《GPS选修课》本科全册配套完整教学课件.pptx

1、中南大学测绘与国土信息工程系GPSGPS选修课本科全册选修课本科全册配套完整教学课件配套完整教学课件中南大学测绘与国土信息工程系说明及致谢 课件中引用了大量来自网络及他人课件的图片资料。由于其来源复杂，在此未能一一列出。资料的版权均属原作者。本课件只用于教学，不作其它用途。特此说明！How does GPS work? 中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系绪论中南大学测绘与国土信息工程系 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系人

2、类第一颗人造卫星1957年，苏联成功的将世界上第一颗人造地球卫星发射到近地轨道。中南大学测绘与国土信息工程系NNSS的产生美国约翰.霍普金斯大学应用物理实验室的研究人员通过观测卫星的发播信号发现多普勒效应。由此便诞生了世界上第一个投入运行的美国海军导航卫星系统(NNSSNNSS，Navy Navigation Satellite System)中南大学测绘与国土信息工程系Transit卫星系统简介子午卫星子午卫星子午卫星星座子午卫星星座NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）

3、采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制建立1964年1月建成1967年7月解密供民用中南大学测绘与国土信息工程系TRANSIT空间星座TRANSIT卫星及星座参数： 6颗卫星位于6个轨道面相邻轨道平面夹角30 轨道高度：1075km运行周期107min倾角i90两种载波频率：f1150MHz， f2400MHz中南大学测绘与国土信息工程系TRANSIT地面跟踪网OPNET网 (三角形）用于外推广播星历，TRANET网 (实心圆）用于确定卫星精密轨道。中南大学测绘与国土信息工程系TRANSIT接收机Magnavox MX 1502中南大学测绘与国土信息工程系TRANSIT

4、接收机中南大学测绘与国土信息工程系 子午卫星系统是第一代卫星导航定位系统，跨越了从地基无线电导航到天基无线电导航的历程，但其仍然存在许多缺点，主要是： （1）卫星数量少，不能实现连续实时导航； （2）卫星轨道高度低，难以实现精密定轨； （3）信号频率低，难以补偿电离层效应的影响。 正因为如此，美国国防部于1973年12月批准陆海空三军联合研制新的军用卫星导航系统，于是GPS就产生了。Transit卫星系统的缺点中南大学测绘与国土信息工程系GPS简述GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，简称

5、GPS，也被称作为NAVSTAR GPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。系统建立的国家：美国系统的主要功能：在全球范围内，提供实时的、连续的、全天候的导航定位及授时服务。系统开始筹建时间：1973年系统完全建成时间：1995年中南大学测绘与国土信息工程系GPS的发展历史-方案论证阶段 1973年12月，美国国防部批准研制GPS系统。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。从1973年到1979年，共发射4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立了地面跟踪网。 BLOCK I中南大学测绘与国土信息工程系GPS的发展历史-全面研制和试验阶段 从1979年到198

6、7年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 Macrometer V1000中南大学测绘与国土信息工程系GPS的发展历史-实用组网阶段 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。 1991年，在海湾战争中GPS首次大规模用于实战。 1993年底，实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，从此以后依据计划更换失效的卫星。 1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）。中南大学测绘与国土信息工程系GPS的发展历史-现代化阶段 保护 采用一系列措施保护GPS系统不受

7、敌方和黑客的干扰，增加GPS军用信号的抗干扰能力，其中包括增加GPS军用无线电信号的强度。 阻止 阻止敌方利用GPS的军用信号。设计新的GPS卫星型号（F），设计新的GPS信号结构，增加频道，将民用频道L1、L2、L5 (1.17645GHz) 和军用频道L3、L4分开。 改善 改善GPS定位和导航的精度，在GPSF卫星中增加两个新的民用频道，即在L2中增加CA码，另增L5民用频道。提高卫星寿命提高定位精度增强抗干扰能力中南大学测绘与国土信息工程系 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站

8、监测站监测站 Imagine you are somewhere in your town but arent sure where. You ask someone for help and they say, “You are 5 miles from the fire station.”5 milesThis is nice, but it really doesnt help because you could be anywhere on a circle 5 miles around the fire station!A second helpful person tells yo

9、u that you are 7 miles from the library. If you are 5 miles from the fire station and 7 miles from the library you can only be at one of these two points 7 mi5 miFire StationLibraryCombine this information with the fire station information, and you have two circles that cross.4 mi7 mi5 miFire Statio

10、nLibrary A third person tells you that you are 4 miles from home. You must be at the only place where all three circles cross.This circle will cross the other two circles at only one point. 中南大学测绘与国土信息工程系卫星导航定位原理 : 距离交会221010122202022230303(x -x ) +(y -y ) = d(x -x ) +(y -y ) = d(x -x ) +(y -y ) = d

11、中南大学测绘与国土信息工程系卫星导航定位原理 : 距离交会2221010101222202030222230303032224040404(x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d(x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d(x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d(x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d中南大学测绘与国土信息工程系卫星导航定位原理 : 距离交会22210101012222020302222210101012222020302222303030322240404042303030(x -x ) +(y -y )(-

12、) = d(x -x ) +(y -y )(-) = d(x -x ) +(y -y )(-) = d(x -x ) +(y -y(x -x ) +(y -y )(-) = d(x -x ) +(y -y )(-) = d(x -x ) +(y -y )()(-) = d-)zzzzzzzzzzzzzz23= d地球约束条件中南大学测绘与国土信息工程系卫星导航定位原理 : 距离交会304 satellites in view are necessary4 satellites in view are necessary1.坐标x2.坐标y3.坐标z4.时间误差dt距离 d1GPS卫星 1距离

13、d4GPS卫星 4GPS卫星 2距离 d2距离 d3GPS卫星 3系统时间GPST时间同步2221010101222202030222230303032224040404(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)xxyyzzc dtdxxyyzzc dtdxxyyzzc dtdxxyyzzc dtd 中南大学测绘与国土信息工程系 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系GPS系统构成空间部分地面部分用户部分中南大学测绘与

14、国土信息工程系GPS空间部分 GPS星座由24颗卫星组成，分布在6个轨道面上。每个轨道4颗卫星，呈非均匀分布，轨道面沿赤道以60间隔分布，倾角55，半长轴为26560公里的圆形轨道。 1978年发射首颗GPS卫星，1993年组网运行，至今已研制了两代共六种型号卫星：GPS、GPS、GPSA、GPSR、GPSRM、GPSF。 目前正在研发第三代GPS III导航系统，其卫星技术在不断改进提高。GPS 导航卫星星座中南大学测绘与国土信息工程系GPS空间部分-卫星的分布中南大学测绘与国土信息工程系GPS空间部分-卫星的载荷有效载荷：有效载荷：原子钟，信号生成、发射装置，存储器、处理器中南大学测绘与国

15、土信息工程系GPS空间部分-卫星的作用 接收、存储导航电文信息 生成用于导航定位的信号 发送用于导航定位的信号 接受地面指令，进行相应操作中南大学测绘与国土信息工程系GPS卫星制造中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系卫星为八面体长箱体构型（见图），设计寿命5年。两太阳翼各由二块弧形板并联而成。共有三个导航信号L1(1575.42MHz)：C/A、P(Y)两个信号L2(1227.60MHz)：P(Y)采用两台铯原子钟和两台铷原子钟。导航电文存储容量 3.5天。共生产了11颗卫星。GPS试验验证卫星GPS I 卫星卫星中南大学测绘与国土信息工程系GPS GPS 第二代卫星第二代

16、卫星 卫星结构构型和GPS相同。在GPS基础上所如下改进：设计寿命增加至7.5年每个太阳翼各由4块平板并联构成（见图）导航电文存储容量增至14天在L1民用频率上采用了选择可用性（SA）措施和L2上反电子欺骗（AS）措施共生产了9颗卫星。GPS A 卫星卫星卫星结构构型和太阳翼均与GPS相同导航电文存储容量扩展至180天星上电子设备采取防辐射及加固措施增设激光反射器，用于星地测距，提高精度共生产了19颗卫星。GPS II 卫星卫星中南大学测绘与国土信息工程系GPS IIRGPS IIR卫星卫星 l卫星结构构型和太阳翼和GPSR相同l在 GPSR基础上作如下改进： L1、L2频段上增加新的军用M码

17、信号，提高安全性和保密性 增加新的L2C民用码，使民用接收机可进行电离层误差修正，提高定位精度 具有功率增加7dB功能 设计寿命10年l共生产8颗卫星。GPS IIR-MGPS IIR-M卫星卫星 GPS IIR卫星卫星GPS IIR-M卫星卫星卫星有较大改进：l 卫星采用4边形箱体构型（见图）l 每个太阳翼由两块板串联展开组成，可一次展开，提高了可靠性l 采用镍氢NiH2蓄电池，提高了容量l 具有UHF频段星间链路，180天自主导航功能，URE 7m（1） l 采用新型高精度铷原子频标（3个）：610-4/天 l 装有展开式核爆探监测天线共生产了12颗卫星。中南大学测绘与国土信息工程系卫星结

18、构为八面体长箱体构型（见图） 减少结构板数量，增大天线安装面积 布局优化，卫星背地板外单独建立4个蓄电池小舱 每翼由三块板组成，采用三结砷化镓太阳能电池，提高了功率 增加新的民用频率L5（1176.45MHz） 改进型天线，以宽带专用单元取代L波段阵元 设计寿命12年已生产了16颗卫星GPS IIR-F卫星 GPS II 系列卫星频码图系列卫星频码图GPS IIR-F卫星结构图卫星结构图GPS IIR-F卫星卫星 中南大学测绘与国土信息工程系美国正在研制第三代导航卫星美国正在研制第三代导航卫星GPS III，预期将有多项改进和提高：，预期将有多项改进和提高：1、卫星设计寿命15年；2、仍采用自

19、身变轨方案，采用一箭双星发射；3、定位精度：水平0.5m，高程1m；4、授时精度：2ns;5、增加L1C导航信号；6、为与Galileo兼容互操作L5调制方式改为A1tBOC(15,10);7、星间链路采用Ka频段；8、点波束天线功率增强20dB;9、采用锂离子电池，提高卫星功率；10、自主导航180天，URE 3m；11、具有星-星、星-地通信能力，100Mbit/s;12、具有搜索及救援功能。GPS III 卫星 GPS III 卫星卫星GPS卫星发展历程 (1)卫星GPS IGPS IIGPS IIAGPS IIRGPS IIRMGPS IIFGPS III卫星构型（长宽高）八面体箱型结

20、构同左同左四面体箱型结构1.931.521.91四面体箱型结构1.931.521.91八面体箱型结构2.441.971.97卫星重量（kg）16651816203220652170太阳翼共2翼每翼由2块弧形板并联构成共2翼每翼由2块平板并联构成共2翼每翼由4块平板并联构成共2翼每翼由2块平板串联构成同左共2翼，每翼由3块平板串联构成功率（W）1100W硅太阳电池同左1959W硅太阳电池同左2610W砷化镓太阳电池蓄电池NiCd镉镍电池同左同左NiH2 氢镍电池同左同左锂离子电池射频功率EIRPL1：27dBWL2：20dBW同左同左同左L1：28dBWL2: 22dBWL1: 28dBWL2:

21、 22dBWL5: 32dBW定位精度C/A: 100m 50cm/s 385nsP(Y): 10m 20cm/s 100ns同左同左C/A（无SA）: 50m, 100nsP(Y)：同左C/A(无SA): 20m 50nsP(Y): 10m 20nsM: 6m 10ns同左0.5-1.0m 2ns设计寿命5年7.5年同左同左10年12年15年GPS卫星发展历程 (2)卫星GPS IGPS IIGPS IIAGPS IIRGPS IIRMGPS IIFGPS III导航信号L1 1575.42MHz C/A P(Y)L2 1227.60MHz P(Y) 共3个同左同左同左L1:1575.42M

22、Hz C/A P(Y) M L2:1227.60MHz P(Y) M L2C 共6个L1:1575.42MHz C/A P(Y) ML2:1227.60MHz P(Y) M L2CL5C:1176.45MHz P(Y) 共7个同左，增加L6 共8个信号增强无无无无7dB7dB20dB信号调制C/A： BPSK-R(1)*P(Y): BPSK-R(10)*同左增加SA、AS措施同左同左C/A： BPSK-R(1)P(Y): BPSK-R(10)M: BOC(10,5)*同左L5C： BPSK-R(10)同左L1C： MBOC(6,1，1/11)L5C：A1tBOC(15，10)扩频码位长C/A：

23、1023 P:6187.104109Y:加密产生同左同左同左同左M:加密产生L2C:CM 10230 CL 767250同左L5C: I 10230 Q 10230同左 L1C:10230星钟2 台铷钟 110-12/天2台铯钟 1.510-13/天2 台铷钟 110-13/天2台铯钟 110-13/天同左3台铷钟 610-14/天同左2台铷钟 510-14/天2台铯钟 110-13/天星间链路无无无UHF频段 TDMABPSK-R(5)* 测距精度 2ns同左同左具有跳频功能Ka频段（23GHz）点对点传输自主运行无无无自主运行180天URE 7m(1)同左同左180天URE 3m注R(1)

24、* 码速率1.023Mcps，R(5)* 码速率5.115Mcps，R(10)* 码速率10.23McpsBOC(10,5)* 副载波频率10.23MHz ，码速率5.115Mcps中南大学测绘与国土信息工程系GPS地面部分 注入站注入站主控站主控站监测站监测站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站：1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)中南大学测绘与国土信息工程系GPS地面部分US NIMA Tracking Sites US Airforce Tracking Sites

25、US Airforce Upload Sites MCS Colorado SpringsHawaii Buenos AiresDiego GarciaAscensionBahrainKwajaleinSmithfieldHermitageOuitoUS Air Force and NIMA Control and Tracking Stations中南大学测绘与国土信息工程系GPS地面部分的主要功能 主控站作用： 根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去； 对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障时，调度备用卫

26、星，替代失效的工作卫星工作； 监控站作用： 接收卫星信号，监测卫星的工作状态。 注入站作用： 注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系GPS地面部分的运行机制中南大学测绘与国土信息工程系GPS用户部分中南大学测绘与国土信息工程系GPS用户部分的主要功能中南大学测绘与国土信息工程系 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系提出GPS现代化的历史背景国际局

27、势变化，世界进入后冷战时代GPS产业为美国带来巨大的经济利益克服美国限制措施技术日益完善成熟其它国家卫星导航定位系统的竞争中南大学测绘与国土信息工程系GPS现代化时间表改进时间GPS现代化内容第一阶段(2005)发射5颗Block R-M卫星,L1加M码，L2加C/A、M第二阶段(2006-2016)发射Block F卫星(24+3),L1加M，L2加C/A、M，L5第三阶段2016-2036发射GPS block 卫星,增强L1加M，L2加C/A、M，L5提高卫星寿命提高定位精度增强抗干扰能力中南大学测绘与国土信息工程系GPS现代化-空中部分中南大学测绘与国土信息工程系GPS现代化-空中部分

28、L2 = 1227 MHzL1 = 1575 MHzL5 = 1176 MHzCivil Aviation & New Military SignalsCivil Non-Aviation SignalPresent SignalGPS现代化-地面部分 GroundAntennaMaster Control Station (Schriever AFB)MonitorStationNGA Monitor StationOCS Monitor StationGround AntennaFuture Monitor StationMaster Control StationBackup Maste

29、r Control Station中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-14 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系2022-3-14美国政府的GPS政策SPS与PPS SPS 标准定位服务（Standard Positioning Service） PPS 精密定位服务（Precision Positioning System）SA政策-Selective Availability（选择可用性） 技术 在广播星历中加入长周期的干扰 技术 在卫

30、星基准频率中加入快速抖动 该技术已于2000年5月2日终止AS政策-Anti-Spoofing （反电子欺骗） P+WY（W码为一严格保密的较低码率二进制码）中南大学测绘与国土信息工程系精密定位服务的信号改善4.64.33.02.71.81.51.11.00.901234567199019921994199619972001200420062008RMS SIS URE (m)RMS Signal-in-Space User Range Error (URE), meters2007 PPS Performance Standard(Worst of any PPS SIS URE)Decre

31、asing range errorSignal-in-Space User Range Error is the difference between a GPS satellites navigation data (position and clock) and the truth, projected on the line-of-sight to the userSystem accuracy exceeds published standard中南大学测绘与国土信息工程系标准定位服务的信号改善System accuracy exceeds published standard中南大学

32、测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号构成及其观测中南大学测绘与国土信息工程系内容提要GPS信号的组成 GPS信号的产生 GPS信号的作用 GPS信号的调制与解调中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号组成部分 GPSGPS卫星信号由卫星信号由载波载波、测距码测距码和和导航电文导航电文三部分组成。三部分组成。 GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素： （1）适应多用户系统要求。 （2）满足高精度定位需要。 （3）满足实时定位要求。 （4）满足军事保密要求。中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系载波作用p搭载其它调制信号p测距

33、p测定多普勒频移类型p目前lL1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cmlL2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cmp现代化后lL5 频率： 115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cmL11 9 .0 3 c mL22 4 .4 2 c m中南大学测绘与国土信息工程系载波 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）中南大学测绘与国土信息工程系几个定义码：表达不同信息的二进制数及其组合。一位二进制数

34、叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。将各种信息通过量化，按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。中南大学测绘与国土信息工程系 表达某种信息的一组二进制的数码序列。 码元是0或1完全是随机的，但出现的概率均为50。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序列（或随机噪声码序列）。 特点：（1）非周期性序列，无法复制； （2）自相关性好。对提高GPS测距精度有利 码元可以表示为0、1为幅度的时间函数随机噪声码0t1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1

35、1中南大学测绘与国土信息工程系随机噪声码的自相关性 将随机序列u(t)平移k个码元，得到一个新的随机序列u(t)，如果两随机序列u(t)和u(t)所对应的码元中，相同的码元数（同为0或1）为Au，相异的码元数为Bu，则随机序列u(t)的自相关系数R(t)定义为:v平移的码元数k=0，说明两个结构相同的随机码序列，相应的码元相互对齐， Bu=0，自相关系数R(t)=1。v当k0时，由于码序列的随机性，当序列中码元数充分大时，则AuBu，即自相关系数R(t) 0。v于是，根据码序列自相关系数的取值，可以判断两个随机码序列的相应码元是否对齐。R(t) = (Au - Bu) / (Au + Bu)中

36、南大学测绘与国土信息工程系利用随机码的自相关性进行GPS测距假设GPS卫星发射的是一个随机码序列u(t)，而GPS接收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列u(t)，则由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的u(t)与u(t)之间产生了平移，即相应的码元错开，而R(t) 0。如果通过一个时间延迟器来调整u(t)，使之与u(t)的码元相互完全对齐，即有R(t) =1。则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而准确测定站星距离。中南大学测绘与国土信息工程系伪随机噪声码及其产生GPS采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random NoicePRN）简称伪随机码或

37、伪码。特点： 具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。中南大学测绘与国土信息工程系GPS的测距码C/A码 GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。 C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码长Nu=210-1=1023比特，码元宽为tu=1/f1= 0.97752s,（ f1为基准频率f0的10分之1，1.023 MHz）,相应的距离为293.1m。周期为Tu= Nu/tu= 1ms，数码率为1.023Mbit/s。 C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50

38、码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。 码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码中南大学测绘与国土信息工程系C/A码的生成中南大学测绘与国土信息工程系GPS的测距码-P码P码采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu2.351014比特，码元宽为tu=1/f0=0.097752 s， 相应的距离为29.3m。周期为Tu= Nutu 267d，数码率为10.23Mbit/s。实际应用时P码的周期被分成38部分，（每一部分为 7天，码长约6.19 1012比特），其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，3

39、2部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。中南大学测绘与国土信息工程系导航电文导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。中南大学测绘与国土信息工程系NAVIGATI

40、ON MESSAGE中南大学测绘与国土信息工程系导航电文的格式 每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当卫星注入新导航电文后才得以更新。123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特中南大学测绘与国土信息工程系一帧导航电文的内容TLMHOW数据块1 ：时钟修正参数TLMHOW数据块2 ：星历表TLMHOW数据块2 ：星历表TLMHOW数据块3 ：卫星历书等TLMHOW数据块3 ：卫星历书等12345

41、一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特中南大学测绘与国土信息工程系一帧导航电文的内容 遥测字（TLMTelemetry WORD）位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。 交接字（HOWHand Over Word）紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时。 数据块1：含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等信息（1）卫星钟改正参数a0、a1、a2分别表示该卫星的钟差 、钟速和钟速变化率。任意时刻t的钟改正数为：t=a0+a1(t

42、-t0e)+a2(t-t0e)2中南大学测绘与国土信息工程系一帧导航电文的内容 （2）参考历元t0e为数据块1的基准时间，从GPS时星期六/星期日子夜零时起算，变化于0-604800s之间。 （3）数据龄期AODA表示基准时间t0e与最近一次更新星历的时间之差，主要用于评价钟改正数的可信程度。 （4）现时星期编号WN：表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。 数据块2：包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历。 数据块3：包含在4、5两个子帧中，主要向用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星历书。中南大学测绘与国

43、土信息工程系GPS信号构成总结GPS载波信号L1载波GPS测距码C/A码P码导航电文卫星的星历卫星工作状态时间系统卫星钟运行状态轨道摄动改正大气折射改正L2载波GPS卫星信号中南大学测绘与国土信息工程系GPS卫星的基准频率f0 GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率 f0 =10.23MHz的控制下产生。基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600 中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号

44、的调制模二和运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则000; 110; 101; 011111; 111; 111; 111中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号的调制二进制信号的相位调制 调相 )cos()()(ttBtS调频FM调幅AM中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号的调制中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号的调制GPS中的三种信号将按下图的线路进行调制，然后向全球发射。卫星信号的调制原理)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS中南大学

45、测绘与国土信息工程系GPS信号的解调为进行载波相位测量，当用户接收到卫星发播的信号后，可通过多种解调技术来恢复载波相位。码相关法p 方法将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。p 技术要点卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。p 特点限制：需要了解码的结构。优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）卫星信号的生成接收机重建载波中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号的解调平方解调技术：将接收到的卫星信号进行平方，由于处于1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。采用这种方法，可不必知道调制码的结构，但平

46、方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文。中南大学测绘与国土信息工程系GPS接收机工作原理GPS接收机基本功能结构图中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系测距码测距原理距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：t c 信号传播时间的测定中南大学测绘与国土信息工程系载波测距原理itjtitijttR(c )2002, 黄劲松中南大学测绘与国土信息工程系载波测距原理SR SR)SR( )tR( )tS接收机根据自身的钟在 时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在 时刻所接收到卫星在时

47、刻所发送信号的相位tRtS tR tS理想情况实际情况中南大学测绘与国土信息工程系载波测距原理观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示为：以后的观测：首次观测：N0Fr0N0Int( )iFrit0ti中南大学测绘与国土信息工程系载波测距的特点优点精度高，测距精度可达0.1mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号的观测（伪距） GPS is actually a timing system Receiver firmware correlates received signal with rep

48、lica model Observed time delay c is “pseudorange” (a biased range)Received signal, driven by satellite clock TsModel signal, driven by receiver clock TGPS Satelliteclock, TsTransmitted signal of known code (either C/A or P code)GPS Receiverclock TrP=c(TrTs)PseudorangeAntenna中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号的观测（伪距

49、）dtTutTuTRT)()(1相关系数：中南大学测绘与国土信息工程系GPS信号的观测（载波） 测量卫星发射的载波和接收机同样的载波之间的相位差，求得空中的距离。 观测值为小于一周的相位差， 整周数N待定。 相位差中包含卫星钟钟差与接收机钟钟差。 卫星发射的载波到达接收机接收机产生的载波中南大学测绘与国土信息工程系GNSS Signal ProcessingAcquisitionFind a specific satellite signal buried in noiseCode trackingDecode time stampCarrier trackingDecode data bit

50、s中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系GPS系统导航定位基础中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系 卫星导航定位的时空基准 GPS导航卫星的轨道理论 GPS导航定位的误差改正内容要点中南大学测绘与国土信息工程系坐标的定义及其分类 全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此，首先要设立适当的坐标系。坐标系统是由原点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系：天球坐标系和地球坐标系。 为了描述卫星在其轨道上的运动规律，