第三章GPS原理与应用(1)

1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组 GPS全球定位系统全球定位系统 原理与应用原理与应用 华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室 第三章第三章 GPS原理及其应用原理及其应用 1 GPS原理及其应用原理及其应用 第一部分第一部分 GPS简介简介 什么是什么是GPS GPS的产生与发展的产生与发展 哪些国家或者地区有卫星导航定位系统哪些国家或者地区有卫星导航定位系统 GPS的特点的特点 GPS的系统组成的系统组成 GPS在各领域中的应用在各领域中的应用 2 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的英文是

2、的英文是 Global Position System 其意为其意为“导航星测时与测距全球定位系统导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定，或简称全球定 位系统。位系统。 （一）什么是（一）什么是GPS系统系统 是一种可以授时和测距的空间是一种可以授时和测距的空间 交会定点的导航系统交会定点的导航系统,可向全球用可向全球用 户提供户提供连续、实时、高精度连续、实时、高精度的三的三 维维位置位置，三维，三维速度速度和和时间时间信息。信息。 3 GPS原理及其应用原理及其应用 二、二、GPS的产生与发展的产生与发展 19571957年年1010月世界上第一颗人造地球卫星发射成功月世界上第一颗人

3、造地球卫星发射成功 19581958年底，美国海军武器实验室，开始着手建年底，美国海军武器实验室，开始着手建 立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军海军 导航卫星系统导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite Navy Navigation Satellite SystemNNSSSystemNNSS）。）。19641964年建成。年建成。 19671967年美国政府批准该系统解密，提供民用。年美国政府批准该系统解密，提供民用。 4 GPS原理及其应用原理及其应用 二、二、GPS的产生与发展的产生与发展 目的目的 在全球范围内，提供实

4、时、连续、在全球范围内，提供实时、连续、 全天候的导航定位及授时服务全天候的导航定位及授时服务 19731973年美国国防部开始研究建立新一代卫星导航年美国国防部开始研究建立新一代卫星导航 系统的计划，这就是目前所称的全球定位系统系统的计划，这就是目前所称的全球定位系统 （GPSGPS）。）。19941994年投入使用，年投入使用，19951995年完全建成。年完全建成。 5 GPS原理及其应用原理及其应用 三、目前拥有定位系统的国家或地区三、目前拥有定位系统的国家或地区 2020世纪世纪7070年代中期开始启动年代中期开始启动 、19821982年年1010月月1212日发射第一颗日发射第一

5、颗GLONASS卫星、卫星、19961996 年年1 1月月1818日，完成日，完成2424颗卫星的布局，卫星具备完全工颗卫星的布局，卫星具备完全工 作能力）作能力） 系统由系统由 3030颗高轨道卫星组成，分布在颗高轨道卫星组成，分布在3 3个轨道面上。提供精个轨道面上。提供精 确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务 6 GPS原理及其应用原理及其应用 有人说过，只有我们想不到的，没有有人说过，只有我们想不到的，没有GPSGPS做不到的。做不到的。 有人预言，有人预言， GPS GPS将改变我们的生活方式。将改变我们的生活方式。 7 GPS原理及

6、其应用原理及其应用 （五）（五）GPS 的系统组成的系统组成 空间部分空间部分 24颗颗GPS卫星组成卫星组成 用户部分用户部分 GPS接收机接收机 控制部分控制部分 1个主控站个主控站 5个监控站个监控站 3个注入站个注入站 注入站注入站 监控站监控站 主控站主控站 8 GPS原理及其应用原理及其应用 2424颗卫星颗卫星(21+3)(21+3) 6 6个轨道平面个轨道平面 5555轨道倾角轨道倾角 20200km20200km轨道高度轨道高度( (地面高度地面高度) ) 1111小时小时5858分分( (恒星时恒星时) )轨道周期轨道周期 5 5个多小时出现在地平线以上个多小时出现在地平线

7、以上( (每颗星每颗星) ) 在全球各处能观测到高度角在全球各处能观测到高度角1515的卫星的卫星 4 4 颗以上颗以上 GPSGPS卫星星座卫星星座 9 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS 地面监控部分地面监控部分 控控 制制 部部 分分 1 个个 主主 控控 站站 3 个个 注入站注入站 5 个个 监监 控控 站站 10 GPS原理及其应用原理及其应用 GSPGSP地面控制站地面控制站 一个主控站：一个主控站：科罗拉多科罗拉多斯必灵司斯必灵司 三个注入站：三个注入站：阿松森阿松森(A(Ascencion)scencion)大西洋大西洋 迭哥迭哥伽西亚伽西亚(Diego Garcia)(

8、Diego Garcia)印度洋印度洋 卡瓦加兰卡瓦加兰(kwajalein)(kwajalein)太平洋太平洋 五个监测站五个监测站 = = 1 1个主控站个主控站+3+3个注入站个注入站+ +夏威夷夏威夷(H(Hawaii)awaii) 5555 H Hawaiiawaii A AscencionscencionDiego Diego GarciaGarcia kwajaleikwajalein n Colorado Colorado springssprings 11 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS 用户部分用户部分 12 1. GPS接收机的功能接收机的功能 跟踪、接收、放大、

9、处理卫星信号，测跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测 量出信号从卫星到天线的传播时间。量出信号从卫星到天线的传播时间。 解译导航电文，实时解算测站三维位置解译导航电文，实时解算测站三维位置 。 2. GPS接收机的类型接收机的类型 （2）按信号频率分：）按信号频率分： 单频（单频（L1） 双频（双频（L1和和L2） （1）按用途分：）按用途分： 导航型导航型 授时型授时型 测地型测地型 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在军事中的应用在军事中的应用 GPS导航的舰载飞弹导航的舰载飞弹 配备配备GPS的士兵的士兵 美国海军核潜艇美国海军核潜艇 13 （六）（六）GPS在各个领域中的应用在各个领

10、域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在交通运输业中的应用在交通运输业中的应用 航运、航空搜索航运、航空搜索 陆路交通（车辆导航、监控）陆路交通（车辆导航、监控） 船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水 14 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用在测量中的应用 建立和维持全球性的参考框架建立和维持全球性的参考框架 15 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用在测量中的应用 板块运动和监测板块运动和监测 16 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用在测量中的应用 建立各级国家平面控制网建立各级国家平面控制网 17 GPS原理及其应用原

11、理及其应用 GPS在测量中的应用在测量中的应用 市话网 市话网 市话网 市话网 市话网 深深圳圳市市连连续续运运行行卫卫星星定定位位导导航航服服务务系系统统结结构构及及通通信信网网络络示示意意图图 市 电 信 局 监控分析中心 卫星定位信号 发射台 FM电台 基准站1 基准站2 基准站3 基准站4 基准站5 进入移动电 话系统 用户 用户 全向天线定向天线 Modem 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各布设城市控制网、工程测量控制网，进行各 种工程测量种工程测量 18 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用在测量中的应用 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的在航空摄影测量、

12、地籍测量、海洋测量中的 应用应用 19 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在其他领域中的应用在其他领域中的应用 精细农业精细农业 遥感遥感 卫星定轨卫星定轨 资源勘探资源勘探 个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、 时间传递时间传递 . 20 GPS原理及其应用原理及其应用 天球坐标系天球坐标系 地球坐标系地球坐标系 GPSGPS坐标系统坐标系统 时间系统时间系统 第二部分第二部分 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 21 GPS原理及其应用原理及其应用 （一）天球坐标系（一）天球坐标系 22 GPS原理及其

13、应用原理及其应用 v坐标原点坐标原点 坐标系统建立的三要素坐标系统建立的三要素 A (B,L,H ) B L H 0 起 始 子 午 面 赤 道 z y x A(X,Y,Z) Z Y X O 起始子午面起始子午面 赤道赤道 v坐标轴指向坐标轴指向 v表示坐标的参数表示坐标的参数 天球坐标系是以天球及天球上的点线天球坐标系是以天球及天球上的点线 圈为基础所建立的坐标系圈为基础所建立的坐标系 23 GPS原理及其应用原理及其应用 1.1.直角坐标系的定义直角坐标系的定义 原点原点O O与地球质心重合，与地球质心重合，Z Z轴指向地球北极，轴指向地球北极，X X 轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交

14、点，轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点， Y Y轴在赤道平面里与轴在赤道平面里与XOZXOZ构成右手坐标系。构成右手坐标系。 （二）（二） 地球坐标系地球坐标系 图图2-2 直角坐标系和大地坐标系直角坐标系和大地坐标系 2.2.大地坐标系的定义大地坐标系的定义 地球椭球的中心与地球质心重地球椭球的中心与地球质心重 合椭球的短轴与地球自转轴重合椭球的短轴与地球自转轴重 合。空间点位置在该坐标系中合。空间点位置在该坐标系中 表述为（表述为（L L，B B，H H）。）。 地球直角坐标系和地球大地球直角坐标系和地球大 地坐标系可用图地坐标系可用图2-22-2表示：表示： 24 GPS原理及其应用

15、原理及其应用 vWGS-84WGS-84坐标系坐标系 （三）（三） GPS GPS坐标系坐标系 v国际地球参考框架国际地球参考框架(ITRF)(ITRF) v北京北京5454旧坐标系旧坐标系 v西安西安8080坐标系坐标系 25 GPS原理及其应用原理及其应用 WGS-84WGS-84椭球及其有关常数椭球及其有关常数：WGS-84WGS-84采用的椭球是采用的椭球是 国际大地测量与地球物理联合会第国际大地测量与地球物理联合会第1717届大会大地测届大会大地测 量常数推荐值，其量常数推荐值，其四个基本参数四个基本参数 WGS-84WGS-84坐标系坐标系 WGS-84WGS-84的定义的定义：W

16、GS-84WGS-84是修正是修正NSWC9Z-2NSWC9Z-2参考系参考系 的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIHBIH定义定义 的零度子午面一致而得到的一个新参考系。的零度子午面一致而得到的一个新参考系。 WGS-84 WGS-84坐标系的坐标系的原点原点在地球质心，在地球质心，Z Z轴轴指向指向 BIH1984.0BIH1984.0定义的协定地球极（定义的协定地球极（CTPCTP）方向，）方向，X X轴轴指向指向 BIH1984.0BIH1984.0的零度子午面和的零度子午面和CTPCTP赤道的交点，赤道的交点，Y Y轴轴和和Z Z、 X X

17、轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。 26 GPS原理及其应用原理及其应用 长半径：长半径： a=6378137a=63781372 2（m m）；）； 地球引力常数：地球引力常数： GM=3986005GM=3986005108m3s-2108m3s-20.60.6108m3s-2108m3s-2； 正常化二阶带谐系数：正常化二阶带谐系数： C20= -484.16685C20= -484.1668510-610-61.31.310-910-9； J2=108263J2=10826310-810-8 地球自转角速度：地球自转角速度： =7292115=

18、729211510-11rads-110-11rads-10.1500.15010-11rads-110-11rads-1 27 GPS原理及其应用原理及其应用 国际地球参考架国际地球参考架 （ITRFITRF） 国际地球参考架国际地球参考架 (ITRF)(ITRF)是是IERS IERS (International Earth Rotation (International Earth Rotation Service)Service)制定，由全球数百个制定，由全球数百个SLRSLR、VLBIVLBI 和和GPSGPS站所构成站所构成 IGSIGS精密星历精密星历 Z Z轴指向轴指向CIO

19、 CIO ，利用，利用SLRSLR、VLBIVLBI和和GPSGPS等等 技术维持技术维持. . 提供站坐标及速度场信息提供站坐标及速度场信息 28 GPS原理及其应用原理及其应用 （1 1）椭球参数有较大误差。）椭球参数有较大误差。 19541954年北京坐标系（年北京坐标系（BJ54BJ54） 坐标原点：前苏联的普尔科沃。坐标原点：前苏联的普尔科沃。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：分区分期局部平差。平差方法：分区分期局部平差。 存在的问题：存在的问题： 29 （2 2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西 向东明显

20、的系统性倾斜。向东明显的系统性倾斜。 （4 4）定向不明确。）定向不明确。 （3 3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考）几何大地测量和物理大地测量应用的参考 面不统一面不统一。 GPS原理及其应用原理及其应用 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：参考椭球：19751975年国际椭球。年国际椭球。 19801980年国家大地坐标系（年国家大地坐标系（GDZ80GDZ80） 平差方法：天文大地网整体平差。平差方法：天文大地网整体平差。 特点：特点： （1 1）采用）采用19751975年国际椭球。年国际椭球。 30 （2 2）参心大地坐标系是在）参心大地坐标

21、系是在19541954年北京坐标系基础上建立起来的。年北京坐标系基础上建立起来的。 （3 3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。 （4 4）定向明确。）定向明确。 （5 5）大地原点地处我国中部。）大地原点地处我国中部。 （6 6）大地高程基准采用）大地高程基准采用19561956年黄海高程。年黄海高程。 GPS原理及其应用原理及其应用 （四）（四） 时间系统时间系统 沙瓶沙瓶 - Sandglass 31 GPS原理及其应用原理及其应用 v 世界时（世界时（UTUT）：格林尼治零子午线处的民用时称为世界时。）：格林尼治零

22、子午线处的民用时称为世界时。 时间系统的分类时间系统的分类 v 力学时（力学时（DTDT）：根据天体动力学理论而来。）：根据天体动力学理论而来。 v 原子时（原子时（ATAT）：从）：从19581958年年1 1月月1 1日世界的零时开始启用。日世界的零时开始启用。 v GPSGPS时（时（GPSTGPST）：由）：由GPSGPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成星载原子钟和地面监控站原子钟组成 32 v 协调时（协调时（UTCUTC）：将原子时的秒长和世界时的时刻结合。）：将原子时的秒长和世界时的时刻结合。 GPS原理及其应用原理及其应用 第三部分第三部分 卫星运动基础及卫星运动基础及GPS卫

23、星星历卫星星历 u 概述概述 u 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 u 卫星的受摄运动卫星的受摄运动 u GPS卫星星历卫星星历 33 GPS原理及其应用原理及其应用 轨道轨道：卫星在空间运行的轨迹。：卫星在空间运行的轨迹。 轨道参数轨道参数：描述卫星位置及状态的参数；轨道参数：描述卫星位置及状态的参数；轨道参数 取决于卫星所受到的各种力的作用。取决于卫星所受到的各种力的作用。 3.1 概概 述述 一、卫星在空间的瞬时位置一、卫星在空间的瞬时位置 34 GPS原理及其应用原理及其应用 卫星的受力情况：卫星的受力情况： 地球的引力地球的引力 日月引力日月引力 潮汐力潮汐力 大气阻力大气阻力 光压力光

24、压力 均质球体引力均质球体引力 非均匀球形部分引力非均匀球形部分引力 第一类力第一类力：地球的质心引力：地球的质心引力中心引力中心引力 第二类力第二类力：摄动力：摄动力非中心引力，包括地球引非中心引力，包括地球引 力场摄动力（地球非球形对称引起）、力场摄动力（地球非球形对称引起）、 日月引力、大气阻力、太阳光压、地球日月引力、大气阻力、太阳光压、地球 潮汐力等。潮汐力等。 35 GPS原理及其应用原理及其应用 无摄运动无摄运动（二体问题）：仅考虑（二体问题）：仅考虑地球的质心引力地球的质心引力 研究卫星相对于地球的运动。在天体力研究卫星相对于地球的运动。在天体力 学中，称之为学中，称之为二体问

25、题二体问题。 无摄轨道无摄轨道：理想的卫星轨道。：理想的卫星轨道。 受摄运动受摄运动：在考虑第一类力（：在考虑第一类力（中心引力中心引力）的同时）的同时 也考虑第二类力（也考虑第二类力（摄动力摄动力）的影响来）的影响来 研究地球的运动。研究地球的运动。 受摄轨道受摄轨道：在受摄运动下所运行的轨迹。：在受摄运动下所运行的轨迹。 二、卫星的运动二、卫星的运动 返回返回 36 GPS原理及其应用原理及其应用 卫星围绕着地球运行，作卫星围绕着地球运行，作二体问题二体问题研究，必须满研究，必须满 足以下条件：足以下条件： 必须在必须在惯性系惯性系下考虑问题。下考虑问题。 卫星作为卫星作为质点质点。卫星的

26、体积小，与其到地球的。卫星的体积小，与其到地球的 距离相比，可忽略不计，即距离相比，可忽略不计，即卫星可作为质点计卫星可作为质点计。 地球作为地球作为质点质点。地球可分成均质地球和非均质。地球可分成均质地球和非均质 地球两部分。均质地球对外部点的引力等于球地球两部分。均质地球对外部点的引力等于球 心质点的引力。因此，如果把非均质地球的引心质点的引力。因此，如果把非均质地球的引 力作为摄动力的话，力作为摄动力的话，均质地球可作为一个质点均质地球可作为一个质点。 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 37 GPS原理及其应用原理及其应用 目的意义目的意义 均质球体引力均质球体引力决定着卫星运动的决

27、定着卫星运动的主要规律主要规律和和 特征特征，它是，它是卫星运动的近似描述卫星运动的近似描述； 二体问题是二体问题是惟一惟一能得到能得到严密解严密解的问题，而的问题，而多多 体问题体问题还还不能不能得到严密解；得到严密解； 二体问题是二体问题是精确研究卫星运动的基础精确研究卫星运动的基础。 38 GPS原理及其应用原理及其应用 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动 摄动源摄动源 轨道摄动轨道摄动 3 3小时弧段小时弧段2 2日弧段日弧段 地球的非对称性地球的非对称性约约2km2km约约14km14km 日月引力日月引力100m100m左右左右1000-3000m1000-3000m 太阳辐射压

28、力太阳辐射压力5-10m5-10m100-800m100-800m 大气阻力大气阻力可忽略不计可忽略不计 地球潮汐力（海潮、地球潮汐力（海潮、 固体潮）固体潮） 可忽略不计可忽略不计 注：大气阻力对于低轨卫星必须考虑，但注：大气阻力对于低轨卫星必须考虑，但GPSGPS定位卫星均属定位卫星均属 高轨卫星，可忽略不计。高轨卫星，可忽略不计。 摄动力对摄动力对GPS 定位的影响定位的影响 39 GPS原理及其应用原理及其应用 卫星在摄动力的作用下，会产生摄动改正。卫星在摄动力的作用下，会产生摄动改正。 a， e， ， i， ， V（M） dt da ， dt de ， dt d ， dt di ，

29、dt d ， dt dM （为六参数的变化率）（为六参数的变化率） t0时刻：（时刻：（a0，e0，0，i0，0， M0）均已知）均已知 t时刻：（时刻：（a，e，i， M）待求。）待求。 t=t- t0 a=a= dt da t t a= a0+a 在受摄力的作用下，在受摄力的作用下，轨道参数轨道参数是时间的一个是时间的一个 变量函数变量函数。在二体问题下，。在二体问题下，加上各项摄动改正加上各项摄动改正， 就可得到任一时刻比较精确的轨道参数。就可得到任一时刻比较精确的轨道参数。 返回返回 40 GPS原理及其应用原理及其应用 3.4 GPS卫星星历卫星星历 GPS卫星星历：描述卫星运动轨道

30、的信息（一组对卫星星历：描述卫星运动轨道的信息（一组对 应某一时刻的轨道参数及其变化率）。应某一时刻的轨道参数及其变化率）。 一、预报星历一、预报星历 预报星历预报星历：通过卫星发射的：通过卫星发射的含有轨道信息含有轨道信息的导航电的导航电 文传递给用户的，用户接收机接收到这文传递给用户的，用户接收机接收到这 些信号，经过解码器便可获得所需要的些信号，经过解码器便可获得所需要的 卫星星历卫星星历（通常包括相对（通常包括相对某一参考历元某一参考历元 的的开普勒轨道参数开普勒轨道参数和必要的和必要的轨道摄动改轨道摄动改 正项参数正项参数，它是根据监测站约一周的观，它是根据监测站约一周的观 测资料推

31、算的）。测资料推算的）。 41 GPS原理及其应用原理及其应用 优点优点：实时。：实时。 缺点缺点：精度较低，一般约：精度较低，一般约20-40m. 预报星历的内容包括：预报星历的内容包括： 参考历元瞬间的参考历元瞬间的开普勒开普勒6个参数个参数， 反映反映摄动力影响的摄动力影响的9个参数个参数， 以及以及参考时刻参考时刻和和星历数据龄期星历数据龄期， 共计共计17个星历参数。个星历参数。 42 GPS原理及其应用原理及其应用 年年11月月9日日 2时时0秒秒 1997 43 GPS原理及其应用原理及其应用 二、后处理星历二、后处理星历 后处理星历：根据后处理星历：根据地面跟踪站地面跟踪站所获

32、得的所获得的精密观测资精密观测资 料计算料计算而得到的星历，是一种不包含而得到的星历，是一种不包含 外推误差的外推误差的实测星历实测星历。 监测站监测站 如：在我国领土内，有一些高精如：在我国领土内，有一些高精 度坐标的地面控制点，用地度坐标的地面控制点，用地 面点交会出面点交会出t时刻卫星的精确时刻卫星的精确 位置。这种星历不是通过位置。这种星历不是通过GPS 卫星的导航电文向用户传递，卫星的导航电文向用户传递， 而是利用磁带或通过电视、而是利用磁带或通过电视、 电电 传、卫星通讯等方式有偿的传、卫星通讯等方式有偿的 为为 所需要的用户服务。所需要的用户服务。 44 GPS原理及其应用原理及

33、其应用 优点：优点： 轨道参数非常准确，也称精密星历。轨道参数非常准确，也称精密星历。 缺点：缺点： 不能做到实时。不能做到实时。 后处理星历的编制和传送过程：后处理星历的编制和传送过程： 建立卫星跟踪系统，随时监测卫星运动状态建立卫星跟踪系统，随时监测卫星运动状态 计算卫星星历计算卫星星历 用磁带或通过电视、电传、卫星通讯等方式，用磁带或通过电视、电传、卫星通讯等方式， 向用户提供以往观测时刻的星历。向用户提供以往观测时刻的星历。 45 GPS原理及其应用原理及其应用 第四部分第四部分 GPS卫星的导航电文和卫星信号卫星的导航电文和卫星信号 4.1 GPS4.1 GPS卫星导航电文卫星导航电

34、文 4.2 GPS4.2 GPS卫星信号卫星信号 4.3 GPS4.3 GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理 46 GPS原理及其应用原理及其应用 4.1 GPS4.1 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文 GPSGPS卫星的导航电文（简称卫星卫星的导航电文（简称卫星 电文又叫数据码（电文又叫数据码（D D码）：码）： 是用户用来定位和导航的数是用户用来定位和导航的数 据基础。它主要包括：卫星据基础。它主要包括：卫星 星历、时钟改正、电离层时星历、时钟改正、电离层时 延码转换到捕获延码转换到捕获P P码的信息。码的信息。 它的基本单位是长它的基本单位是长1500bit1500bit的的 一

35、个主帧（如图一个主帧（如图4-14-1所示），所示）， 传输速率是传输速率是50bit/s,3050bit/s,30秒钟秒钟 传送完毕一个主帧。一个主传送完毕一个主帧。一个主 帧包括帧包括5 5个子帧，第个子帧，第1 1、2 2、3 3 子帧每子帧每3030秒钟重复一次，内秒钟重复一次，内 容每小时更新一次。第容每小时更新一次。第4 4、5 5 子帧的全部信息则需要子帧的全部信息则需要750750秒秒 钟才能够传送完。即第钟才能够传送完。即第4 4、5 5 子帧是子帧是12.512.5分钟播完一次，分钟播完一次， 然后再重复之，其内容仅在然后再重复之，其内容仅在 卫星注入新的导航数据后才卫星注

36、入新的导航数据后才 得以更新。得以更新。 47 GPS原理及其应用原理及其应用 4.1.14.1.1遥测码（遥测码（TLWTLW，即，即Telemetry WordTelemetry Word） 遥测码位于各子帧的开头遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入，它用来表明卫星注入 数据的状态，以次指示用户是否选用该颗卫星数据的状态，以次指示用户是否选用该颗卫星 。 4.1.24.1.2转换码（转换码（HOW,HOW,即即Hand Over WordHand Over Word） 转换码位于转换码位于每个子帧的第二个字码每个子帧的第二个字码，其作用是提，其作用是提 供帮助用户从所捕获的供帮助用户

37、从所捕获的C/AC/A码转换到捕获码转换到捕获P P码的码的Z Z 计数，它表示从每星期天零时到星期六计数，它表示从每星期天零时到星期六2424小时小时 ，P P码子码码子码X1X1的周期（的周期（1.51.5秒）重复数。秒）重复数。 48 GPS原理及其应用原理及其应用 4.1.34.1.3第一数据块第一数据块 WNWN卫星时间计数器卫星时间计数器 调制码标识调制码标识 URAURA卫星测距精度卫星测距精度 表示导航数据是否正常表示导航数据是否正常 T TGDGD电离层延迟改正参数电离层延迟改正参数 AODCAODC时钟数据龄期时钟数据龄期 toctoc卫星时钟参数对应的参考时刻卫星时钟参数

38、对应的参考时刻 卫星钟改正参数卫星钟改正参数 49 GPS原理及其应用原理及其应用 4.1.4 4.1.4 第二数据块第二数据块 包含第包含第2 2和第和第3 3子帧，其内容表示子帧，其内容表示GPSGPS卫星卫星 的星历，这些数据为用户提供了有关的星历，这些数据为用户提供了有关 计算卫星运动位置的信息。描述卫星计算卫星运动位置的信息。描述卫星 的运行及其轨道的参数包括下列三类的运行及其轨道的参数包括下列三类 。（如图。（如图4-24-2所示）所示） 1.1.开普勒六参数开普勒六参数 这这6 6个参数为：个参数为： ，e,i0,0e,i0,0，M M0 0 2.2.轨道摄动九参数轨道摄动九参数

39、 这这9 9个参数为：个参数为：nn， , , ， Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,CisCuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis（其含义同（其含义同 3.43.4） 3.3.时间二参数时间二参数 (1)(1)从星期日子夜零点开始度量的星历参从星期日子夜零点开始度量的星历参 考时刻考时刻toetoe； (2)(2)星历表的数据龄期星历表的数据龄期AODEAODE，有，有: : AODEAODEtoe-t1toe-t1 式中式中t1t1为作预报星历测量的最后观测时间为作预报星历测量的最后观测时间 ，因此，因此AODEAODE就是预报星历的外推时间就是预报星历的外推时间 长度。长度。

40、 a 50 GPS原理及其应用原理及其应用 4.1.5 4.1.5 第三数据块（历书数据）第三数据块（历书数据） 1-241-24颗卫星的历书（概略星历）颗卫星的历书（概略星历） 卫星健康状况和卫星健康状况和GPSGPS星期编号星期编号 识别符识别符 25-3225-32颗卫星的历书颗卫星的历书 反电子欺骗的特征符反电子欺骗的特征符 电离层延时改正模型电离层延时改正模型 51 GPS原理及其应用原理及其应用 Global Positioning System52 4.2 GPS卫星信号卫星信号 一、概述一、概述 1、GPS是一种无线电导航系统是一种无线电导航系统 观测量是时间延迟或载波变化周数

41、观测量是时间延迟或载波变化周数 GPS信号包含三种成分：数据码（信号包含三种成分：数据码（D码）、测距码（码）、测距码（ C/A码和码和P码）、载波信号（码）、载波信号（L1和和L2） GPS原理及其应用原理及其应用 Global Positioning System53 2、GPS信号应满足的要求信号应满足的要求 GPS卫星广播信号能实现保密通讯，提高抗干卫星广播信号能实现保密通讯，提高抗干 扰能力扰能力 能对各卫星发射的信号进行区分选择能对各卫星发射的信号进行区分选择 实现精密定位和实时导航实现精密定位和实时导航 GPS原理及其应用原理及其应用 Global Positioning System54 二、二、 C/A码与码与P码码 测距码是用于测定卫星至接收机间的距离的二进制码测距码是用于测定卫星至接收机间的距离的二进制码 。 GPS卫星采用两种测距码，即卫星采用两种测距码，即C/A码和码和P码，它们均码，它们均 属于伪随机码。属于伪随机码。 C/A码也称粗码，码也称粗码，P码也称精码。各卫星所采用的测码也称精码。各卫星所采用的测 距码互不相同且互相正交距码互不相同且互相正交 GPS原理及其应用原理及其应用 Global Positioning System55 1、C/A码码 定义定义：用于分址、搜捕