GPS原理及其应用PPT电子课件教案-第3章_全球定位系统的组成及信号结构.ppt

2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所1 gps原理及其应用 主讲：李征航 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所2 第3章 全球定位系统的组 成及信号结构 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所3 3.1 gps坐标和时间系统 4 gps坐标和时间系统 gps坐标系统 1984年世界大地坐标系（wgs-84 world geodetic system） gps时间系统 gps时（gpst） 秒长：原子时秒长 计时方法：gps周 + 周内秒数（tow），每周以周日 零时为起点 时间起点：1980年1月6日0时（在该时刻与utc同步） 其他特点：无跳秒 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所5 3.2 全球定位系统的组成 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所6 全球定位系统组成概况 7 gps的组成 空间部 分 地面监 控部分 用户部 分gps 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所8 空间部分 9 gps的空间部分 构成：由gps卫星所组成的gps卫星星座 gps设计星座 卫星设计数量： 21颗工作卫星 3颗活动的备用卫星 轨道面数量：6 平均轨道高度：20200km 轨道倾角：55 轨道周期：11h 58min 当前卫星数量：32 10 gps设计星座轨道面及卫星配置 11 gps卫星的结构及作用 用于导航定位的有效载荷 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置 作用 接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载 波上的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等 12 gps卫星的类型 试验卫星：block 工作卫星：block block ：存储星历能力为14天，具有sa和as的能力 block a （advanced）：卫星间可相互通讯，存储星 历能力为180天，svn35和svn36带有激光反射棱镜 block r （replacement/replenishment）：卫星间可 相互跟踪和通信 block iir-m：可发射l2c和m码 block f（f:follow on）：新一代的gps卫星,增设第 三民用频率（1176.45mhz），2010年5月28日，首颗 gps iif 卫星发射成功，8月27日正式投入使用。 13 gps卫星的类型 block iir block iia block iia block iir block iif block iir 14 当前的gps卫星星座情况(2010-10-15) gps星座的组成情况 15 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所16 地面监控部分 17 gps地面监控部分的组成 主控站：1个 监测站：17个 注入站：3个 通讯与辅助系统 18 gps地面监控部分的分布 tahiti 塔希提岛 alaska 阿拉斯加 usno 海军天文台 south frica 南非 bahrain 巴林 united kingdom 英国 australia 澳大利亚 new zealand 新西兰 south korea 韩国 ecuador 厄瓜多尔 argentina 阿根廷 gps monitor stations nga site (5) nga site (6) usaf site (6) hawaii 夏威夷 coloradosprings 科罗拉多 泉城 ascension 阿松森岛 diego garcia 迭戈加西亚 cape canaveral 卡纳维拉尔角 kwajalein 卡瓦加兰 19 主控站 地位 地面监控系统的行政管理中心和技术中 心 作用 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 卫星维护与异常情况的处理 地点 美国科罗拉多州联合空间工作中心 20 监测站 地位 无人值守数据自动采集中心 作用 对gps卫星进行跟踪观测 记录气象数据 将上述观测数据传送到主控站 地点 全球共17个监测站，6个为美国空军的监测站，分别位 于： 科罗拉多泉城、卡纳维拉尔角、夏威夷、阿松森群岛 、迭戈加西亚和卡瓦加兰 21 注入站 地位 地面监控系统与卫星进行通讯的设 施 作用 向卫星输入导航电文和其他指令 地点 迭戈加西亚、阿松森群岛、卡瓦加 兰 22 通讯和辅助系统 作用 负责地面监控系统各部分间的数据传送 提供其他辅助服务 组成 地面通讯网络 海底电缆 卫星通讯网络 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所23 用户部分 24 用户部分的组成 组成 用户 接收设备 接收设备 gps信号接收机 其它仪器设备 25 gps接收机的作用和组成 作用 接收、处理、量测gps卫星 信号，进行定位、测时和授 时等工作 基本组成单元 天线单元 接收单元 天线单元 接收单元 26 天线单元的组成及类型 组成 天线 前置放大器 类型 单极天线 微带天线 锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线 空间螺旋天线 背腔平面盘旋天线 27 天线相位中心偏差 天线平均相位中心 相位中心的偏差 天线平均相位中心与天线 参考点之间的差异 相位中心偏移的消除 归心改正 消去法 l2的平 均相位 中心 1 2 l1的平 均相位 中心 r1 r2 归心改正 天线参考点 天线平均相位中心 消去法 28 天线高 天线高 标志至平均相位中心所在 平面的垂直距离 h h h h h r 29 接收单元 接收单元的组成 信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所30 3.3 gps卫星的信号结构 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所31 gps卫星信号的成分 32 gps卫星信号的成分 载波 可运载调制信号的高频振荡波 l1，l2, l5 测距码 用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码 c/a码（目前只被调制在l1上），p(y)码（被分别调制 在l1和l2上） 导航电文 由gps卫星向用户播发的一组反映卫星空间位置、工作 状态、卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据 的二进制码 33 gps卫星信号的成分 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所34 载波 35 载波的作用和类型 作用 搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移 类型 目前 l1 频率： 154f0 = 1575.43mhz；波长：19.03cm l2 频率： 120f0 = 1227.60mhz；波长：24.42cm l5 频率： 115f0 = 1176.45mhz；波长：25.48cm 36 gps载波信号的特点 有利于测定多普勒频移 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（电离层折射延迟于信号的频率有关） 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所37 测距码 38 测距码的作用和性质 作用 测距 性质 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 系数为0或1/n（n为码元数） 对齐的同一组码间的相关系数为1 1.基本知识 随机噪声码 ：在组成一组二进制码序列时，每一位 数到底是取0还是1完全是随机的。 伪随机噪声码：伪随机噪声码也称伪随机码，是按 照一定规律编排起来的可以复制的周期性序列，故被 用于进行测距。 39 伪随机码进行模二相加时的规则： 40 矩形波相乘的规则： 二进制码的信号波形表示法 41 2 m序列 42 m序列是由一组线性反馈移位寄存器产生的。 43 3 c/a码 名称 粗码/捕获码 码率 1.023mhz 周期 1ms 1周期含码元数 1023 码元宽度 293.05m 调制载波 l1 作用 捕获卫星信号 粗略测距 c/a码的产生 g1码的产生： 将第3级和第10级寄存器中 的内容进行模二相加后反 馈给第一级寄存器 g2码的产生 将第2、3、6、8、9、10级 寄存器中的内容求模二和 ，然后再将结果反馈给第1 级寄存器 44 g1码 + g2码 = c/a码 4 p码 名称 精码（precise code） 码率 10.23mhz 周期 7天 1周期含码元数 6187104000000 码元宽度 29.30m 调制载波 l1和l2 45 p码由x1和x2i两个二进制码序列模二相加后产生 的 x1码的产生： x1a 码 1+x6+x8+x11+x12 x1b码 1+x1+x2+x5+x8 +x9+x11 46 p码的产生 x2i码的产生 由x2a和 x2bi两个子序列模二相加后形成 x2a 多项式 1+x1+x2+x3+x4+x5+x7+x8+x9+x10+x11+x12 x2b 多项式 1+x1+x2+x3+x4+x8+x9+x12 47 p码的作用 p码的码速率为c/a码的10倍 码元宽度为c/a码的1/10 可以较精确地测定从接收机至卫星的距离 也被称为精码。 48 5 y 码 49 原因 防止敌对方对美国军方用户进行电子欺骗和电子干扰 产生方法 将p码与w码进行模二相加，以代替p码 6 l2c码 50 属性 码名称 码速率周期 l2 cm511.5 kbps20 ms l2 cl511.5 kbps1.5 s l2c码的码速率为1.023 mbps,由l2 cm码和l2 cl码组成。 各gps卫星在生成l2 cm码和l2 cl码时所设置的初始状态 51 7 l5码 频率 1176.45 mhz 码速率 10.23 mbps 码元宽度 29.3 m 52 首颗block iif卫星已正式运行，搭载 l5频率的民用信号 l5码的生成 由两个相互正交的分量组成： 同相分量： i5码 （ xa码 + xbii码 ） 正交分量：q5码 （ xa码 + xbqi码 ） xa码特征多项式：1+x9+x10+x12+x13 xbi 、xbq码特征多项式： 1+x1+x3+x4+x6+x7+x8+x12+x13 53 不同的xbii 和xbqi 码所用的初始状态 54 8 军用码（m码） 供美国军方使用的保密码，其 生成方法及码的结构不对外公 开 优点： 信号捕获更加快捷、稳定 抗干扰力更强 有利于使用基于信息的通信协议 55 block iir-m 卫星 各种测距码的信号功率谱 56 57 现代化后测距码的变化 在l2上调制c/a码 在l1和l2增加调制m码（军用码） 增加第三民用频率，即l5频道 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所58 导航电文 59 导航电文的作用及基本结构 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 基本结构 字（30bit）、子帧（10个字）、主帧（5个子帧）、导 航电文（25个主帧） 60 导航电文的内容 61 导航电文的内容 第一数据块 第1子帧的第310个字 内容： 遥测字 第1子帧的第1个字 交接字 第1子帧中的第2个字 wn gps周 l2所调制测距码标识符 “10”表示c/a码，“01”表示p(y)码 n ura指数 sv health 卫星健康状况 tgd 信号l1和 l2信号的群延之差 星钟数据龄期aodc 卫星钟误差系数af 0（钟偏），af 1（钟速），af2（钟漂） tr 子帧1中一些重要参数所占的比特数及其单位 62 参数所占比特数单位 t gd 8*2-31秒 toc16*24 秒 af0 22*2-31秒 af1 16*2-43秒 af2 8*2-55秒 导航电文的内容 63 导航电文的内容 第二数据块 第2、3子帧的第310个字 内容 该信号所属卫星的星历 广播星历 导航电文的内容 (1)卫星轨道的不同表示方法 直接给出不同历元卫星在空间的位置 以及运动速度igs精密星历 collocation法 bernese 5.0版 用开普勒轨道根数及其变化率来描述 广播星历 64 导航电文的内容 (2)人卫轨道理论简介 作用在卫星上的外力 地球对卫星的万有引力 地球万有引力（1）、地球万有引力（2） 日、月对卫星的万有引力 大气阻力 太阳光压力等 人卫正常轨道与轨道摄动 正常轨道 只考虑卫星在地球万有引力（1）的作用下的卫星椭圆轨道 轨道摄动 真实轨道与正常轨道之差 65 导航电文的内容 (2)人卫轨道理论简介 开普勒轨道根数 升交点赤经 轨道倾角 i 长半径（或长半轴）a 偏心率 e 近地点角距 卫星过近地点的时刻 t0 66 67 开普勒轨道根数 升交点赤经 定义：升交点的赤 经 轨道倾角i 定义：在升交点处 轨道正方向（卫星 运动方向）与赤道 正方向（赤经增加 方向）之间的夹角 。 长半径a 定义：轨道长轴的 一半，也称作长半 轴或半长轴 偏心率e 定义： 近地点角距 定义：从升交点的 地心矢径起算，逆 时针方向（从 正 方向看）旋转至近 地点的地心矢径所 经过的角度。 卫星过近地点的 时刻t0 导航电文的内容 (3)子帧2和子帧3中包含的参数 星历参考时刻toe时的轨道根数 平近点角 m0 轨道偏心率 e 轨道长半径的平方根 轨道倾角 i0 近地点角距 0=t0e gast（t0） 68 (3)子帧2和子帧3中包含的参数 9个轨道摄动参数 平均角速度 n的改正值 n 升交点赤经 的变化率 轨道倾角i 的变化率 升交距角u 的余弦及正弦调和改正项的振幅 cuc,cus 轨道倾角i 的余弦及正弦调和改正项的振幅 cic,cis 卫星至地心的距离 r的余弦及正弦调和改正项的振幅 crc,crs 其它参数 toe 和 iode、aode 导航电文的内容 69 70 导航电文的内容 第三数据块 第4、5子帧的第310个字 内容： 卫星历书（概略星历） 卫星的健康状况 as标识及卫星类型标识 表示gps时与utc之间的关系的参数 电离层改正参数 第三数据块的内容每12.5分钟重复一次 导航电文的内容 (1)卫星历书 主要作用 制定观测计划 可见的卫星数及反映图形强度的dop数 有利于快速捕获卫星信号 (2)卫星的健康状况 8比特的卫星健康状况参数 6比特的卫星健康状况参数 71 导航电文的内容 72 前3个比特含义 000全部资料均无问题 001奇偶检验 有问题 (部分或全部) 010tlm/how有问题 (如前导不正确等)，但不全z计数出错 011how码中的z计数出错 100子帧1、2、3中第310个字中存在错误 101子帧4、5中第310个字中存在错误 110上传资 料中有错误 (任一子帧第310个字中存在错误 ) 111全部电文(含卫星自己生成的tlm、how在内)中有一个或多个错误 8比特卫星健康状况参数中前3个比特的含义 前3个比特反映 导航电文的健 康状况 后5个比特主要反映载波、测距码方面的问题 导航电文的内容 (3) as标识及卫星类型标识 第1个比特为as标识 1 卫星在实施as 0 卫星不实施as 后3个比特表示卫星类型 001 block ii、iia或iir卫星 010 block iir-m卫星 011 block iif卫星 73 导航电文的内容 (4) 表示gps时与utc关系的参数 gps时与utc的两个差异 utc有跳秒，不连续； gps时不跳秒，连续 存在细微的差别 a0 + a1t 来拟合； 74 参数占用比特数单位 a032*2-30 s a124*2-50 s/s t ls 8*1 s tot8212 s w n t81星期 wnlsf81星期 dn81天 t lsf 8*1 s 表示gps时与utc之差的参数的相关情况 表中参数的作用 求得任一时刻的tgps-tutc 告诉用户目前的跳秒数值以 及跳秒发生的时间 导航电文的内容 计算tgps - tutc的三种公式 跳秒还未发生，且离跳秒时间大于6小时 tgps - tutc =tutc tls a0 a1tgpstot604800( wn wnt ) t位于跳秒前后6小时的时间段内 tutc = w w = (tgps tutc 43200) （模为86400秒）+43200（秒） 位于跳秒6小时以后 公式同，但tlsf 要减去tls 75 导航电文的内容 (5) 电离层改正参数 第4子帧第18页 0,1,2 ,3 ,0 ,1 ,2 ,3 76 参数单位参 数 单位 02-30 s0211 s 12-27 s/1801214 s/180 2 2-24(s/180)22216(s/180)2 32-24(s/180)33216(s/180)3 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所77 3.4卫星信号的调制 78 模二和 运算规则 二进制信号的模二和 “1”表示二进制“0”，“-1”表 示二进制“1”，则 79 二进制信号的相位调制 调制方法 80 卫星信号的调制示意图 81 卫星信号的调制原理 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所82 3.5 gps卫星位置的计算 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所83 广播星历参数详解 84 星历参数详解 85 星历参数详解 86 星历参数详解 87 星历参数详解 88 星历参数详解 89 星历参数详解 2010 武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所90 由广播星历计算卫星位置 91 计算思路 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x轴旋转-i角、绕z轴 旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标 轨道平面坐标系轨道参数 92 93 计算过程 计算卫星运行的平均角速度 计算t时刻卫