GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)

1、第二章 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)第一節(jié) GPS系統(tǒng)的組成學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)目的、要求：掌握GPS系統(tǒng)的組成部分； 掌握GPS衛(wèi)星信號(hào)的組成； 了解GPS系統(tǒng)組成部分及衛(wèi)星信號(hào)的相關(guān)知識(shí) 教學(xué)內(nèi)容概述： 一、GPS系統(tǒng)的組成：GPS系統(tǒng)主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備三大部分組成， (圖21)。1 空間星座部分GPS空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成，21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座。如圖2-2所示，這24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行，各個(gè)軌道平面之間相距60°，軌道平均高度20200km 。衛(wèi)星的運(yùn)行周期，即繞地球一周的時(shí)間約為1

2、2恒星時(shí)(11小時(shí)58分)。GPS衛(wèi)星星座的功能主要為（1）用L波段的兩個(gè)無(wú)線載波(19cm和24cm波)向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)。包括提供精密時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、粗略導(dǎo)航定位偽距CA碼、精密測(cè)距P碼和反映衛(wèi)星當(dāng)前空間位置和衛(wèi)星工作狀態(tài)的導(dǎo)航電文。 （2）在衛(wèi)星飛越注入站上空時(shí)，接收由地面注入站用S波段(10cm波段)發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其它有關(guān)信息，并適時(shí)發(fā)送給廣大用戶。 （3）接收地面主控站通過(guò)注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，適時(shí)地調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，改正衛(wèi)星運(yùn)行軌道偏差，啟用備用衛(wèi)星。 GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg，兩側(cè)設(shè)有兩塊雙葉太陽(yáng)能板，能自動(dòng)對(duì)日定向，以保

3、證衛(wèi)星正常供電(圖23)。2 衛(wèi)星監(jiān)控部分GPS的控制部分由分布在全球的若干個(gè)跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成，根據(jù)其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站，其分布如圖24所示。2.1 主控站主控站有一個(gè)，設(shè)在美國(guó)本土科羅拉多（Colorado）· 斯平士(Colorado Springs)的聯(lián)合空間執(zhí)行中心CSOC。2.2 監(jiān)控站現(xiàn)有5個(gè)地面站均具有監(jiān)測(cè)站的功能，除了主控站外，其它四個(gè)分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài)；2.

4、3 注入站 注入站的作用是將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等信息注入到衛(wèi)星中去。注入站現(xiàn)有三個(gè)，分別設(shè)在印度洋的迭哥加西亞(Diego Garcia)、南大西洋阿松森島Ascencion)和南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。注入站的主要設(shè)備包括一臺(tái)直徑為3.6m的天線，一臺(tái)C波段發(fā)射機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。3 用戶部分GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)及其終端設(shè)備、氣象儀器等所組成。而GPS接收機(jī)硬件，一般包括主機(jī)、天線、控制器和電源，主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，獲得必

5、要的導(dǎo)航和定位信息及觀測(cè)量；對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。并經(jīng)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位；GPS軟件部分是指各種后處理軟件包，其主要作用是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精加工，以便獲得精密定位結(jié)果。以上這三個(gè)部分共同組成了一個(gè)完整的GPS系統(tǒng)。二、GPS衛(wèi)星信號(hào)1 GPS衛(wèi)星信號(hào)構(gòu)成及產(chǎn)生1.1 載波L1、L1由衛(wèi)星上的原于鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率f01.023MHz倍頻154倍和120倍產(chǎn)生。1.2 測(cè)距碼1.3 導(dǎo)航電文導(dǎo)航信息被調(diào)制在L1載波上，其信號(hào)頻率為5

6、0Hz，包含有GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其它一些系統(tǒng)參數(shù)。用戶一般需要利用此導(dǎo)航信息來(lái)計(jì)算某一時(shí)刻GPS衛(wèi)星在地球軌道上的位置，導(dǎo)航信息也被稱為廣播星歷。2 GPS的測(cè)距碼信號(hào)測(cè)距碼是用于測(cè)定從衛(wèi)星至接收機(jī)間距離的二進(jìn)制碼。 2.1 CA碼(CoarseAcquisition Code) 用于進(jìn)行粗略測(cè)距和捕獲精碼的測(cè)距碼稱為粗碼，也稱捕獲碼。CA碼的測(cè)距精度一段為±(2-3) m。CA碼是一種結(jié)構(gòu)公開(kāi)的明碼，供全世界所有的用戶免費(fèi)使用。2.2 P碼(Precision Code)用于精確測(cè)定從GPS衛(wèi)星至接收機(jī)距離的測(cè)距碼稱為精碼。2.3 L2C碼3 CPS衛(wèi)星的載波信號(hào)

7、可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)的高頻振蕩波稱為載波。GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號(hào)，由于它們均位于微波的L波段，故分別稱為L(zhǎng) 1載波和L2載波。即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，它們的波長(zhǎng)分別為19.03cm和24.42cm，如圖2-6所示。4 GPS導(dǎo)航電文 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文是用戶利用GPS定位和導(dǎo)航所必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。它主要提供了衛(wèi)星在空間的位置、衛(wèi)星的工作狀態(tài)、衛(wèi)星鐘的修正參數(shù)、電離層延遲修正參數(shù)等重要信息。這些信息是以二進(jìn)制碼的形式按規(guī)定格式編碼，并按幀發(fā)給用戶接收機(jī)，因此又稱之為數(shù)據(jù)碼(D碼)。導(dǎo)航電文的傳輸速率為50bits，以“幀”為單位向外發(fā)送。每

8、幀的長(zhǎng)度為1500bit，播發(fā)完一個(gè)主幀需30s。一個(gè)主幀包括5個(gè)子幀。每個(gè)子幀均包含300bit，播發(fā)時(shí)間為6s。每個(gè)子幀又可分為10個(gè)字，每個(gè)字都由30bit組成。其中第四、五兩個(gè)子幀各有25個(gè)頁(yè)面，需要750s才能將25個(gè)頁(yè)面全部播發(fā)完。第一、 二、三子幀每30s重復(fù)一次，其內(nèi)容每隔2h更新一次。第四、五子幀每30s翻轉(zhuǎn)一頁(yè)，12.5min完整地播發(fā)一次，然后再重復(fù)。其內(nèi)容僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新。 4.1遙測(cè)碼(telemetry word，TLW)4.2轉(zhuǎn)換碼(hand over word，HOW)4.3第一數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊是位于第1子幀的第310字碼，它的主要內(nèi)容包括：

9、 (1)時(shí)延差改正Tgd (2)數(shù)據(jù)齡期AODC (3)星期序號(hào)WN (4)衛(wèi)星時(shí)鐘改正 4.4 第二數(shù)據(jù)塊導(dǎo)航電文的第2和第3子幀組成第二數(shù)據(jù)塊，其內(nèi)容為GPS衛(wèi)星星歷，即描述衛(wèi)星運(yùn)行及其軌道參數(shù)的信息，提供有關(guān)計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行位置的數(shù)據(jù)，它是GPS衛(wèi)星向?qū)Ш?、定位用戶播發(fā)的主要電文，描述衛(wèi)星的運(yùn)行及其軌道參數(shù)包括以下三類： (1)開(kāi)普勒軌道六參數(shù) (2)軌道攝動(dòng)九參數(shù)(3)時(shí)間二參數(shù)： 4.5 第三數(shù)據(jù)塊重點(diǎn)：掌握GPS系統(tǒng)的組成部分； 掌握GPS衛(wèi)星信號(hào)的組成； 了解GPS系統(tǒng)組成部分及衛(wèi)星信號(hào)的相關(guān)知識(shí)難點(diǎn)：GPS系統(tǒng)的組成部分； GPS衛(wèi)星信號(hào)的組成；思考題（作業(yè)）：1、簡(jiǎn)述GPS衛(wèi)星定

10、位系統(tǒng)的組成，并說(shuō)明各部分的作用。2、簡(jiǎn)述GPS衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生及構(gòu)成特點(diǎn)。備注（教學(xué)組織形式、教學(xué)方法與手段等及其它需注明的問(wèn)題）： 1充分利用多媒體顯示大量的表格和圖片詳細(xì)介紹GPS定位系統(tǒng)的三個(gè)組成部分，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。 2以簡(jiǎn)單的圖表顯示出GPS信號(hào)的諸多內(nèi)容、GPS信號(hào)接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使學(xué)生從宏觀上掌握GPS信號(hào)的組成、GPS接收設(shè)備的工作原理。課后記： 講授宜分模塊進(jìn)行。首先詳細(xì)介紹GPS系統(tǒng)的三個(gè)組成部分，再?gòu)男l(wèi)星的發(fā)射過(guò)程談起，逐步過(guò)渡GPS信號(hào)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)及傳播。使學(xué)生既了解GPS系統(tǒng)的相互關(guān)系及運(yùn)行過(guò)程第二章 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)第二節(jié) GPS衛(wèi)星信號(hào)第三節(jié) GPS衛(wèi)星星歷

11、學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)目的、要求：1、理解衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)； 2、掌握GPS衛(wèi)星星歷的含義及衛(wèi)星位置的計(jì)算教學(xué)內(nèi)容概述：1 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ) GPS衛(wèi)星的星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)行及其軌道的參數(shù)，它的主要作用是利用GPS衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)，計(jì)算衛(wèi)星在空間的瞬時(shí)位置。而研究GPS衛(wèi)星在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的瞬時(shí)位置，就是GPS衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng)理論。本節(jié)首先對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)理論作簡(jiǎn)要介紹。 衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星位置及狀態(tài)的參數(shù)，稱為衛(wèi)星軌道參數(shù)。為了研究衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，一般將衛(wèi)星受到的作用力分為兩類：一類是地球質(zhì)心引力；另一類是攝動(dòng)力。1.1 衛(wèi)星無(wú)攝運(yùn)動(dòng)開(kāi)普勒軌道參數(shù)或稱開(kāi)普勒軌道根數(shù)?，F(xiàn)將這組參數(shù)

12、的慣用符號(hào)及其定義，綜合介紹如下： W升交點(diǎn)的赤經(jīng)，即在地球赤道平面上，升交點(diǎn)與春分點(diǎn)之間的地心夾角(升交點(diǎn)，即當(dāng)衛(wèi)星由南向北運(yùn)行時(shí)軌道與地球赤道面的一個(gè)交點(diǎn))。 i軌道面的傾角，即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。 上兩個(gè)參數(shù)，唯一地確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體之間的相對(duì)定向，稱之為軌道平面定向參數(shù)。 ws近地點(diǎn)角距，即在軌道平面上，升交點(diǎn)與近地點(diǎn)之間的地心夾角，這一參數(shù)表達(dá)了開(kāi)普勒橢圓在軌道面上的定向，稱之為軌道橢圓定向參數(shù)。n為觀測(cè)時(shí)刻衛(wèi)星的平均角速度。設(shè)衛(wèi)星沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)的周期為T(mén)，則n=2p/T。t0為第六個(gè)積分常數(shù)，即t0是衛(wèi)星過(guò)近地點(diǎn)時(shí)刻，它給出了輔助參數(shù)E與時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系。E

13、S為偏近點(diǎn)角。我們得到了以軌道參數(shù)表示的六個(gè)積分常數(shù)參數(shù)as、es、W、i、ws和t0。若已知六個(gè)軌道參數(shù)，就可以唯一地確定衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。也就是說(shuō)，已知六個(gè)軌道參數(shù)可以確定任意時(shí)刻的衛(wèi)星位置及其運(yùn)動(dòng)速度。1.2 . 衛(wèi)星受攝運(yùn)動(dòng)在攝動(dòng)力作用下，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)稱為受攝運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道。1.2 .1用直角坐標(biāo)表示的受攝運(yùn)動(dòng)方程1.2 .2 用軌道參數(shù)表示的受攝運(yùn)動(dòng)方程2 GPS衛(wèi)星星歷 描述某一時(shí)刻衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的參數(shù)及其變率稱衛(wèi)星星歷。精確的軌道信息是精密定位的基礎(chǔ)。GPS衛(wèi)星星歷分為預(yù)報(bào)星歷(廣播星歷)和后處理星歷(精密星歷)。2.1 預(yù)報(bào)星歷 是通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電

14、文傳遞給用戶的，用戶接收機(jī)接收到這些信號(hào)，經(jīng)過(guò)解碼便可獲得所需要的衛(wèi)星星歷，所以這種星歷也叫廣播歷。衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷，通常包括相對(duì)某一參考?xì)v元的開(kāi)普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動(dòng)正項(xiàng)參數(shù)。參考?xì)v元的衛(wèi)星開(kāi)普勒軌道參數(shù)，也叫參考星歷，它是根據(jù)GPS監(jiān)測(cè)站約一周的觀測(cè)資料推算的。預(yù)報(bào)星歷的內(nèi)容包括：參考?xì)v元瞬間的開(kāi)普勒6個(gè)參數(shù)，反映攝動(dòng)力影響的9個(gè)參數(shù)，以及1個(gè)參考時(shí)刻和星歷數(shù)據(jù)齡期，共計(jì)17個(gè)星歷參數(shù)。這些參數(shù)通過(guò)GPS衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶。 2.2 后處理星歷 由于GPS衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷是根據(jù)跟蹤站前一段時(shí)間的觀測(cè)資料，外推的參考軌道參數(shù)，并加入軌道的攝動(dòng)改正后得到的外推星歷。因

15、此，廣播星歷包含外推誤差其精度必然受到限制，不能滿足某些從事精密定位工作的用戶要求。 后處理星歷，是根據(jù)地面跟蹤站所獲得的精密觀測(cè)資料計(jì)算而得到的星歷，它是一種不包含外推誤差的實(shí)測(cè)星歷，可為用戶提供觀測(cè)時(shí)刻的衛(wèi)星精密星歷，其精度可達(dá)米級(jí)，以后其精度有望進(jìn)一步提高到分米級(jí)。3 GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算3.1 用廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置第一步：計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度n第二步：計(jì)算觀測(cè)瞬間衛(wèi)星的平近點(diǎn)角M第三步：計(jì)算偏近點(diǎn)角第四步：計(jì)算真近點(diǎn)角第五步：計(jì)算升交距角第六步：計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng)第七步：對(duì)升交距角m、衛(wèi)星矢徑r、軌道傾角i進(jìn)行攝動(dòng)改正第八步：計(jì)算衛(wèi)星在軌道面坐標(biāo)系中的位置 第九步：計(jì)算觀測(cè)瞬間升交點(diǎn)的經(jīng)度L第十步：計(jì)算衛(wèi)星在瞬時(shí)地球坐標(biāo)系中的位置第十一步：計(jì)算衛(wèi)星在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的位置重點(diǎn)：1、