术，20002000年年5 5月月2 2日解除日解除 SA技术GPS卫星信号29GPS卫星信号SA对定位精度的影响30GPS卫星在轨位置计算aa(1-e2)SP卫星轨道31GPS卫星
16、在轨位置计算卫星运行的平均角速度卫星运行的平均角速度首先按下式计算首先按下式计算 然后，根据电文给出的摄动改正数然后，根据电文给出的摄动改正数 ，计算经，计算经摄动改正后的平均角速度摄动改正后的平均角速度 32GPS卫星在轨位置计算计算归元化观测时间计算归元化观测时间 电文中给出的电文中给出的GPSGPS卫星轨道参数是对应于参考时刻卫星轨道参数是对应于参考时刻t toeoe的。因此，于某时刻的。因此，于某时刻t t 观测卫星，需将观测时间观测卫星，需将观测时间t t归化归化为为t tk k t tk k t t t toeoe 式中式中 t tk k称作以参考时刻称作以参考时刻 t toeoe
17、为基准的规划观测时间。为基准的规划观测时间。 在计算在计算t tk k时，应注意时，应注意t toeoe是由每星期历元（星期六是由每星期历元（星期六/ /星期日星期日子夜零点）开始计量的。当子夜零点）开始计量的。当t tk k302400302400 时，应减去时，应减去604800s604800s。当。当t tk k302400302400时，应加上时，应加上604800s604800s。33GPS卫星在轨位置计算计算观测时刻的卫星平近点角计算观测时刻的卫星平近点角式中式中 为电文中给出的参考时刻为电文中给出的参考时刻 的平近的平近点角。点角。计算观测时刻的偏近点角计算观测时刻的偏近点角根据
18、卫星电文给出的偏心率根据卫星电文给出的偏心率 和算出的和算出的 ，用开普勒方程用开普勒方程进行迭代解算。进行迭代解算。34GPS卫星在轨位置计算计算真近点角计算真近点角 根据根据“二体问题二体问题”公式公式 则则 的计算公式为的计算公式为 或采用下式计算或采用下式计算35GPS卫星在轨位置计算计算升角距角计算升角距角式中式中 为卫星电文给出的近地点角距。为卫星电文给出的近地点角距。计算摄动改正项计算摄动改正项 ， 和和36GPS卫星在轨位置计算计算经摄动改正的升角距角 、卫星矢径 和轨道倾角计算卫星在轨道坐标系的位置轨道坐标系的原点在地球质心， 轴指向升交点方向， 轴指向轨道平面的法线方向，
19、轴与 、 轴构成右手坐标系。卫星在轨道坐标系的位置为37GPS卫星在轨位置计算计算卫星在计算卫星在WGS-84WGS-84坐标系中的位置坐标系中的位置修正后的升交点经度为修正后的升交点经度为式中，式中， 为升交点在为升交点在 时的经度；时的经度； 为赤经变化为赤经变化率；率；为地球自转角速度。为地球自转角速度。将卫星在轨道坐标系的坐标将卫星在轨道坐标系的坐标 ，经坐标转，经坐标转换，算出卫星在换，算出卫星在WGS-84WGS-84坐标系的坐标坐标系的坐标38GPS接收机工作原理GPS接收机工作流程（1 1）对天线接收到的信号进行捕获；）对天线接收到的信号进行捕获；（2 2）跟踪卫星信号以保证连
20、续测距；）跟踪卫星信号以保证连续测距；（3 3）解调导航电文，进行定位解算。）解调导航电文，进行定位解算。 GPS GPS导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定与测与测距、电文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是由距、电文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是由接收机内的微处理器（接收机内的微处理器（CPUCPU）和部分存储器及相关软件）和部分存储器及相关软件来完成的。来完成的。39GPS接收机工作原理GPS接收机基本功能结构图40GPS技术展望现行现行GPSGPS系统的不足系统的不足1.1.Block A GPSBlock A GPS信号极其微弱，几乎信号
21、极其微弱，几乎淹没在背景噪声之下，更不能穿透淹没在背景噪声之下，更不能穿透钢筋混凝土而进入地下，并被建筑钢筋混凝土而进入地下，并被建筑物挡住，产生多路径效应。物挡住，产生多路径效应。2.2.调制于调制于L1L1载波上的载波上的C/AC/A码和码和P P码都位码都位于于L1L1的中心频带，易受人为干扰。因为对的中心频带，易受人为干扰。因为对P P码的捕码的捕获和跟踪需要以捕获获和跟踪需要以捕获C/AC/A码为基础，这样，如果干码为基础，这样，如果干扰扰C/AC/A码的接收，也就等效于码的接收，也就等效于P P码也受到干扰。码也受到干扰。多路径效应41GPS技术展望3.3.民间用户难以同时获得民间
22、用户难以同时获得L1-PL1-P码伪距和码伪距和L2-PL2-P码伪距，无法码伪距，无法实现实现GPSGPS双频观测的电离层效应距离偏差改正，限制了双频观测的电离层效应距离偏差改正，限制了GPSGPS单点定位精度的提高。单点定位精度的提高。4.4.GPSGPS的系统组成和信号结构都不能满足当前的需要。在的系统组成和信号结构都不能满足当前的需要。在中低纬度地区，每天总有两次盲区，每次盲区历时中低纬度地区，每天总有两次盲区，每次盲区历时20-20-30min,30min,给导航和定位带来很大的误差。给导航和定位带来很大的误差。5.5.为了确保导航定位的精度，为了确保导航定位的精度，GPSGPS的卫
23、星导航电文必须每的卫星导航电文必须每天更新一次，地面监控系统担负着编算和注入导航电文天更新一次，地面监控系统担负着编算和注入导航电文的重要任务，一旦地面监控系统被破坏，军用和民用用的重要任务，一旦地面监控系统被破坏，军用和民用用户都不能得到高精度的户都不能得到高精度的GPSGPS导航定位服务。导航定位服务。42GPS技术展望 国际上新的技术和系统不断出现，国际上新的技术和系统不断出现，GPSGPS面临的竞争日益加面临的竞争日益加剧，剧，尤其是俄罗斯尤其是俄罗斯 GLONASS GLONASS系统和欧洲系统和欧洲GALILEOGALILEO计划对美国产生的计划对美国产生的压力不断增长，也对压力不
24、断增长，也对GPSGPS一统天下的局面一统天下的局面 提出了挑战。提出了挑战。 GPS GPS在最近几次局部战争中的成功应用和新近出现的信在最近几次局部战争中的成功应用和新近出现的信息息战学说已经改变了美国军方此前对战学说已经改变了美国军方此前对GPSGPS的一些看法，他们普遍的一些看法，他们普遍认为，认为，GPSGPS所提供的定位和授时资源，不仅可用于航行保障、所提供的定位和授时资源，不仅可用于航行保障、交通运输，而且对战争中的目标瞄准、精确制导、指挥控制和交通运输，而且对战争中的目标瞄准、精确制导、指挥控制和通信、战场救援等方面同样极其重要。通信、战场救援等方面同样极其重要。未来导航战的需
25、要其它卫星导航系统的发展成熟43GPS现代化提高提高GPSGPS定位和授时精度定位和授时精度提高信号可用性提高信号可用性完好性监测能力完好性监测能力提高信号的抗干扰能力提高信号的抗干扰能力44GPS现代化改进时间GPS现代化内容第一阶段(2005)发射5颗Block R-M卫星,L1加M码，L2加C/A、M第二阶段(2006-2016)发射Block F卫星(24+3),L1加M，L2加C/A、M，L5第三阶段2016-2036发射GPS block 卫星,增强L1加M，L2加C/A、M，L5Block I (1978-1985)Block II & IIA (1989-1997)Block
26、IIR & IIR-M (1997-200x)Block IIF (200x .)l提高卫星寿命l提高定位精度l增强抗干扰能力45GPS现代化第三代GPS卫星导航系统:满足长期高性能的目标限制长期高投入满足军事和民用的需求增加用户选择信号的灵活性保证未来三十年美国仍然拥有世界上最好的卫星导航系统第二民用信号第二民用信号空间用户服务空间用户服务第三民用信号第三民用信号1 ON 3menu 2Rockwell 4 5 6 7 WPT 8 POS 9 NAV CLRMARK 0 OFF NUM LOCKFIX FOM 1N 42* 01” 46.12”W 091* 38 54.36”EL + 00862 ft ZEROIZEM码码GPS46
