GPS卫星定位系统

1、第二章 GPS卫星定位系统第一节 GPS系统的组成学时：2学时目的、要求：掌握GPS系统的组成部分； 掌握GPS卫星信号的组成； 了解GPS系统组成部分及卫星信号的相关知识 教学内容概述： 一、GPS系统的组成：GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备三大部分组成， (图21)。1 空间星座部分GPS空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星共同组成了GPS卫星星座。如图2-2所示，这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行，各个轨道平面之间相距60°，轨道平均高度20200km 。卫星的运行周期，即绕地球一周的时间约为1

2、2恒星时(11小时58分)。GPS卫星星座的功能主要为（1）用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。包括提供精密时间标准、粗略导航定位伪距CA码、精密测距P码和反映卫星当前空间位置和卫星工作状态的导航电文。 （2）在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段(10cm波段)发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并适时发送给广大用户。 （3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地调整卫星的姿态，改正卫星运行轨道偏差，启用备用卫星。 GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保

3、证卫星正常供电(图23)。2 卫星监控部分GPS的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站，其分布如图24所示。2.1 主控站主控站有一个，设在美国本土科罗拉多（Colorado）· 斯平士(Colorado Springs)的联合空间执行中心CSOC。2.2 监控站现有5个地面站均具有监测站的功能，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；2.

4、3 注入站 注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等信息注入到卫星中去。注入站现有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)、南大西洋阿松森岛Ascencion)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。注入站的主要设备包括一台直径为3.6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机。3 用户部分GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机及其终端设备、气象仪器等所组成。而GPS接收机硬件，一般包括主机、天线、控制器和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必

5、要的导航和定位信息及观测量；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。并经简单数据处理而实现实时导航和定位；GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。二、GPS卫星信号1 GPS卫星信号构成及产生1.1 载波L1、L1由卫星上的原于钟所产生的基准频率f01.023MHz倍频154倍和120倍产生。1.2 测距码1.3 导航电文导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为5

6、0Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。2 GPS的测距码信号测距码是用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码。 2.1 CA码(CoarseAcquisition Code) 用于进行粗略测距和捕获精码的测距码称为粗码，也称捕获码。CA码的测距精度一段为±(2-3) m。CA码是一种结构公开的明码，供全世界所有的用户免费使用。2.2 P码(Precision Code)用于精确测定从GPS卫星至接收机距离的测距码称为精码。2.3 L2C码3 CPS卫星的载波信号

7、可运载调制信号的高频振荡波称为载波。GPS卫星发射两种频率的载波信号，由于它们均位于微波的L波段，故分别称为L 1载波和L2载波。即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm，如图2-6所示。4 GPS导航电文 GPS卫星导航电文是用户利用GPS定位和导航所必须的基础数据。它主要提供了卫星在空间的位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要信息。这些信息是以二进制码的形式按规定格式编码，并按帧发给用户接收机，因此又称之为数据码(D码)。导航电文的传输速率为50bits，以“帧”为单位向外发送。每

8、帧的长度为1500bit，播发完一个主帧需30s。一个主帧包括5个子帧。每个子帧均包含300bit，播发时间为6s。每个子帧又可分为10个字，每个字都由30bit组成。其中第四、五两个子帧各有25个页面，需要750s才能将25个页面全部播发完。第一、 二、三子帧每30s重复一次，其内容每隔2h更新一次。第四、五子帧每30s翻转一页，12.5min完整地播发一次，然后再重复。其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。 4.1遥测码(telemetry word，TLW)4.2转换码(hand over word，HOW)4.3第一数据块第一数据块是位于第1子帧的第310字码，它的主要内容包括：

9、 (1)时延差改正Tgd (2)数据龄期AODC (3)星期序号WN (4)卫星时钟改正 4.4 第二数据块导航电文的第2和第3子帧组成第二数据块，其内容为GPS卫星星历，即描述卫星运行及其轨道参数的信息，提供有关计算卫星运行位置的数据，它是GPS卫星向导航、定位用户播发的主要电文，描述卫星的运行及其轨道参数包括以下三类： (1)开普勒轨道六参数 (2)轨道摄动九参数(3)时间二参数： 4.5 第三数据块重点：掌握GPS系统的组成部分； 掌握GPS卫星信号的组成； 了解GPS系统组成部分及卫星信号的相关知识难点：GPS系统的组成部分； GPS卫星信号的组成；思考题（作业）：1、简述GPS卫星定

10、位系统的组成，并说明各部分的作用。2、简述GPS卫星信号产生及构成特点。备注（教学组织形式、教学方法与手段等及其它需注明的问题）： 1充分利用多媒体显示大量的表格和图片详细介绍GPS定位系统的三个组成部分，提高学生学习的积极性。 2以简单的图表显示出GPS信号的诸多内容、GPS信号接收系统的结构，使学生从宏观上掌握GPS信号的组成、GPS接收设备的工作原理。课后记： 讲授宜分模块进行。首先详细介绍GPS系统的三个组成部分，再从卫星的发射过程谈起，逐步过渡GPS信号的内容、结构及传播。使学生既了解GPS系统的相互关系及运行过程第二章 GPS卫星定位系统第二节 GPS卫星信号第三节 GPS卫星星历

11、学时：2学时目的、要求：1、理解卫星运动理论基础； 2、掌握GPS卫星星历的含义及卫星位置的计算教学内容概述：1 卫星运动理论基础 GPS卫星的星历是描述卫星运行及其轨道的参数，它的主要作用是利用GPS卫星系统进行导航定位时，计算卫星在空间的瞬时位置。而研究GPS卫星在协议地球坐标系中的瞬时位置，就是GPS卫星的轨道运动理论。本节首先对卫星运动理论作简要介绍。 卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星位置及状态的参数，称为卫星轨道参数。为了研究卫星运动的基本规律，一般将卫星受到的作用力分为两类：一类是地球质心引力；另一类是摄动力。1.1 卫星无摄运动开普勒轨道参数或称开普勒轨道根数。现将这组参数

12、的惯用符号及其定义，综合介绍如下： W升交点的赤经，即在地球赤道平面上，升交点与春分点之间的地心夹角(升交点，即当卫星由南向北运行时轨道与地球赤道面的一个交点)。 i轨道面的倾角，即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。 上两个参数，唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向，称之为轨道平面定向参数。 ws近地点角距，即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，这一参数表达了开普勒椭圆在轨道面上的定向，称之为轨道椭圆定向参数。n为观测时刻卫星的平均角速度。设卫星沿椭圆轨道运动的周期为T，则n=2p/T。t0为第六个积分常数，即t0是卫星过近地点时刻，它给出了辅助参数E与时间t的函数关系。E

13、S为偏近点角。我们得到了以轨道参数表示的六个积分常数参数as、es、W、i、ws和t0。若已知六个轨道参数，就可以唯一地确定卫星的运动状态。也就是说，已知六个轨道参数可以确定任意时刻的卫星位置及其运动速度。1.2 . 卫星受摄运动在摄动力作用下，卫星的运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道。1.2 .1用直角坐标表示的受摄运动方程1.2 .2 用轨道参数表示的受摄运动方程2 GPS卫星星历 描述某一时刻卫星运动轨道的参数及其变率称卫星星历。精确的轨道信息是精密定位的基础。GPS卫星星历分为预报星历(广播星历)和后处理星历(精密星历)。2.1 预报星历 是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电

14、文传递给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，所以这种星历也叫广播历。卫星的预报星历，通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动正项参数。参考历元的卫星开普勒轨道参数，也叫参考星历，它是根据GPS监测站约一周的观测资料推算的。预报星历的内容包括：参考历元瞬间的开普勒6个参数，反映摄动力影响的9个参数，以及1个参考时刻和星历数据龄期，共计17个星历参数。这些参数通过GPS卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户。 2.2 后处理星历 由于GPS卫星的预报星历是根据跟踪站前一段时间的观测资料，外推的参考轨道参数，并加入轨道的摄动改正后得到的外推星历。因

15、此，广播星历包含外推误差其精度必然受到限制，不能满足某些从事精密定位工作的用户要求。 后处理星历，是根据地面跟踪站所获得的精密观测资料计算而得到的星历，它是一种不包含外推误差的实测星历，可为用户提供观测时刻的卫星精密星历，其精度可达米级，以后其精度有望进一步提高到分米级。3 GPS卫星位置的计算3.1 用广播星历计算卫星位置第一步：计算卫星运动的平均角速度n第二步：计算观测瞬间卫星的平近点角M第三步：计算偏近点角第四步：计算真近点角第五步：计算升交距角第六步：计算摄动改正项第七步：对升交距角m、卫星矢径r、轨道倾角i进行摄动改正第八步：计算卫星在轨道面坐标系中的位置 第九步：计算观测瞬间升交点的经度L第十步：计算卫星在瞬时地球坐标系中的位置第十一步：计算卫星在协议地球坐标系中的位置重点：1、