第二章全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)1

1、 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測繪學(xué)院測繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 ( (三三) )GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用第二章第二章全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)2.1 全球定位系統(tǒng)的組成全球定位系統(tǒng)的組成GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用2.1 全球定位系統(tǒng)的組成全球定位系統(tǒng)的組成GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的系統(tǒng)組成的系統(tǒng)組成 GPS系統(tǒng)由三部分組成系統(tǒng)由三部分組成 空間部分空間部分 地面控制部分地面控制部分 用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成GPS原

2、理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的空間部分的空間部分 GPS的空間部分的組成的空間部分的組成 GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分 6個軌道面 平均軌道高度20200km 軌道傾角55 周期11h 58min（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的空間部分的空間部分全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分 GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座 設(shè)計星座：設(shè)計星座：21+3 21顆正式的工作衛(wèi)星顆正式的

3、工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星顆活動的備用衛(wèi)星 保證在每天保證在每天24小時的任何時刻，在小時的任何時刻，在高度角高度角15 以以上，能夠同時觀測到上，能夠同時觀測到4顆以上衛(wèi)星顆以上衛(wèi)星 當(dāng)前星座：當(dāng)前星座：28顆顆GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的空間部分的空間部分全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的空間部分的空間部分 GPS衛(wèi)星的地面軌跡衛(wèi)星的地面軌跡全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)

4、用GPS的空間部分的空間部分 GPS衛(wèi)星衛(wèi)星 作用：作用： 接收、存儲導(dǎo)航電文接收、存儲導(dǎo)航電文 生成用于導(dǎo)航定位的信號（測距碼、載波）生成用于導(dǎo)航定位的信號（測距碼、載波） 發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文）距碼和導(dǎo)航電文） 接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作 其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。 主要設(shè)備主要設(shè)備 太陽能電池板太陽能電池板 原子鐘（原子鐘（2臺銫鐘、臺銫鐘、2臺銣鐘）臺銣鐘） 信號生成與發(fā)射裝置信號生成與發(fā)射裝置 全球定位系統(tǒng)的組成及信

5、號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 GPS衛(wèi)星（續(xù)）衛(wèi)星（續(xù)） 類型類型 試驗衛(wèi)星：試驗衛(wèi)星：Block 工作衛(wèi)星：工作衛(wèi)星：Block Block ：存儲星歷能力為：存儲星歷能力為14天，具有天，具有SA和和AS地能力地能力 Block A （Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲星歷能）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲星歷能力為力為180天，天，SV35和和SV36帶有激光反射棱鏡帶有激光反射棱鏡 Block R （Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互）：衛(wèi)星間可相互跟蹤相互通訊跟蹤相互

6、通訊 Block F（Follow On）：新一代的）：新一代的GPS衛(wèi)星衛(wèi)星,增設(shè)第三民增設(shè)第三民用頻率用頻率GPS的空間部分的空間部分全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的空間部分的空間部分Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同類型的不同類型的GPS衛(wèi)星衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的空間部分的空間部分

7、 當(dāng)前的衛(wèi)星狀態(tài)當(dāng)前的衛(wèi)星狀態(tài)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分SUBJ: GPS STATUS 26 MAR 20041. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A. BLOCK I : NONE B. BLOCK II: PRNS 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15 PLANE : SLOT F4, B5, C2, D4, B4, C1, C4, A3, A1, E3, D2, F3, F1,

8、D5 CLOCK : CS, CS, CS, RB, CS, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, CS BLOCK II: PRNS 16, 17, 18, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 PLANE : SLOT B1, D6, E4, E1, D3, E2, D1, A2, F2, A4, B3, F5, B2, C3 CLOCK : RB, RB, RB, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, RB, RB, RBGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 地

9、面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 （Ground Segment） 組成組成 主控站：主控站：1個個 監(jiān)測站：監(jiān)測站：5個個 注入站：注入站：3個個 通訊與輔助系統(tǒng)通訊與輔助系統(tǒng)GPS衛(wèi)星注入站監(jiān)測站主控站全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用主控站監(jiān)測站注入站大西洋太平洋印度洋GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 （Ground Segment）（續(xù)）（續(xù)） 分布分布全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控

10、部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 監(jiān)測站（監(jiān)測站（5個）個） 作用：作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，采集氣象信息，并將所收集到的并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控數(shù)據(jù)傳送給主控站。站。 地點：地點：夏威夷、主控站夏威夷、主控站及三個注入站。及三個注入站。全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 主控站（主控站（1個）個） 作用：作用： 管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作， 收集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，送往

11、注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星， 監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令； 衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。 地點：美國科羅拉多州法爾地點：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地?？卓哲娀亍Ｈ蚨ㄎ幌到y(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 注入站（注入站（3個）個） 作用：作用：將導(dǎo)航電文注入將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。衛(wèi)星。 地點：地點：阿松森群島（大西阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）加蘭（太平洋）全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球

12、定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的用戶部分的用戶部分 組成組成 用戶用戶 接收設(shè)備接收設(shè)備 接收設(shè)備接收設(shè)備 GPS信號接收機(jī)信號接收機(jī) 其它儀器設(shè)備其它儀器設(shè)備全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的用戶部分的用戶部分 GPS信號接收機(jī)信號接收機(jī) 組成組成 天線單元天線單元 帶前置放大器帶前置放大器 接收天線接收天線 接收單元接收單元 信號通道信號通道 存儲器存儲器 微處理器微處理器 輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)

13、備 電源電源天線單元天線單元接收單元接收單元全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的用戶部分的用戶部分 天線單元天線單元 類型類型 單極天線單極天線 微帶天線微帶天線 錐形（螺旋）天線錐形（螺旋）天線 四絲螺旋天線四絲螺旋天線 空間螺旋天線空間螺旋天線 背腔平面盤旋天線背腔平面盤旋天線單極天線微帶天線空間螺旋天線四絲螺旋天線背腔平面盤旋天線GPS天線天線全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的

14、用戶部分的用戶部分 天線單元（續(xù)）天線單元（續(xù)） 特點特點 單極天線單極天線 單頻或雙頻（雙極結(jié)構(gòu)）、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結(jié)單頻或雙頻（雙極結(jié)構(gòu)）、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單構(gòu)簡單 微帶天線微帶天線 結(jié)構(gòu)簡單、單頻或雙頻、側(cè)視角低（適合于機(jī)載應(yīng)用）、低增益、結(jié)構(gòu)簡單、單頻或雙頻、側(cè)視角低（適合于機(jī)載應(yīng)用）、低增益、應(yīng)用最為廣泛應(yīng)用最為廣泛 錐形（螺旋）天線錐形（螺旋）天線 四絲螺旋天線四絲螺旋天線 單頻、難以調(diào)整相位和極化方式、非方位對稱、單頻、難以調(diào)整相位和極化方式、非方位對稱、增益特性好、不需要底板增益特性好、不需要底板 空間螺旋天線空間螺旋天線 雙頻、增益特性好、側(cè)

15、視角高、非方位對稱雙頻、增益特性好、側(cè)視角高、非方位對稱 背腔平面盤旋天線背腔平面盤旋天線全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的用戶部分的用戶部分 天線單元天線單元 天線特性天線特性 相位中心、增益方式、帶寬、相位中心、增益方式、帶寬、極化極化 相位中心相位中心 平均相位中心與幾何中心平均相位中心與幾何中心 相位中心的偏移相位中心的偏移 相位中心偏移的消除：歸心相位中心偏移的消除：歸心改正、消去法改正、消去法 天線高天線高 標(biāo)志至平均相位中標(biāo)志至平均相位中心所在平面的垂直距離心所在平面的垂直

16、距離L2的平均相位中心12L1的平均相位中心sincosrYYrXX平均相位中心幾何中心平均相位中心幾何中心r1r2HHHHhHRhHHH22R全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的用戶部分的用戶部分 接收單元接收單元 接收（信號）通道接收（信號）通道 定義：接收機(jī)中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號的部件，由無定義：接收機(jī)中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號的部件，由無線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。 類型：根據(jù)信號跟蹤方式：序慣通道、多路復(fù)用通道和多通道；類型：根據(jù)信號跟蹤方式：序慣通道、多路復(fù)用通道和多通道；