文本教程讲稿

1、GPS原理及其应用(四)GPS原理及其应用第二章全球定位系统的组成及信号结构2.2GPS卫星的信号结构GPS原理及其应用GPS卫星信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构GPS原理及其应用概述GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（Ranging Code）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）卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成关键设备 原子钟全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 概述GPS原理及其应用GPS卫星的基准频率 f0由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均

2、是该基准频率的倍频或分频fL1 154 f0 1575.42MHz;L1 19.03cmfL2L2 120 f0 1227.60MHz; 24.42 cmC / A码码率 f0 10 1.023MHz;P码码率 f0 10.23MHz;卫星（导航）电文码率 f0 20460000 50Hz全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星的基准频率GPS原理及其应用载波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： 154f0L2 频率： 120f0现代化后= 1575.43MHz；波长： 19.03cm= 1227.60MHz；波长： 24.42cm增加L5 频率： 1

3、15f0 = 1176.45MHz；波长： 25.48cmL119.03cmL224.42cm全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 载波GPS原理及其应用载波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（电离层折射延迟于信号的频率有关）全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 载波GPS原理及其应用测距码作用测距性质为伪随机噪声码（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全球定位系统的

4、组成及信号结构 GPS卫星信号结构 测距码GPS原理及其应用全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 测距码测距码类型目前C/A码（Coarse/Acquisition Code） 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；仅被调制在L1上P（Y）码（Precise Code） 精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和 L2上现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码GPS原理及其应用卫星（导航）电文作用：向用户提供卫星轨道参数、

5、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息基本结构.1(30bits)2(30bits).10( 30 bits)1(1)(300bits)1(30bits)2(30bits).10(30bits)2(2)(300bits)3(2)(300bits)4(3)(300bits)5(3)(300bits)1(1500bits)2(1500bits).1(1)(300bits).5(3)(300bits)25(1500bits)全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星（导航）电文GPS原理及其应用卫星（导航）电文 基本内容全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星（导航）电文GPS

6、原理及其应用卫星（导航）电文遥测字（TLM Telemetry Word）每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导交接字（HOW Hand Over Word）每一子帧的第2个字主要内容：Z计数全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星（导航）电文GPS原理及其应用卫星（导航）电文第一数据块第1子帧的第310个字内容：WN GPS周L2所调制测距码标识符 “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码传输参数N URATGD 信号在卫星内部的时延(tSV )L1 tSV TGD星钟数据龄期AODCAODC tOC tL星钟改正参数 a0（钟偏），a1（钟速）， a2（钟漂）)22oc

7、tSV a0 a1 (t toc ) a (t t全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星（导航）电文GPS原理及其应用卫星（导航）电文第二数据块第2、3子帧的第310个字内容该发送信号卫星的星历 广播星历 星历参数M 0 , n,e,a, 0 ,i0 , ,i,Cuc ,Cus ,Crc ,Crs , Cic , Cis ,toe , AODE全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星（导航）电文GPS原理及其应用卫星（导航）电文第三数据块第4、5子帧的第310个字内容：所有卫星历书（概略星历）第三数据块的内容每12.5分钟重复一次全球定位系统的组成及信号结构 GP

8、S卫星信号结构 卫星（导航）电文GPS原理及其应用星历参数详解全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 星历参数详解M 0：参考时刻的平近点角 M (t) M 0 n (t toe )其中n为平均角速度n：平均角速度的改正值s2称为地球引力常数，在WGS 84系中定义为3.986005 1014 m3 n n0 nA：轨道长半轴的平方根(a )3GMa30平均角速度的计算值nGPS原理及其应用全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解e：偏心率E(t) M (t ) e sin E(t)cos E(t) e1 e2 sin E(t) 真近点角 (t) a

9、rctg 0：参考时刻升交点赤经(oe )与GPS周开始时格林尼治赤经(GASTW )之差设e为地球自转角速度，k (t)为升交点经度，(t )为升交点赤经，则0 oe GASTW(t) oe (t toe )GAST (t) GASTW e tk (t) (t ) GAST (t)oe (t toe ) GASTW e toe GASTW (t toe ) e (t toe ) e toe 0 ( e ) (t toe ) e toeGPS原理及其应用星历参数详解全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 星历参数详解GPS原理及其应用全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构

10、星历参数详解星历参数详解i0：参考时刻的轨道倾角 i(t) i0 i (t toe ) i：近地点角距未经改正的升交距交(t ) (t) Cuc，Cus：升交距角的余弦和正弦调和改正的振幅 Crc，Crs：轨道半径的余弦和正弦调和改正的振幅 Cic，Cis：轨道倾角的余弦和正弦调和改正的振幅升交距角、轨道向径和轨道倾角的改正项u(t) Cuc cos(2(t ) Cus sin(2(t )r(t) Crc cos(2(t) Crs sin(2(t)i(t) Cic cos(2(t) Cis sin(2(t)toe：星历参考时刻GPS原理及其应用卫星信号的调制模二和 运算规则 二进制信号：“1”

11、表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则11 1;11 1;11 1;11 11 0 1;0 0 011 0;0 1 1;全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星信号的调制GPS原理及其应用卫星信号的调制二进制信号的相位调制S(t) B(t) cos( t )调频FM调幅AM调相PM注：其它调制方式全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星信号的调制GPS原理及其应用卫星信号的调制GPS卫星信号的调制 示意图 卫星信号的调制原理SL1(t ) AP Pi (t ) Di (t ) cos(L1t L1) AC Ci (t) Di (t) sin(L1t L1 )

12、SL 2 (t) BP Pi (t) Di (t) cos(L 2t L 2 )全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星信号的调制GPS原理及其应用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全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算思路轨道参数地 心升 交 点x轨道平面坐标系y近 地 点卫 星近 地 点 角 距升 交 距 角真 近 点 角GPS原理及其应用Z (Z )X 春 分 点轨 道 平 面卫 星 升交点赤经轨道椭圆中心赤 道

13、 面近 地 点 近地点角距t0 过近地点时刻地 心orf 真 近 点 角Y起 始 子 午 面Y i 轨 道 倾 角升 交 点k升交点经度G A ST Xx长 半 径e 轨 道 偏 心 率全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算yGPS原理及其应用GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算过程 计算卫星运行的平均角速度0a3(a)3s2 称为地球引力常数，在WGS84系中定义为3.9860051014 m3 n n0 n计算t时刻卫星的平近点角M (t) M 0 n (t toe )计算偏近点角E(t) M (t) e sin E(t)GM n全球定位系统的

14、组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS原理及其应用GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算过程（续） 计算真近点角cos E(t) ef (t) arctg 1 e2 sin E(t) 计算升交距角（未经改正的）u(t) f (t)计算卫星向径r (t) A(1 e cos E(t)全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS原理及其应用GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算摄动改正项u(t) Cuc cos(2u (t ) Cus sin(2u (t )r(t) Crc cos(2u(t) Crs s

15、in(2u(t)i(t) Cic cos(2u(t) Cis sin(2u(t)进行摄动改正u(t) u(t) u(t)r(t) r(t) r(t)i(t) i0 i (t toe ) i(t)计算卫星在轨道平面坐标系中的位置x(t) r(t) cosu(t)y(t) r(t) sin u(t)全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS原理及其应用GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算升交点经度k (t) 0 ( e ) (t toe ) e toe计算卫星在地固坐标系下的坐标y sin (t) 0 Z X x x cosk (t)

16、y cosi(t ) sin k (t) Y RZ (k (t)Rx (i(t) y x sin k (t) y cos i(t) cosk (t)k全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS原理及其应用精密星历按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差*20041 15000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.3421423