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1、GPSGPS原理及其应用原理及其应用( (武汉武汉大学大学)04)04GPS原理及其应用原理及其应用第二章第二章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2.2 GPS卫星的信号结构卫星的信号结构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）L1L2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
2、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
3、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：19.03cmL2 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：25.48cm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
4、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
5、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测距码测距码类型类型目前目前C/A码（码（Coarse/Acquisition Code） 粗码粗码/捕获码；捕获码；码率：码率：1.023MHz；周期：；周期：1ms；1周期含码元数：周期含码元数：1023；码元宽度：；码元宽度：293.05m；仅被调制在；仅被调制在L1上上P（Y）码（）码（Precise Code） 精码；码率：精码；码率：10.23
6、MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含码元数：周期含码元数：6187104000000；码元宽度：；码元宽度：29.30m；被调制在；被调制在L1和和L2上上现代化后现代化后在在L2上调制上调制C/A码码在在L1和和L2增加调制增加调制M码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全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及
7、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
8、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 URATGD 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）全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及
9、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
10、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全球定位系统的组成及信号结构全球定位系
11、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”表示二进表示二进制制“1”，则，则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
12、的调制二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制调频调频FM调幅调幅AM调相调相PM注注：其其它它调调制制方方式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
13、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轴旋转轴旋转- 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
14、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全球定位系统的组成及信
15、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
16、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 3
17、24.533285P 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 -6520.8208
18、72 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 7 189
19、39.291158 -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 结束结束
