03 第3讲 全球定位系统组成及信号结构.pptx

第1页：第三章全球定位系统的组成及信号结构

第三章 全球定位系统的组成及信号结构

• 全球定位系统的组成
• GPS卫星信号结构
• GPS卫星位置的计算

第2页：GPS系统的三大组成部分

§3.1 全球定位系统的组成：GPS系统由三部分组成。

• 空间部分
• 地面控制部分
• 用户设备部分

第3页：

第4页：空间部分与卫星星座参数

1、空间部分

第5页：GPS卫星的作用与主要设备

GPS卫星

作用

接收、存储导航电文；生成并发送用于导航定位的信号（测距码、载波）；接受地面指令进行相应操作；其他特殊用途如通讯、监测核爆等

主要设备

太阳能电池板、原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置

第6页：GPS卫星的类型

GPS卫星类型：

• 试验卫星：Block Ⅰ
• 工作卫星：Block Ⅱ（存储星历能力14天，具有SA和AS能力）
• Block ⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力180天，SVN35和SVN36带有激光反射棱镜
• Block ⅡR（Replacement）：卫星间可相互跟踪相互通讯
• Block ⅡF（Follow On）：新一代GPS卫星，增设第三民用频率

第7页：Block II系列卫星

Block II系列工作卫星：图中给出Block II A、Block II R与Block II F三代GPS卫星的外形。

第8页：地面监控部分的组成

2、GPS的地面监控部分

• 主控站：1个
• 监测站：5个
• 注入站：3个
• 通讯与辅助系统

站点分布：夏威夷、科罗拉多、阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。

第9页：主控站

主控站（1个）

作用

管理、协调地面监控系统各部分的工作；收集各监测站数据，编制导航电文送往注入站；监控卫星状态并发送控制指令；卫星维护与异常情况处理

地点

美国科罗拉多州法尔孔空军基地

第10页：监测站

监测站（5个）

作用

接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集的数据传送给主控站

地点

夏威夷、主控站及三个注入站

第11页：注入站

注入站（3个）

作用

将导航电文注入GPS卫星

地点

阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）

第12页：GPS的用户部分

3、GPS的用户部分

• 组成：用户、接收设备
• 接收设备：GPS信号接收机、其它仪器设备

第13页：GPS信号接收机的组成

GPS信号接收机组成

天线单元

接收天线、前置放大器

接收单元

信号通道、存储器、微处理器、输入输出设备、电源

第14页：GPS信号接收机的分类

GPS信号接收机分类

按用途

导航型接收机、测量型接收机、授时接收机

按接收频率

单频率接收机、双频接收机

第15页：天线单元的类型与特性

天线单元

类型

单极天线、微带天线、锥形（螺旋）天线、背腔平面盘旋天线

天线特性

平均相位中心与几何中心不一致；天线高指标志至平均相位中心所在平面的垂直距离

第16页：天线相位中心与天线高

天线相位中心与天线高：L1与L2具有不同的平均相位中心，天线高 h 由标志量至平均相位中心所在平面，两者之差构成相位中心改正 ΔH。

第17页：GPS接收机厂商

GPS信号接收机厂商：Trimble（天宝）、Leica（徕卡）、NovAtel（诺瓦泰）、Ashtech（阿什泰克）、Topcon（拓普康）、Sokkia（索佳）、南方、中海达、Garmin等。

第18页：Trimble 5700接收机主要部件

Trimble 5700接收机主要部件：天线、主机、手簿。

第19页：Trimble 5700主机组成

Trimble 5700主机组成：由前面板、顶面板、底面板和后面板构成。

第20页：主机按钮与接口

Trimble 5700主机的按钮与指示灯：设有指示灯、闪存卡/USB门扣等部件。

第21页：主机按钮与LED指示灯

Trimble 5700按钮与指示灯：

• 按钮：数据按钮、电源按钮
• 指示灯：记录/记忆LED、卫星跟踪LED、无线电台LED、电池LED

第22页：主机外接接口

Trimble 5700外接接口：可接手簿、事件标记或电脑，外接电源、电脑、1PPS或事件，外接无线电、电源、基准站电台、GPS天线与无线电台。

第23页：内置电池与存储介质

Trimble 5700的供电与存储：内置电池与内置电池舱，配闪存/USB门、USB端口和闪存卡。

第24页：

第25页：南方S86接收机

南方S86：国产双频GPS接收机，主机带液晶显示屏，用于测量型数据采集。

第26页：南方S86按钮与指示灯

南方S86按钮与指示灯：

• 按钮：重置按钮、F1按钮、F2按钮、电源按钮
• 指示灯：TX发射信号灯、RX接收信号灯、BT蓝牙灯、DATA数据传输灯

另配有液晶显示屏。

第27页：南方S86接口说明

南方S86接口：

• (4) 插卡处
• (5) 通讯电缆接口，5针孔
• (6) 通讯/USB接口，7针孔
• (7) 充电器/外接电源接口，4针孔

第28页：

第29页：GPS卫星信号的组成

§3.2 GPS卫星信号结构：GPS卫星发射的信号由三部分组成。

• 载波
• 测距码
• 导航电文

第30页：GPS载波频率与波长

1、载波

作用：搭载其它调制信号、测距、测定多普勒频移。

第31页：载波频率选择的特点

载波频率选择的特点：

• 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减弱信号所受的电离层折射影响
• 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟与信号频率有关）

第32页：测距码的性质

2、测距码

作用

测距

性质

为伪随机噪声码（PRN），随机但可准确复制；不同码（含未对齐的同一组码）间相关系数为0或1/n；对齐的同一组码间相关系数为1

第33页：测距码相关函数R(t)

测距码的相关函数 R(t)：码完全对齐时相关系数取最大值1，错开后迅速衰减，据此搜索并锁定卫星。

第34页：测距码的类型

测距码类型

• 目前：C/A码（Coarse/Acquisition Code，粗码/捕获码）、P（Y）码（Precise Code，精码）
• 现代化后：在L2上调制C/A码，在L1和L2增加调制M码

第35页：C/A码与P码参数

C/A码与P码主要参数：

第36页：GPS信号的频率合成

GPS信号由基准频率10.23MHz合成：÷10得C/A码1.023MHz，×154得L1载波1575.42MHz，×120得L2载波1227.60MHz，P码10.23MHz调制于L1、L2，卫星电文速率为50 BPS。

第37页：导航电文的组成结构

3、卫星导航电文：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及电离层改正等信息。

第38页：导航电文的基本内容

导航电文基本内容：

码速率50 bit/s，每子帧300 bit。

第39页：遥测字与交接字

导航电文字结构

遥测字（TLM）

每一子帧的第1个字，用作捕获导航电文的前导

交接字（HOW）

每一子帧的第2个字，主要内容为Z计数，每子帧给一个计数表示时间

第40页：第一数据块的内容

第一数据块（第1子帧的第3-10个字）：

• WN–GPS周（1-10位）
• L2所调制测距码标识符："10"表示C/A码，"01"表示P(Y)码（11-12位）
• 传输参数N：用户距离误差，代表测距精度（13-16位）
• TGD：信号在卫星内部的时延
• 星钟数据龄期AODC
• 星钟改正参数a₀（钟偏）、a₁（钟速）、a₂（钟漂）

第41页：第二数据块广播星历

第二数据块——广播星历（第2、3子帧）：给出近地点参考时刻等卫星轨道参数，30 s重复一次，2 h更新一次。

第42页：第三数据块历书

第三数据块（第4、5子帧）：给出其余GPS卫星的概略星历及其工作状态，也称为历书。

• 作用：拟定观测计划
• 有利于快速跟踪、锁定卫星

第43页：卫星信号调制的两步

4、卫星信号的调制

• 第一步：首先将导航电文调制在测距码上
• 第二步：然后将组合码调制到载波上

第44页：导航电文调制到测距码

导航电文调制到测距码上：导航电文（50 bit/s）与测距码模二相加，形成组合码。

第45页：载波调制的一般方法

第二步：将组合码调制到载波上

调幅 AM

振幅A随调制信号的变化而变化

调频 FM

载波频率f随调制信号的变化而变化

调相 PM

相位随调制信号的变化而变化

第46页：调频与调幅波形

调频FM（Frequency Modulation）与调幅AM（Amplitude Modulation）的波形对比：前者频率随调制信号改变，后者振幅随之改变。

第47页：GPS卫星信号的二进制调相

GPS卫星信号采用二进制调相法：以码元0、1控制载波相位翻转，实现测距码与导航电文对载波的调制。

第48页：二体问题与无摄轨道

§3.3 二体问题及卫星无摄轨道参数：研究两个质点在万有引力作用下的相对运动问题，在天体力学中称为二体问题。在摄动力作用下卫星的运动称为受摄运动，相应轨道为受摄轨道；理想情况下的卫星轨道称为无摄轨道。

第49页：作用在卫星上的摄动力

除地球中心引力外，其它摄动力包括：

• 地球非球性及质量分布不均（2km/3h）
• 太阳和月亮的引力
• 太阳辐射压力
• 大气阻力
• 地球潮汐作用力
• 磁力

第50页：开普勒第一定律与轨道根数

1、卫星无摄轨道根数——开普勒第一定律（轨道定律）：卫星沿一个椭圆轨道环绕地球运行，地球处于椭圆的一个焦点上。

a

椭圆长半轴

b

椭圆短半轴，也可用偏心率e表示

Ω

升交点赤经

i

轨道倾角

ω

近地点角距

f

卫星真近点角

第51页：轨道根数的几何含义

各轨道根数的作用：a、b描述轨道椭圆形状；Ω、i描述轨道平面在空间的方位；ω描述轨道椭圆在平面内的方向；f确定卫星在轨道上的瞬时位置。

第52页：真近点角的计算

2、真近点角的计算：设卫星运动的平均角速度为n，则平近点角 M = n×(t − t₀)；由开普勒方程解出偏近点角E，进而求真近点角f。

第53页：GPS卫星位置的计算途径

§3.4 GPS卫星位置的计算：

• 根据广播星历计算卫星位置
• 根据精密星历计算卫星位置

第54页：广播星历计算卫星位置的思路

1、根据广播星历计算卫星位置

• 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标
• 将上述坐标分别绕X轴旋转i角、绕Z轴旋转Ω角，求出卫星在瞬时天球坐标系下的坐标
• 将瞬时天球坐标转换到瞬时地球坐标

第55页：轨道平面到地球坐标系的旋转

轨道平面坐标系与地球坐标系的旋转关系：以近地点方向、升交点与春分点为参照，经轨道倾角i与升交点赤经Ω两次旋转实现坐标转换。

第56页：广播星历计算步骤一至三

计算过程：

• 1) 计算卫星运行的平均角速度（由引力常数和长半轴及摄动参数Δn求得）
• 2) 计算t时刻卫星的平近点角（由参考时刻平近点角M₀推求）
• 3) 计算偏近点角（迭代求解开普勒方程）

第57页：广播星历计算步骤四至六

计算过程（续）：

• 4) 计算真近点角 f
• 5) 计算升交距角（未经改正的）
• 6) 计算卫星向径（未经改正的）

第58页：广播星历计算步骤七至九

计算过程（续）：

• 7) 计算摄动改正项
• 8) 进行摄动改正
• 9) 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置

第59页：广播星历计算步骤十至十一

计算过程（续）：

• 10) 计算升交点经度L
• 11) 计算卫星在地球坐标系下的坐标

第60页：精密星历与IGS跟踪站

2、根据精密星历计算卫星位置：精密星历按一定时间间隔给出卫星在地球坐标系下的三维位置、三维速度和钟差，由IGS跟踪站网观测数据解算得到。

第61页：精密星历数据示例

精密星历数据示例（历元 2007 10 13 0 0 0.00000000）：

注：源文件该行为连续数据，坐标按L1/L2精密星历惯例以km为单位切分，钟差列单位原文未标注，人工复核时请以原始文件为准。

第62页：精密星历的内插方法

任意时刻 t 卫星位置的计算：原理为插值法，方法包括拉格朗日插值法、切比雪夫插值法等。

第63页：插值精度与注意事项

拉格朗日多项式内插

内插精度

采用17阶多项式，精度可优于5mm

注意事项

精密轨道数据应完全覆盖待内插时段，最好前后各有9个历元的延伸；下载数据时需取观测当天及前后各一天的数据

第64页：第三章课后作业

作业：

• 简述天球坐标系和地球坐标系的定义和特点
• 简述GPS的系统组成、GPS信号结构
• 画利用广播星历计算卫星位置的流程图，并进行详细解释