(4)第四章08GPS

1、第四章第四章 卫星的导航电文和卫星的信号卫星的导航电文和卫星的信号 基本概念：基本概念： 码：表达信息的二进制数及其组合，如码：表达信息的二进制数及其组合，如 01、11等均可被称作一个码。等均可被称作一个码。 Bit (binary digit) ：一个二进制数称作一：一个二进制数称作一 个个Bit，是码的单位，是码的单位，一个一个Bit=一个码元；一个码元； 码元宽度：一个脉冲（码元宽度：一个脉冲（Bit）持续的时间）持续的时间。 BPS(Bit per second)又称码率或比特率又称码率或比特率 （数）：每秒传输的比特数，也写成（数）：每秒传输的比特数，也写成bit/s 随机噪声码：

2、由码元（二进制数随机噪声码：由码元（二进制数0、1； 脉冲信号）组成的一组无序排列，形成脉冲信号）组成的一组无序排列，形成 的无规律排列码序列。其特点是无法复的无规律排列码序列。其特点是无法复 制。制。 码序列的相关性：指随机噪声码间的码序列的相关性：指随机噪声码间的 相关程度指标，用公式表示：相关程度指标，用公式表示： )()( )()( )( uDus uDus tR S（u）-两组码中对应相同的码元数两组码中对应相同的码元数 D（u）-两组码中对应不相同的码元数两组码中对应不相同的码元数 R（u）-相关系数，相关系数，1表示相关；表示相关；0表示表示 无关；其它数值时表示程度。无关；其它

3、数值时表示程度。 伪随机噪声码（伪随机噪声码（PRN）：由码元（二）：由码元（二 进制数进制数0、1）有序排列，形成的有规律）有序排列，形成的有规律 排列码序列。其特点是可以复制。排列码序列。其特点是可以复制。GPS 的测距码采用的就是伪随机噪声码。的测距码采用的就是伪随机噪声码。 卫卫 星星 信信 号号 导导 航航 电电 文文 D 测测 距距 码码 粗码粗码C/A码码 精码精码 P码码 载载 波波 L1 载载 波波 L2 星历星历 时间参数时间参数toe AODE AODC Tgd a0 a1 a2 000 iAeM isicrsrcusuc CCCCCCIn 粗码粗码C/A码码 (Clea

4、r/Acquition Code) 精码精码P码码 (Precision Code) 第一节第一节 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文 一、导航电文（一、导航电文（D码）概述码）概述 1、导航电文定义、导航电文定义 由卫星通过载波以二由卫星通过载波以二 进制形式、按预先设计的格式发送给用进制形式、按预先设计的格式发送给用 户的定位和导航的基础数据，又称户的定位和导航的基础数据，又称D码。码。 2、导航电文内容：、导航电文内容： 包括：卫星星历和时间信息。时间信息包括：卫星星历和时间信息。时间信息 中包括：时钟改正、电离层时延改正、中包括：时钟改正、电离层时延改正、 工作状态信息、工作状态信息、

5、CA码和码和P码等测距码码等测距码 信息。信息。 3、导航电文的格式：、导航电文的格式： 以电子电文中的主帧为基本单位以电子电文中的主帧为基本单位 主帧长主帧长1 500bit，传输速率，传输速率50bit/s，全部，全部 传送时间传送时间30s 一个主帧包含一个主帧包含5个子帧，每个子帧分别含个子帧，每个子帧分别含 10个字，每个字个字，每个字30bit，一个子帧共，一个子帧共300bit。 1、2、3子帧各有一页、子帧各有一页、4、5子帧各有子帧各有 25页页 一个主帧由一个主帧由1、2、3子帧和子帧和4、5子帧中子帧中 的各一页构成；每页播送时的各一页构成；每页播送时1、2、3 重重 复

6、，复，4、5换页，一共循环换页，一共循环25次，之后重次，之后重 复之。复之。 循环循环25次需次需30s*25=750s，即，即12.5min。 1、2、3子帧每小时更新一次，子帧每小时更新一次，4、5子子 帧仅在给卫星注入新导航电文时才更新。帧仅在给卫星注入新导航电文时才更新。 主帧与子帧关系图主帧与子帧关系图 二、各子帧的内容二、各子帧的内容 遥测字遥测字交接字交接字数据块数据块1 遥测字遥测字交接字交接字数据块数据块2 遥测字遥测字交接字交接字数据块数据块2 遥测字遥测字交接字交接字数据块数据块3 遥测字遥测字交接字交接字数据块数据块3 1 2 3 4 5 子帧号子帧号 各各 子子 帧

7、帧 内内 容容 遥测字（遥测字（Telemetry Word-TLM)位于位于 各子帧开头的第一字码，是捕获导航各子帧开头的第一字码，是捕获导航 电文的前导信号，并含同步信号，为电文的前导信号，并含同步信号，为 各子帧的同步起点各子帧的同步起点 交接字又称转换码（交接字又称转换码（Hand Over Word-HOW)位于遥测字后的第二位于遥测字后的第二 字码，提供由字码，提供由C/A码捕获码捕获P码的信码的信 息（息（Z计数计数时间计数）时间计数） Z计数计数 指从每星期天零时（指从每星期天零时（GPST）起，）起， 发播的子帧数的计数值，因每一子帧发播的子帧数的计数值，因每一子帧 持续的时

8、间为持续的时间为6s，则下一子帧发播的，则下一子帧发播的 开始时间为开始时间为6*Z（s），主要作用使用），主要作用使用 户接收机钟精确对准户接收机钟精确对准GPST，并快速捕，并快速捕 获获P码。码。 第一数据块：第一数据块： 位置：第一子帧的位置：第一子帧的310字码。字码。 主要内容包括：标识码，时延差改正；主要内容包括：标识码，时延差改正； GPS星期序号；卫星的健康状况；数据星期序号；卫星的健康状况；数据 龄期；卫星时钟改正系数等龄期；卫星时钟改正系数等 。 1.时延差改正时延差改正Tgd ：电离层时延改正。：电离层时延改正。 2.卫星钟改正参数：共三个，分别是卫星钟改正参数：共三个

9、，分别是a 0 a 1 a 2 ，表示卫星钟差、钟速、钟速的，表示卫星钟差、钟速、钟速的 变化率。任意时刻变化率。任意时刻t的卫星钟改正数为：的卫星钟改正数为： 2 210 )()( ococ ttattaat 3. 钟数据龄期钟数据龄期AODC：表示卫星钟改正：表示卫星钟改正 参数的参考时刻参数的参考时刻toc与计算该改正参数所与计算该改正参数所 用的观测数据的最后一次观测时刻用的观测数据的最后一次观测时刻tL间间 的时间之差。的时间之差。 Loc ttAODC 4. 星期序号星期序号WN（GPD）：第一轮中是指）：第一轮中是指 从从UTC1980年年1月月6日起算的日起算的GPS星期数。星

10、期数。 第二轮中是指从第二轮中是指从UTC1999年年8月月22日子夜日子夜 起算的起算的GPS星期数。星期数。 第二数据块第二数据块 位置：位于第位置：位于第2、3子帧；子帧； 内容：主要内容为内容：主要内容为GPS卫星的星历，卫星的星历， 是用户计算卫星运动位置的信息。是用户计算卫星运动位置的信息。 1、对应于参考历元的、对应于参考历元的Kepler6根数。根数。 2、轨道摄动九参数、轨道摄动九参数 3、时间二参数、时间二参数 (1)从星期日子夜零点开始度量的星历从星期日子夜零点开始度量的星历 参考时刻参考时刻toe； (2)星历表的数据龄期星历表的数据龄期AODE： AODEtoe-tL

11、 卫星星历的参考时刻卫星星历的参考时刻toe与计算参考时与计算参考时 刻星历所用的最后一次观测数据的观刻星历所用的最后一次观测数据的观 测时刻测时刻tL 间的时间之差，即广播星历间的时间之差，即广播星历 的外推时间间隔。的外推时间间隔。 第三数据块第三数据块 位置：位于第位置：位于第4、5子帧；子帧； 内容：主要内容为全部卫星的概略内容：主要内容为全部卫星的概略 星历和卫星工作状态，又称卫星历书。星历和卫星工作状态，又称卫星历书。 概略历书作用是：当接收机捕获到某颗概略历书作用是：当接收机捕获到某颗 GPS卫星后，根据第三数据块提供的其卫星后，根据第三数据块提供的其 它卫星的概略星历、时钟改正

12、、卫星工它卫星的概略星历、时钟改正、卫星工 作状态等数据，用户可以选择工作正常作状态等数据，用户可以选择工作正常 和位置适当的卫星，并较快地捕获到所和位置适当的卫星，并较快地捕获到所 选择的卫星。选择的卫星。 第二节第二节 载波与测距码载波与测距码 一、载波一、载波 GPS目前使用的载波有两种，均属目前使用的载波有两种，均属L波波 段，基本频率为段，基本频率为f0=10.23MHz 1、载波、载波L1的基本参数：的基本参数： 频率：频率：MHzffL42.1575154 01 波长：波长： cm032.19 1 2、载波、载波L1的基本参数：的基本参数： 频率：频率：MHzffL6 .1227

13、120 02 波长：波长： cm42.24 1 以上两种频率是经科学计算后选择的，以上两种频率是经科学计算后选择的， 这两种频率配合使用，有利于消除电离这两种频率配合使用，有利于消除电离 层引起的延迟误差。层引起的延迟误差。 二、测距码二、测距码 1、测距码概述、测距码概述 测距码是一种专门用于被动式测距的脉冲测距码是一种专门用于被动式测距的脉冲 信号，有高频与低频两种状态。信号，有高频与低频两种状态。 一般使用伪随机脉冲码或称伪随机噪声码一般使用伪随机脉冲码或称伪随机噪声码 PRN作测距码。所谓伪随机码是这样一种作测距码。所谓伪随机码是这样一种 脉冲码，这种脉冲码的码形由具有一定周期脉冲码，

14、这种脉冲码的码形由具有一定周期 的的0和和1离散字符串构成，其生成过程具有随离散字符串构成，其生成过程具有随 机性，其码形事先不可预见，但生成后的码机性，其码形事先不可预见，但生成后的码 又具有极好的自相关性，可利用这种特性，又具有极好的自相关性，可利用这种特性， 制造自相关设备制造自相关设备-反馈移位存贮器，一方面反馈移位存贮器，一方面 用它来生成用它来生成PRN，另一方面用来识别生成的，另一方面用来识别生成的 PRN，进而测量测距码在空间传播的时间，进而测量测距码在空间传播的时间， 实现测距。实现测距。 GPS测距码采用的是测距码采用的是PRN码中码中m序列码，共序列码，共 有两种：一种为

15、短周期、宽码元的有两种：一种为短周期、宽码元的C/A或称或称 粗码；另一种为长周期、窄码元的粗码；另一种为长周期、窄码元的P码码 即精码。即精码。 PRN码的码的m序列码之特性：序列码之特性： 均衡性：均衡性：码中码中0和和1的数目基本相等。的数目基本相等。 游程分布游程分布：相同的码元连在一起的叫一：相同的码元连在一起的叫一 个游程，长度为个游程，长度为1的占总数的一半，长的占总数的一半，长 度为度为2的游程占总数的的游程占总数的1/4，如此类推。，如此类推。 连连“1”的游程和连的游程和连“0”的游程各占一半。的游程各占一半。 移位相加特性移位相加特性：一个：一个m序列的码序列的码mp与与

16、 其经过任意次延迟位移产生的另一个序其经过任意次延迟位移产生的另一个序 列列mr模模2相加，仍为相加，仍为m序列。序列。 自相关性自相关性：m序列的序列的PRN码自相关函数码自相关函数 只有两种固定取值只有两种固定取值-1/m或或1，其中，其中m=2n-1， 是是m序列的周期，这种重要特性可用来序列的周期，这种重要特性可用来 方便地进行码对齐判别。方便地进行码对齐判别。 伪噪声特性伪噪声特性：PRN码的随机噪声取样呈正码的随机噪声取样呈正 态分布，证明其与随机噪声码具有相同的态分布，证明其与随机噪声码具有相同的 特性。特性。 提示：提示：PRN码既具码生成的随机性，又码既具码生成的随机性，又

17、具有很好的相关性。具有很好的相关性。 2、GPS测距码测距的原理测距码测距的原理 GPS卫星装备的反馈移位存贮式卫星装备的反馈移位存贮式PRN码码 发生器产生发生器产生PRN码（短周期的为码（短周期的为C/A 码长周期的为码长周期的为P码）由载波发送，经码）由载波发送，经 时间时间后到达用户接收机，用户接收机后到达用户接收机，用户接收机 内置的与卫星相同的内置的与卫星相同的PRN码发生器立码发生器立 即产生一个相同的即产生一个相同的PRN码，并利用码，并利用 PRN码自相关性好的特点，与卫星送码自相关性好的特点，与卫星送 来的来的PRN进行码对齐，码对齐所用的进行码对齐，码对齐所用的 时间即为

18、时间即为，信号在空中传播的时间被，信号在空中传播的时间被 测定。星地距测定。星地距即为：即为： c 3、C/A码和码和P码的特性码的特性 vC/A粗测距码；粗测距码；C/A码是用于粗测码是用于粗测 距及捕获距及捕获GPS卫星信号的伪随机码。由卫星信号的伪随机码。由 两个两个10级（码长级（码长N=102-1=1023bit码长）码长） 位移存贮器分别产生两个位移存贮器分别产生两个PRN码，并进码，并进 行模行模2相加后得到相加后得到C/A码并输出。码并输出。 参数：参数： 码率码率1.023MHz；码长；码长1023bit；码元宽；码元宽 0.98s相当于相当于293.1m，乘光速得，乘光速得

19、 ；周；周 期为期为1ms。 码对齐误差：码元宽度的码对齐误差：码元宽度的1/101/100 由此造成的测距误差为由此造成的测距误差为29.32.93m,测测 距精度低距精度低,故被称为粗码。故被称为粗码。 vP精测距码，由两个精测距码，由两个12级位移存贮级位移存贮 器分别产生两个器分别产生两个PRN码，经相乘后得到码，经相乘后得到 P码并输出。码并输出。 参数及特性：码率参数及特性：码率10.23MHz；码长；码长 6.191012bit ，长达一周；码元宽度为，长达一周；码元宽度为 0.098s，相当于距离，相当于距离29.3m ，码元对齐，码元对齐 误差为码元宽的误差为码元宽的110-

20、1100，测距误，测距误 差约为差约为2.930.293m，仅为，仅为CA码的码的1 10；周期为一个；周期为一个GPST周，一个周期含约周，一个周期含约 6.2万亿个码元万亿个码元。 vW码与码与Y码：为了对码：为了对P码进行保密，在码进行保密，在P 码上增加的一个极度保密的码上增加的一个极度保密的W码，之后形码，之后形 成的码称成的码称Y码。码。 vP码的捕获码的捕获 C/A码的码长短，易捕获，是码的码长短，易捕获，是GPS使用的使用的 捕获码，之后过渡到捕获码，之后过渡到P码，实现码，实现P码捕获。码捕获。 三、三、GPS 信号的播发信号的播发 v分别将低频测距码（分别将低频测距码（P（

21、Y）码和）码和C/A码码 ）信号、导航电文（数据码或称）信号、导航电文（数据码或称D码）加码）加 载到频率较高的载到频率较高的L1、L2载波上形成调制波载波上形成调制波 ，由，由GPS卫星将调制波发送至用户，由用卫星将调制波发送至用户，由用 户的接收设备接收。户的接收设备接收。 vL1载波上以同相和正交方式调制有载波上以同相和正交方式调制有C/A 码和码和P（Y）码两种测距码信息和导航电文）码两种测距码信息和导航电文 （D码）码） vL2载波上以双相调制形式调制有载波上以双相调制形式调制有P码。码。 第三节第三节 GPS接收机的基本工作原理接收机的基本工作原理 一、接收机的分类一、接收机的分类

22、 GPS接收机是接收机是GPS三大系统之用户系统，三大系统之用户系统， 是是GPS系统直接产生效益的部分。系统直接产生效益的部分。 A、按用途分类、按用途分类 导航型接收机导航型接收机 1.主要用于运动载体的导航，它可以实主要用于运动载体的导航，它可以实 时给出载体的位置和速度。早期的此类时给出载体的位置和速度。早期的此类 接收机一般采用接收机一般采用CA码伪距测量，当前码伪距测量，当前 也有载波测距式，定位方式为绝对式定也有载波测距式，定位方式为绝对式定 位。单点实时定位精度较低，相对于位。单点实时定位精度较低，相对于 WGS84坐标系原点，精度一般为坐标系原点，精度一般为25m 或或 10

23、m，一般机的价格便宜，应用广，一般机的价格便宜，应用广 泛。泛。 根据应用领域的不同，此类接收机还可根据应用领域的不同，此类接收机还可 以进一步分为：以进一步分为： 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的导航定位。卫星用于卫星的导航定位。卫星 的运动速度高达的运动速度高达7kms 以上，因此对以上，因此对 接收机性能要求很高。接收机性能要求很高。 2. 测地型接收机测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量测地型接收机主要用于精密大地测量 和精密工程测量。这

24、类仪器主要采用和精密工程测量。这类仪器主要采用 载波相位进行距离测量，以相对定位载波相位进行距离测量，以相对定位 为模式，定位精度高。仪器结构复杂，为模式，定位精度高。仪器结构复杂， 价格较高。价格较高。 授时型接收机授时型接收机 这类接收机主要利用这类接收机主要利用GPS卫星提供卫星提供 的高精度时间标准进行授时，常用的高精度时间标准进行授时，常用 与天文台及无线电通讯中时间同步。与天文台及无线电通讯中时间同步。 B、按接收机的载波频率分类、按接收机的载波频率分类 单频接收机单频接收机 指仅能接收指仅能接收L1载波信号的接收机。载波信号的接收机。 定位时以测定定位时以测定L1载波相位观测值方

25、式测载波相位观测值方式测 定星地距进行定位。由采用单频技术，不定星地距进行定位。由采用单频技术，不 能有效消除电离层延迟对载波测距的影响能有效消除电离层延迟对载波测距的影响 只适用于只适用于15km以下短基线的精密定位。以下短基线的精密定位。 双频接收机双频接收机 1.可同时接收可同时接收L1，L2载波的接收机载波的接收机 双频接收机可利用双频对电离层延迟的双频接收机可利用双频对电离层延迟的 规律，实现对电离层影响的大幅消减，规律，实现对电离层影响的大幅消减， 极大地提高星地距的测量精度，进而提极大地提高星地距的测量精度，进而提 高定位精度，因此双频接收机可用于长高定位精度，因此双频接收机可用

26、于长 达几千公里的精密定位。达几千公里的精密定位。 C、按接收机通道数分类、按接收机通道数分类 接收机的一个通道能接收一颗卫星的信接收机的一个通道能接收一颗卫星的信 号，为了分离接收到的不同卫星的信号号，为了分离接收到的不同卫星的信号 以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测 接收机需设多个通道，据此接收机有：接收机需设多个通道，据此接收机有： 1、多通道接收机、多通道接收机 多通道接收机能同时接收多颗卫星的信多通道接收机能同时接收多颗卫星的信 号，接收机的通道数最小为号，接收机的通道数最小为4，多者为，多者为 48，可同时接收，可同时接收GPS、GLONASS全部

27、全部 工作卫星的信号。优点是不会丢失卫星工作卫星的信号。优点是不会丢失卫星 数据。据点是技术复杂、造价高。数据。据点是技术复杂、造价高。 2 序贯通道接收机序贯通道接收机 仅一个通道，为同时接收多颗卫星，采仅一个通道，为同时接收多颗卫星，采 用控制软件，按一定时序依次对不同卫用控制软件，按一定时序依次对不同卫 星进行跟踪与测量。星进行跟踪与测量。 优点是造价低，缺点是在对不同卫星做优点是造价低，缺点是在对不同卫星做 轮流转换跟踪时，容易丢失数据。轮流转换跟踪时，容易丢失数据。 3 多路多用通道接收机多路多用通道接收机 不只一个通道，每个通道的功能与序不只一个通道，每个通道的功能与序 贯通道接收

28、机的工作程序类似。但软件贯通道接收机的工作程序类似。但软件 功能强，可克服贯通道接收机的不足。功能强，可克服贯通道接收机的不足。 D、按接收机工作原理分类、按接收机工作原理分类 1、码相关型接收机、码相关型接收机 码相关型接收机是利用码相关型接收机是利用PRN测距码相测距码相 关技术进行伪距观测，获得伪距值定位关技术进行伪距观测，获得伪距值定位 2、平方型接收机：、平方型接收机： 平方型接收机是利用载波信号的平方平方型接收机是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，通过相位计测定接收机内产生的信号，通过相位计测定接收机内产生的 载波信号与

29、接收到的载波信号之间的相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。位差，测定伪距观测值。 3、混合型接收机、混合型接收机 综合上述两种接收机的优点，既可以得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到码相位伪距，也可以得到载波相位观 测值的接收机。测值的接收机。 4、干涉型接收机、干涉型接收机 这类接收机将这类接收机将GPS卫星作为射电源，卫星作为射电源， 采用类似采用类似VLBI原理进行干涉测量，即原理进行干涉测量，即 测定卫星信号到达两个测站的时间差测定卫星信号到达两个测站的时间差 或载波的相位差进行星地距离的测量或载波的相位差进行星地距离的测量

30、 实现定位。实现定位。 二、接收机工作原理简述二、接收机工作原理简述 vGPS接收机主要由接收机天线单元接收机主要由接收机天线单元 、接收机主机单元和电源、接收机主机单元和电源3部分组成部分组成 1、主机单元：、主机单元： 由变频及中频放大器、信号通道、微由变频及中频放大器、信号通道、微 处理器、存贮器及显示器组成。处理器、存贮器及显示器组成。 2、接收机天线单元：、接收机天线单元： 由接收机天线和前置放大器两部分所由接收机天线和前置放大器两部分所 组成。天线的作用是将组成。天线的作用是将GPS信号的极信号的极 微弱的电磁波能转化为相应的电流，微弱的电磁波能转化为相应的电流， 而前置放大器则是

31、将信号电流予以而前置放大器则是将信号电流予以 放大。为便于接收机对信号跟踪、处理放大。为便于接收机对信号跟踪、处理 和量测，对天线部分有以下要求：和量测，对天线部分有以下要求： 天线与前置放大器应密封一体，保障天线与前置放大器应密封一体，保障 其正常工作，减少信号损失；其正常工作，减少信号损失； 能够接收来自任何方向的卫星信号，能够接收来自任何方向的卫星信号， 不产生死角；不产生死角； 有防护与屏蔽多路径效应的措施；有防护与屏蔽多路径效应的措施； 天线的相位中心保持高度的稳定，并天线的相位中心保持高度的稳定，并 与其几何中心尽量一致与其几何中心尽量一致 GPS接收机天线有下列几种类型接收机天线

32、有下列几种类型 1）单板天线）单板天线 安装在一块基板上，结构简单、体积安装在一块基板上，结构简单、体积 较小，使用于单频机中。较小，使用于单频机中。 2）四螺旋形天线）四螺旋形天线 四螺旋形天线是由四条金属管线绕四螺旋形天线是由四条金属管线绕 制而成，底部有一块金属抑制板，该制而成，底部有一块金属抑制板，该 型天线频带宽，全圆极化性能好，可型天线频带宽，全圆极化性能好，可 捕捉低高度角卫星。缺点是不能进行捕捉低高度角卫星。缺点是不能进行 双频接收，抗震性差，常用作导航型双频接收，抗震性差，常用作导航型 接收机天线。接收机天线。 3）微带天线）微带天线 微带天线也称为贴片天线。是在厚度微带天线

33、也称为贴片天线。是在厚度 为为h的介质板两边贴以金属片。一边为的介质板两边贴以金属片。一边为 金属底板，一边做成矩形或圆形等金属底板，一边做成矩形或圆形等 规则形状。微带天线的特点是高度低，规则形状。微带天线的特点是高度低， 重量轻，结构简单、坚固，易于制造；重量轻，结构简单、坚固，易于制造； 既可用于单频机，又可用于双频机。缺既可用于单频机，又可用于双频机。缺 点是增益较低。目前大部分测地型接收点是增益较低。目前大部分测地型接收 机天线都是微带天线。这种天线更适用机天线都是微带天线。这种天线更适用 于飞机、火箭等高速飞行物上。于飞机、火箭等高速飞行物上。 4）锥形天线）锥形天线 锥形天线是在

34、介质锥体上，利用印刷电锥形天线是在介质锥体上，利用印刷电 路技术在其上制成导电圆锥螺旋表面，路技术在其上制成导电圆锥螺旋表面， 也称盘旋螺线型天线。这种天线可以同也称盘旋螺线型天线。这种天线可以同 时在两个频率上工作。锥形天线的特点时在两个频率上工作。锥形天线的特点 是增益好。但是由于其天线较高，并且是增益好。但是由于其天线较高，并且 在水平方向上不对称，天线相位中心与在水平方向上不对称，天线相位中心与 几何中心不完全一致。因此，在安置天几何中心不完全一致。因此，在安置天 线时要仔细定向并且要给予补偿。线时要仔细定向并且要给予补偿。 3电源电源 GPS接收机有两种电源：接收机有两种电源： 内电

35、源：采用锂电池，用于内电源：采用锂电池，用于RAM存贮器存贮器 供电，以防止数据丢失，目前大部分接收供电，以防止数据丢失，目前大部分接收 机采用内置电池方式。机采用内置电池方式。 外接电源主要在外接电源主要在RTK GPS基站采用，一基站采用，一 般为可充电的般为可充电的12V直流镉镍电池组、汽车直流镉镍电池组、汽车 电瓶。也可将交流电经稳压电源或专用电电瓶。也可将交流电经稳压电源或专用电 流交换器处理后供给流交换器处理后供给GPS接收机。接收机。 三、接收机主要功能三、接收机主要功能 GPS卫星在用户视界时，捕获到按一定卫星在用户视界时，捕获到按一定 卫星高度截止角所选择的待测卫星，并卫星高

36、度截止角所选择的待测卫星，并 跟踪这些卫星的运行；跟踪这些卫星的运行； 对所接收到的对所接收到的GPS信号，进行变换、放信号，进行变换、放 大和处理，测量出大和处理，测量出GPS信号从卫星到接信号从卫星到接 收天线的传播时间，解译出收天线的传播时间，解译出GPS卫星所卫星所 发送的导航电文，实时地计算出测站的发送的导航电文，实时地计算出测站的 三维位置，甚至三维速度和时间。三维位置，甚至三维速度和时间。 具有功能较强的机内软件，进行多具有功能较强的机内软件，进行多 种信号的处理。种信号的处理。 具有多功能的具有多功能的GPS数据测后处理软数据测后处理软 件包。件包。 Understanding

37、 GPS Principles and Applications 第四节第四节 卫星位置的计算卫星位置的计算 一、计算目的：计算卫星在观测历元一、计算目的：计算卫星在观测历元tl在在 地固系（也称地固系（也称CTS系）系）WGS-84坐标系中坐标系中 的坐标。的坐标。 二、计算过程二、计算过程 1、计算卫星运行的平均角速度、计算卫星运行的平均角速度n： n=n0+n n0-由由Kepler定律给出的理论平均角定律给出的理论平均角 速度，前面已给出计算公式。速度，前面已给出计算公式。 n-理论平均角速度的修正量，由导理论平均角速度的修正量，由导 航电文给出。航电文给出。 3 0 / AGMn 2

38、、计算卫星观测时刻、计算卫星观测时刻tl与与toe的时间差的时间差tk 1）将实际观测历元）将实际观测历元tl修正为标准修正为标准GPS时间时间t （相当于对表）（相当于对表） ttt l 2 210 )()( oclocl ttattaat tl实际观测时刻。实际观测时刻。 t- tl对应的标准对应的标准GPS时间时间GSPT。 2）计算卫星观测时刻与星历参考时刻）计算卫星观测时刻与星历参考时刻 的时间差的时间差tk（外推时间间隔）：（外推时间间隔）： oek ttt 3、计算观测时刻的卫星真近点角、计算观测时刻的卫星真近点角VK 1）计算观测时刻的平近点角）计算观测时刻的平近点角Mk（弧度

39、）（弧度） kK ntMM 0 M0导航电文给出。导航电文给出。 2）计算偏近点角）计算偏近点角Ek （弧度）（弧度） kkk EeMEsin（选代法解算）（选代法解算） e轨道偏心率，导航电文给出。轨道偏心率，导航电文给出。 3）计算观测时刻的卫星真近点角）计算观测时刻的卫星真近点角VK )/(cos)sin1arctan(eEEeV Kkk 注意：此时的注意：此时的VK并未考摄动改正并未考摄动改正 4、计算升交距角、计算升交距角 0 , kkk V 5、计算摄动改正、计算摄动改正 计算内容为：计算内容为：tk时刻的升交距角时刻的升交距角u、向径、向径r、 轨道倾角轨道倾角i的摄动改正数。的

40、摄动改正数。 是是tk时刻的未加摄动改正的真近点角与时刻的未加摄动改正的真近点角与 近地点角之和，两者的摄动改正一并考虑。近地点角之和，两者的摄动改正一并考虑。 k )2sin()2cos( kuskuc CCu )2sin()2cos( krskrc CCr )2sin()2cos( kisKic CCi 6、计算摄动改正后的升交距角、计算摄动改正后的升交距角 、 向径向径rk、轨道倾角、轨道倾角ik k u uu kk rEear kk )cos1( kk t Iiii 0 xk YK uk ik rK O 7、建立轨道平面坐标系，并计算卫星在该、建立轨道平面坐标系，并计算卫星在该 坐标系

41、中的坐标坐标系中的坐标 （若将这个轨道坐标系看成空间直角坐标（若将这个轨道坐标系看成空间直角坐标 系的话，它应该是一个系的话，它应该是一个xk轴指向升交点，轴指向升交点， yk指向任意，指向任意，zk=0的空间直角坐标系。）的空间直角坐标系。） kkk urxcos kkk urysin 0 k z 由上图可知：由上图可知： 在计算得到轨道空间坐标在计算得到轨道空间坐标xk、yk、zk=0 基础上，可利用基础上，可利用O-xk、yk、zk空间直角空间直角 坐标与天球空间直角坐标关系，将卫星坐标与天球空间直角坐标关系，将卫星 在天球坐标系中的坐标计算出来，再转在天球坐标系中的坐标计算出来，再转

42、换至瞬时地球换至瞬时地球4坐标系中，实际计算时可坐标系中，实际计算时可 将这个过程合并进行，即将这个过程合并进行，即直接找出直接找出O-xk、 yk、 、zk空间直角坐标系与瞬时地球坐标系 空间直角坐标系与瞬时地球坐标系 的关系将的关系将O-xk、yk、 、zk=0转换到瞬时地球 转换到瞬时地球 坐标系。坐标系。 这里应指出：（这里应指出：（1）这个过程和流程图所）这个过程和流程图所 示的过程是完全一致的，所谓示的过程是完全一致的，所谓直接找出直接找出 1）首先计算观测时刻升交赤经点）首先计算观测时刻升交赤经点 计算在天球坐标系中进行计算在天球坐标系中进行 这步计算包含了两个内容：这步计算包含

43、了两个内容： a、对、对toe时刻的赤经时刻的赤经oe进行摄动修正进行摄动修正 只是将其中的若干步骤合并。只是将其中的若干步骤合并。 （2）流程图中提到的）流程图中提到的岁差、章动岁差、章动转换体转换体 现在摄动改正参数中。现在摄动改正参数中。 8、下面按合并后的步骤，计算卫星在瞬、下面按合并后的步骤，计算卫星在瞬 时地球坐标系中的坐标：时地球坐标系中的坐标： koe t 式（式（1） b、进行岁差、章动变换、进行岁差、章动变换 公式为：公式为： 式（式（1）中，右边第二项，既包含）中，右边第二项，既包含oe 的摄动修正，又包含天球系中的岁差、的摄动修正，又包含天球系中的岁差、 章动改正章动改正 2）再计算格林尼治视恒星角，以实现瞬）再计算格林尼治视恒星角，以实现瞬 时天球坐标系向瞬时地球坐标系转换，公时天球坐标系向瞬时地球坐标系转换，公 式为：式为： GAST 将式（将式（1）代入上式有：）代入上式有： GASTtk oe GAST-天球与地球坐标系天球与地球坐标系X轴之夹角轴之夹角 =初始初始GASTW+et,即：即： tGASTGAST eW 式（式