衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星的坐標計算課件

第三章衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星的坐標計算3.1概述3.2衛(wèi)星的無攝運動3.3衛(wèi)星的受攝運動3.4GPS衛(wèi)星星歷3.5GPS衛(wèi)星的坐標計算1/3/2023第三章衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星的坐標計算3.1概述12/1三、衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星的坐標計算3.1概述軌道參數(shù)：衛(wèi)星在空間運行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。人衛(wèi)軌道理論的研究意義：進行GPS導航和測量時，GPS衛(wèi)星是作為瞬時空間位置已知的高空觀測目標，須要軌道參數(shù)描述。在進行絕對定位時，衛(wèi)星軌道誤差將直接影響用戶接收機位置的精度；而在相對定位時，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會減弱，但當基線較長或精度要求較高時，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂GPS測量的觀測計劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號，也需要知道衛(wèi)星的軌道參數(shù)。1/3/2023三、衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星的坐標計算3.1概述軌道參數(shù)：21/3/202312/27/20223作用在衛(wèi)星上的外力地球引力地球質心引力：將地球作為勻質球體(中心力或非攝動力）地球非球形引力(也稱地球形狀攝動力)日、月及其它天體的引力大氣阻力太陽光壓其它作用力（如：地磁、地球潮汐攝動等）攝動力，也稱非中心力1/3/2023作用在衛(wèi)星上的外力地球引力攝動力，也稱非中心力12/27/24衛(wèi)星軌道無攝軌道：受非攝動力作用的衛(wèi)星軌道。理想狀態(tài)的衛(wèi)星軌道。受攝軌道：受攝動力作用的衛(wèi)星軌道。對軌道的分析研究：由無攝軌道到受攝軌道分2步：二體問題：忽略所有攝動力，僅考慮地球質心引力研究衛(wèi)星相對于地球的運動規(guī)律研究各種攝動力的影響，修正無攝軌道，確定受攝運動軌道的瞬時特征。1/3/2023衛(wèi)星軌道無攝軌道：受非攝動力作用的衛(wèi)星軌道。理想狀態(tài)的衛(wèi)星軌53.2衛(wèi)星的無攝運動開普勒（1571－1630）衛(wèi)星運動三定律：衛(wèi)星運行的軌道是一個橢圓，而該橢圓的一個焦點與地球的質心重合；衛(wèi)星的地心距真近點角橢圓扁心率橢圓長半徑2、衛(wèi)星的地心向徑，在相同的時間內所掃過的面積相等；衛(wèi)星在近地點處速度最大，遠地點最小。3、衛(wèi)星運行周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量衛(wèi)星運動的平均角速度1/3/20233.2衛(wèi)星的無攝運動開普勒（1571－1630）衛(wèi)星運61/3/202312/27/20227a：橢圓軌道的長半徑e：橢圓軌道的偏心率i：橢圓軌道平面的傾角（軌道平面與地球赤道面的夾角）Ω：升交點的赤經：橢圓軌道近地點角距f：衛(wèi)星的真近點角(與時間T有關)，衛(wèi)星與近地點之間的地心角距。Kepler六個軌道根數(shù)1/3/2023a：橢圓軌道的長半徑Kepler六個軌道根數(shù)12/27/28英文名稱中文名稱符號意義Inclinationoforbitalplane軌道平面傾角i決定軌道平面的空間位置Rightascensionoftheascendingnode升交點赤經ΩSemi-majoraxisoforbitalellipse軌道橢圓的長半徑a決定軌道橢圓的大小Nunerialeccentricityofellipse軌道橢圓的偏心率e決定軌道橢圓的形狀Argumentofperigee近地點角距（幅角）ω決定近地點在軌道橢圓上的位置Meananomaly平近點角M衛(wèi)星以平均角速度n0運行的角度1/3/2023英文名稱中文名稱符號意義Inclinationoforb9概述攝動因素包括：地球形狀攝動，日、月引力，大氣阻力攝動，光壓攝動，潮汐攝動等。3.3衛(wèi)星的受攝運動1/3/2023概述3.3衛(wèi)星的受攝運動12/27/202210大氣阻力月球引力太陽引力地球中心引力太陽直接與間接輻射壓力地球非中心引力1/3/2023大氣阻力月球引力太陽引力地球中心引力太陽直接與間接輻射壓力地113.4GPS衛(wèi)星星歷預報星歷（廣播星歷）用跟蹤站以往時間的觀測資料推求的參考軌道參數(shù)為基礎，并加入軌道攝動項改正而外推的星歷。用戶在觀測時可以通過導航電文實時得到，對導航和實時定位十分重要。但是精度較低通常以衛(wèi)星軌道根數(shù)的方式給出，包括相對于某一參考歷元的Kepler軌道參數(shù)和必要的軌道攝動改正項參數(shù)1/3/20233.4GPS衛(wèi)星星歷預報星歷（廣播星歷）12/27/20212精密星歷這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀測時的衛(wèi)星精密軌道信息，因此稱后處理星歷或精密星歷。該星歷的精度目前可達分米。通常由GPS服務機構提供（如IGS），精度高，但是往往有一定的時間延遲，適合于GPS數(shù)據(jù)的后處理應用通常以地球坐標系（直角坐標）的方式給出1/3/2023精密星歷這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀測時的衛(wèi)星精13廣播星歷廣播星歷——主要參數(shù)是：（AODE）星歷表數(shù)據(jù)齡期軌道半徑的正弦調和項改正的振幅（m）衛(wèi)星平均角速度修正量。即由精密星歷計算得到的平均角速度,與按給定參數(shù)計算得到的平均角速度之差（弧度）。toe參考時刻的平近點角緯度幅角U=（+f）余弦調和項改正的振幅（弧度）。軌道偏心率緯度幅角U=（+f）正弦調和項改正的振幅（弧度）。軌道長半軸的方根星歷參數(shù)的參考歷元，星歷表基準時間。從星期六／星期日子夜開始度量。軌道傾角的余弦調和項改正的振幅（弧度）。參考時刻的升交點赤經（oe）與GPS周開始時格林尼治赤經GASTW之差軌道傾角的正弦調和項改正的振幅（弧度）。參考時刻的軌道傾角軌道半徑的余弦調和項改正的振幅（m）近地點角距升交點赤經變率（s/rad）軌道傾角變率（s/rad）GPS用戶通過衛(wèi)星廣播星歷可以獲得的有關衛(wèi)星星歷參數(shù)共16個1/3/2023廣播星歷廣播星歷——主要參數(shù)是：（AODE）星歷表數(shù)據(jù)齡期星14星歷參數(shù)詳細說明1/3/2023星歷參數(shù)詳細說明12/27/2022151/3/202312/27/202216從星期日子夜零點開始度量的星歷參考時刻1/3/2023從星期日子夜零點開始度量的星歷參考時刻12/27/202217

3.5

GPS衛(wèi)星的坐標計算根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置計算思路首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系下的位置然后將上述坐標分別繞X軸旋轉-i角、繞Z軸旋轉-k()角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標1/3/20233.5GPS衛(wèi)星的坐標計算根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置118衛(wèi)星的瞬時位置在軌道直角坐標系中衛(wèi)星的位置指向近地點與地球質心重合Z軸垂直于軌道平面在軌道平面垂直x軸構成右手系升交距角u=ω+f1/3/2023衛(wèi)星的瞬時位置在軌道直角坐標系中衛(wèi)星的位置指向近地點與地球質19在天球坐標系中衛(wèi)星的位置繞z順轉ω使x軸由近地點改為升交點繞x順轉i使z與Z重合繞z順轉Ω使x與X重合天球坐標系軌道直角坐標系1/3/2023在天球坐標系中衛(wèi)星的位置繞z順轉ω使x軸由近地點改為升交點繞20軌道平面坐標系1/3/2023軌道平面坐標系12/27/2022211/3/202312/27/202222計算過程計算衛(wèi)星運行的平均角速度計算t時刻衛(wèi)星的平近點角計算偏近點角計算真近點角1/3/2023計算過程計算衛(wèi)星運行的平均角速度計算t時刻衛(wèi)星的平近點角計算23求解衛(wèi)星的真近點角f偏近點角E平近點角M衛(wèi)星在軌道上運動的平均角速度由開普勒方程，如何求E(p48迭代法）?1/3/2023求解衛(wèi)星的真近點角f偏近點角E衛(wèi)星在軌道上運動的平均角速度由24計算過程（續(xù)）計算升交距角計算衛(wèi)星向徑計算攝動改正項計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系中的位置近地點角距1/3/2023計算過程（續(xù)）計算升交距角計算衛(wèi)星向徑計算攝動改正項計算衛(wèi)星25計算過程（續(xù)）計算升交點經度1/3/2023計算過程（續(xù)）計算升交點經度12/27/202226觀測時升交點經度觀測時升交點赤經1/3/2023觀測時升交點經度觀測時升交點赤經12/27/202227觀測時GAST星歷中升交點赤經地球的自轉速度t0:

一周開始的GPS時1/3/2023觀測時GAST星歷中升交點赤經地球的自轉速度t0:一周開始28計算在地球坐標系中衛(wèi)星的位置瞬時地球坐標系瞬時天球坐標系春分點的格林尼治時協(xié)議地球坐標系瞬時地球坐標系考慮地極的移動R2（-xp）R1（-yp）1/3/2023計算在地球坐標系中衛(wèi)星的位置瞬時地球坐標系瞬時天球坐標系春分29計算在地球坐標系中衛(wèi)星的位置1/3/2023計算在地球坐標系中衛(wèi)星的位置12/27/202230RINEXNavigationFile160422000.01.622177660470D-05-3.410605131650D-130.000000000000D+002.260000000000D+024.093750000000D+004.750912180280D-09-3.065364387090D+002.440065145490D-072.088212058880D-036.336718797680D-065.153752786640D+038.640000000000D+048.009374141690D-088.074130675150D-013.725290298460D-099.610307917500D-012.563437500000D+02-1.523975627820D+00-7.997833141850D-092.121516941120D-101.000000000000D+001.256000000000D+030.000000000000D+002.000000000000D+000.000000000000D+00-9.778887033460D-097.380000000000D+028.639900000000D+04

導航電文文件的數(shù)據(jù)記錄格式說明衛(wèi)星的PRN號/歷元(年月日時分秒)/衛(wèi)星種的偏差(s)/衛(wèi)星種的漂移(s/s)/衛(wèi)星種的漂移速度(s/s2)廣播軌道3廣播軌道1廣播軌道2廣播軌道4廣播軌道51/3/2023RINEXNavigationFile導航電文文31根據(jù)精密星歷計算衛(wèi)星位置精密星歷的特點按一定時間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標系下的三維位置、三維速度和鐘差任意時刻t衛(wèi)星位置的計算原理：插值法方法：拉格朗日插值法1/3/2023根據(jù)精密星歷計算衛(wèi)星位置12/27/202232精密星歷*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.342142383.6704281/3/2023精密星歷12/27/202233［1］試述描述GPS衛(wèi)星正常軌道運動的開普勒三大定律。

［2］試畫圖并用文字說明開普勒Kepler軌道6參數(shù)。

［3］廣播星歷中的有什么意義？在衛(wèi)星坐標的計算中主要作用是什么？

［4］簡述地球人造衛(wèi)星軌道運動所受到的各種攝動力。

［5］地球引力場攝動力對衛(wèi)星的軌道運動有什么影響?

［6］日、月引力對衛(wèi)星的軌道運動有什么影響?

［7］簡述太陽光壓產生的攝動力加速度，并說明它對衛(wèi)星軌道運動有何影響?

［8］綜述考慮攝動力影響的GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)。

［9］試寫出計算GPS衛(wèi)星瞬時位置的步驟。思考題1/3/2023［1］試述描述GPS衛(wèi)星正常軌道運動的開普勒三大定律。

34計算題計算地球同步軌道衛(wèi)星的軌道高度？（地球半徑取6371km，GM取398600km3/s2）已知衛(wèi)星軌道參數(shù)為：e=0.006784212;a=26560128.937m,M(平近點角)=-0.290282rad;i=0.958512rad,ω=-2.584194rad;Ω=-1.378360radt=4h(GAST);GM=3986005*108(m3s-2)求衛(wèi)星在地球坐標系中的坐標?1/3/2023計算題計算地球同步軌道衛(wèi)星的軌道高度？（地球半徑取6371k354.1GPS衛(wèi)星信號第四章、GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號有關碼的基本概念二進制數(shù)：0,1碼：表達不同信息的二進制數(shù)及其組合碼元，比特：碼的度量單位，一位二進制數(shù)稱1碼元或1比特數(shù)碼率，碼率：二進制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)，單位為BPS(bit/s)1/3/20234.1GPS衛(wèi)星信號第四章、GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號36隨機噪聲碼：碼元幅度的取值完全無規(guī)律的碼序列，也稱隨機碼序列隨機噪聲碼的自相關性偽隨機噪聲碼（PseudoRandomNoise-PRN）：不僅具有類似隨機噪聲碼的良好自相關特性，而且具有確定的編碼規(guī)則，周期性的且易復制tu011/3/2023隨機噪聲碼：碼元幅度的取值完全無規(guī)律的碼序列，也稱隨機碼序列37碼長：二進制數(shù)中碼元的個數(shù)周期：產生一序列PRN碼的時間碼元寬：產生一個碼的時間或對應的距離tu15tutu=2r-1r=4=151234可經歷15種不同的狀態(tài)即所產生的碼長Nu=15末級輸出的二進制數(shù)為:111100010011010C/A碼碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)：1023；碼元寬度：293.05m；P（Y）碼；碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數(shù)：6187104000000；碼元寬度：29.30m；1/3/2023碼長：二進制數(shù)中碼元的個數(shù)15tutu=2r-1r=4=1538表4-1四級反饋移位寄存器狀態(tài)序列狀態(tài)編號

各級狀態(tài)④③②①模二加反饋③+④末級輸出的二進制數(shù)

11111012111001311000141000115000100600100070100108100111900110010011010111101011121010111301011014101111150111101/3/2023表4-1四級反饋移位寄存器狀態(tài)序列狀態(tài)編號各級狀態(tài)模二39P碼：2組各有2個12級反饋移位寄存器構成，碼長Nu=2.35X1014C/A碼：2個10級反饋移位寄存器相組合產生，碼長Nu=1010-1=10231/3/2023P碼：C/A碼：12/27/202240GPS衛(wèi)星信號的結構包括載波（Carrier）、測距碼（Code）和衛(wèi)星（導航）電文（Message）載波：L1L2測距碼：C/A碼（目前只被調制在L1上）P(Y)碼（被分別調制在L1和L2上）數(shù)據(jù)碼：衛(wèi)星（導航）電文1/3/2023GPS衛(wèi)星信號的結構12/27/202241GPS衛(wèi)星的基準頻率f0由衛(wèi)星上的原子鐘直接產生頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻或分頻λ=c/f1/3/2023GPS衛(wèi)星的基準頻率f0λ=c/f12/27/202242÷20460000波長：24.42cm波長：19.03cm1/3/2023÷20460000波長：24.42cm波長：19.03cm143f0x120f0x154f0基本頻率控制產生三種信號分量TwoCarrierFrequencies（載波頻率）L1is154xf0=1575.42MHz,whichhasawavelengthof0.19mL2is120xf0=1227.6MHz,whichhasawavelengthof0.24m1/3/2023f0x120f0x154f0基本頻率控制產生三種信號44載波作用搭載其它調制信號測距測多普勒頻移類型目前L1頻率：154f0=1575.43MHz；波長：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長：24.42cm現(xiàn)代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm1/3/2023載波12/27/202245測距碼作用：測距性質：為偽隨機噪聲碼類型目前C/A碼（Coarse/AcquisitionCode）–粗碼/捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)：1023；碼元寬度：293.05m(0.97752μs)；僅被調制在L1上P（Y）碼（PrecisionCode）–精碼；碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數(shù)：6.19×1012；碼元寬度：29.30m(0.097752μs)；被調制在L1和L2上現(xiàn)代化后在L2上調制C/A碼在L1和L2增加調制M碼2個10級反饋移位寄存器相組合產生，碼長Nu=1010-1=10232組各有2個12級反饋移位寄存器構成，碼長Nu=2.35X10141/3/2023測距碼2個10級反饋移位寄存器相組合產生，碼長Nu=101046C/A碼的碼元寬度較大，測距誤差2.9米（碼寬293.1米）P碼的碼元寬度較小，測距誤差0.29米（碼寬29.3米）1/3/2023C/A碼的碼元寬度較大，測距誤差2.9米（碼寬293.1474.2GPS衛(wèi)星導航電文衛(wèi)星（導航）電文定義：包含有關衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼（D碼）作用：向用戶播發(fā)衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息基本結構1/3/20234.2GPS衛(wèi)星導航電文衛(wèi)星（導航）電文12/27/20248按幀播發(fā)，播發(fā)速度50BPS每主幀含5個子幀,共25主幀每子幀10個字，每字30bit,每子幀300bit,持續(xù)播發(fā)6s主幀之間，1、2、3子幀每小時更新一次，4，5子幀僅在衛(wèi)星注入新的導航數(shù)據(jù)后才更新1/3/2023按幀播發(fā)，播發(fā)速度50BPS12/27/202249整個導航電文的內容重復一次需要多長時間?1/3/2023整個導航電文的內容重復一次需要多長時間?12/27/202250導航電文的基本內容第三數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊1/3/2023導航電文的基本內容第三數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊12/27/51衛(wèi)星（導航）電文（續(xù)）遙測字（TLM–TelemetryWord）每一子幀的第1個字用作捕獲導航電文的前導轉換碼（交接字）（HOW–HandOverWord）每一子幀的第2個字主要內容：捕獲P碼的Z計數(shù)（從每周開始子夜零時起算的時間計數(shù)，表示下一子幀開始瞬間的GPS時，為實用方便一般為發(fā)播的子幀數(shù)1子幀/6s）12346s12s18s24s604794s100799星期六/星期日子夜星期六/星期日子夜0時GPS時Z計數(shù)0時P碼字碼X1的周期（1.5秒）的重復數(shù)。因此，當知道了Z計數(shù)，便能較快地捕獲到P碼。1/3/2023衛(wèi)星（導航）電文（續(xù)）12346s12s18s24s604752衛(wèi)星（導航）電文（續(xù)）第一數(shù)據(jù)塊第1子幀的第3~10個字內容：WN–GPS周,1980/01/06協(xié)調時零點起算L2所調制測距碼標識符–“10”表示C/A碼，“01”表示P(Y)碼傳輸參數(shù)N–URATGD–信號在衛(wèi)星內部的時延星鐘數(shù)據(jù)齡期AODC星鐘改正參數(shù)a0（鐘偏），a1（鐘速），a2（鐘漂）第一數(shù)據(jù)塊的參考時刻最近一次更新星歷數(shù)據(jù)的時間1/3/2023衛(wèi)星（導航）電文（續(xù)）第一數(shù)據(jù)塊的參考時刻最近一次更新星歷數(shù)53衛(wèi)星（導航）電文（續(xù)）第二數(shù)據(jù)塊第2、3子幀的第3~10個字內容：為發(fā)送信號衛(wèi)星的星歷－廣播星歷星歷參數(shù)從星期日子夜零點開始度量的星歷參考時刻1/3/2023衛(wèi)星（導航）電文（續(xù)）從星期日子夜零點開始度量的星歷參考時刻54衛(wèi)星（導航）電文（續(xù)）第三數(shù)據(jù)塊第4、5子幀的第3~10個字內容：所有衛(wèi)星歷書（概略星歷）第三數(shù)據(jù)塊的內容每12.5分鐘重復一次1/3/2023衛(wèi)星（導航）電文（續(xù)）12/27/202255衛(wèi)星信號的調制模二和運算規(guī)則二進制信號：“1”(碼狀態(tài))表示二進制“0”(碼值)，“-1”表示二進制“1”，則1/3/2023衛(wèi)星信號的調制12/27/202256二進制信號的相位調制調相技術1/3/2023二進制信號的相位調制調相技術12/27/202257衛(wèi)星信號的調制框圖1/3/2023衛(wèi)星信號的調制12/27/202258L1載波C/A碼P碼（Y碼）數(shù)據(jù)碼L2載波P碼（Y碼）數(shù)據(jù)碼Acarrierwavecanbecharacterizedbyitswavelength(l)orfrequency(f)Thefrequencyandwavelengtharerelatedbythefollowingexpression:

l=c/f;andf=c/l;wherec=speedoflight(2.99792458x108m/s)Thehigherthefrequency,theshorterthewavelengthThelowerthefrequency,thelongerthewavelength調制調制1/3/2023L1載波C/A碼L2載波P碼（Y碼）Acarrier59衛(wèi)星信號的解調復制碼與衛(wèi)星信號相乘（電位相乘，二進制數(shù)模二相加）:去掉測距碼,但恢復的載波含有數(shù)據(jù)碼(D)平方解調技術（電位平方）:處于±1狀態(tài)的調制碼經過平方后均為1,恢復載波中的測距碼和數(shù)據(jù)碼同時被去掉1/3/2023衛(wèi)星信號的解調12/27/202260本章思考題［1］名詞解釋：碼；碼元(比特)；數(shù)碼率；自相關系數(shù)；信號調制；信號解調；SA技術。

［2］試說明什么是隨機噪聲碼?什么是偽隨機噪聲碼?

［3］C/A碼和P碼是怎樣產生的?

［4］試述C/A碼和P碼的特點。

［5］試述偽隨機噪聲碼測距原理。

［6］試述導航電文的組成格式。

［7］名詞解釋：遙測字；交接字；數(shù)據(jù)齡期；時延差改正；傳輸參數(shù)。

［8］簡述導航電文數(shù)據(jù)塊Ⅱ的主要內容。

［9］什么是預報星歷?什么是后處理星歷?

［10］試通過圖表說明GPS信號是怎樣構成的?

［11］試寫出調制后的GPS信號表達式。

［12］繪圖說明載波與測距碼信號調制的原理。

［13］試述GPS接收機的硬件和軟件。

［14］試述GPS接收機的分類。[15]接收機天線的相位中心與其幾何中心的區(qū)別在哪里？1/3/2023本章思考題12/27/202261作業(yè)1：GPS信號是由哪幾部分組成的，各部分有什么作用？2：什么是偽隨機噪聲碼？3：GPS衛(wèi)星導航電文的基本結構是怎樣的？1/3/2023作業(yè)1：GPS信號是由哪幾部分組成的，各部分有什么作用？162第三章衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星的坐標計算3.1概述3.2衛(wèi)星的無攝運動3.3衛(wèi)星的受攝運動3.4GPS衛(wèi)星星歷3.5GPS衛(wèi)星的坐標計算1/3/2023第三章衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星的坐標計算3.1概述12/63三、衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星的坐標計算3.1概述軌道參數(shù)：衛(wèi)星在空間運行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。人衛(wèi)軌道理論的研究意義：進行GPS導航和測量時，GPS衛(wèi)星是作為瞬時空間位置已知的高空觀測目標，須要軌道參數(shù)描述。在進行絕對定位時，衛(wèi)星軌道誤差將直接影響用戶接收機位置的精度；而在相對定位時，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會減弱，但當基線較長或精度要求較高時，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂GPS測量的觀測計劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號，也需要知道衛(wèi)星的軌道參數(shù)。1/3/2023三、衛(wèi)星運動基礎及GPS衛(wèi)星的坐標計算3.1概述軌道參數(shù)：641/3/202312/27/202265作用在衛(wèi)星上的外力地球引力地球質心引力：將地球作為勻質球體(中心力或非攝動力）地球非球形引力(也稱地球形狀攝動力)日、月及其它天體的引力大氣阻力太陽光壓其它作用力（如：地磁、地球潮汐攝動等）攝動力，也稱非中心力1/3/2023作用在衛(wèi)星上的外力地球引力攝動力，也稱非中心力12/27/266衛(wèi)星軌道無攝軌道：受非攝動力作用的衛(wèi)星軌道。理想狀態(tài)的衛(wèi)星軌道。受攝軌道：受攝動力作用的衛(wèi)星軌道。對軌道的分析研究：由無攝軌道到受攝軌道分2步：二體問題：忽略所有攝動力，僅考慮地球質心引力研究衛(wèi)星相對于地球的運動規(guī)律研究各種攝動力的影響，修正無攝軌道，確定受攝運動軌道的瞬時特征。1/3/2023衛(wèi)星軌道無攝軌道：受非攝動力作用的衛(wèi)星軌道。理想狀態(tài)的衛(wèi)星軌673.2衛(wèi)星的無攝運動開普勒（1571－1630）衛(wèi)星運動三定律：衛(wèi)星運行的軌道是一個橢圓，而該橢圓的一個焦點與地球的質心重合；衛(wèi)星的地心距真近點角橢圓扁心率橢圓長半徑2、衛(wèi)星的地心向徑，在相同的時間內所掃過的面積相等；衛(wèi)星在近地點處速度最大，遠地點最小。3、衛(wèi)星運行周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量衛(wèi)星運動的平均角速度1/3/20233.2衛(wèi)星的無攝運動開普勒（1571－1630）衛(wèi)星運681/3/202312/27/202269a：橢圓軌道的長半徑e：橢圓軌道的偏心率i：橢圓軌道平面的傾角（軌道平面與地球赤道面的夾角）Ω：升交點的赤經：橢圓軌道近地點角距f：衛(wèi)星的真近點角(與時間T有關)，衛(wèi)星與近地點之間的地心角距。Kepler六個軌道根數(shù)1/3/2023a：橢圓軌道的長半徑Kepler六個軌道根數(shù)12/27/270英文名稱中文名稱符號意義Inclinationoforbitalplane軌道平面傾角i決定軌道平面的空間位置Rightascensionoftheascendingnode升交點赤經ΩSemi-majoraxisoforbitalellipse軌道橢圓的長半徑a決定軌道橢圓的大小Nunerialeccentricityofellipse軌道橢圓的偏心率e決定軌道橢圓的形狀Argumentofperigee近地點角距（幅角）ω決定近地點在軌道橢圓上的位置Meananomaly平近點角M衛(wèi)星以平均角速度n0運行的角度1/3/2023英文名稱中文名稱符號意義Inclinationoforb71概述攝動因素包括：地球形狀攝動，日、月引力，大氣阻力攝動，光壓攝動，潮汐攝動等。3.3衛(wèi)星的受攝運動1/3/2023概述3.3衛(wèi)星的受攝運動12/27/202272大氣阻力月球引力太陽引力地球中心引力太陽直接與間接輻射壓力地球非中心引力1/3/2023大氣阻力月球引力太陽引力地球中心引力太陽直接與間接輻射壓力地733.4GPS衛(wèi)星星歷預報星歷（廣播星歷）用跟蹤站以往時間的觀測資料推求的參考軌道參數(shù)為基礎，并加入軌道攝動項改正而外推的星歷。用戶在觀測時可以通過導航電文實時得到，對導航和實時定位十分重要。但是精度較低通常以衛(wèi)星軌道根數(shù)的方式給出，包括相對于某一參考歷元的Kepler軌道參數(shù)和必要的軌道攝動改正項參數(shù)1/3/20233.4GPS衛(wèi)星星歷預報星歷（廣播星歷）12/27/20274精密星歷這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀測時的衛(wèi)星精密軌道信息，因此稱后處理星歷或精密星歷。該星歷的精度目前可達分米。通常由GPS服務機構提供（如IGS），精度高，但是往往有一定的時間延遲，適合于GPS數(shù)據(jù)的后處理應用通常以地球坐標系（直角坐標）的方式給出1/3/2023精密星歷這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀測時的衛(wèi)星精75廣播星歷廣播星歷——主要參數(shù)是：（AODE）星歷表數(shù)據(jù)齡期軌道半徑的正弦調和項改正的振幅（m）衛(wèi)星平均角速度修正量。即由精密星歷計算得到的平均角速度,與按給定參數(shù)計算得到的平均角速度之差（弧度）。toe參考時刻的平近點角緯度幅角U=（+f）余弦調和項改正的振幅（弧度）。軌道偏心率緯度幅角U=（+f）正弦調和項改正的振幅（弧度）。軌道長半軸的方根星歷參數(shù)的參考歷元，星歷表基準時間。從星期六／星期日子夜開始度量。軌道傾角的余弦調和項改正的振幅（弧度）。參考時刻的升交點赤經（oe）與GPS周開始時格林尼治赤經GASTW之差軌道傾角的正弦調和項改正的振幅（弧度）。參考時刻的軌道傾角軌道半徑的余弦調和項改正的振幅（m）近地點角距升交點赤經變率（s/rad）軌道傾角變率（s/rad）GPS用戶通過衛(wèi)星廣播星歷可以獲得的有關衛(wèi)星星歷參數(shù)共16個1/3/2023廣播星歷廣播星歷——主要參數(shù)是：（AODE）星歷表數(shù)據(jù)齡期星76星歷參數(shù)詳細說明1/3/2023星歷參數(shù)詳細說明12/27/2022771/3/202312/27/202278從星期日子夜零點開始度量的星歷參考時刻1/3/2023從星期日子夜零點開始度量的星歷參考時刻12/27/202279

3.5

GPS衛(wèi)星的坐標計算根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置計算思路首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系下的位置然后將上述坐標分別繞X軸旋轉-i角、繞Z軸旋轉-k()角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標1/3/20233.5GPS衛(wèi)星的坐標計算根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置180衛(wèi)星的瞬時位置在軌道直角坐標系中衛(wèi)星的位置指向近地點與地球質心重合Z軸垂直于軌道平面在軌道平面垂直x軸構成右手系升交距角u=ω+f1/3/2023衛(wèi)星的瞬時位置在軌道直角坐標系中衛(wèi)星的位置指向近地點與地球質81在天球坐標系中衛(wèi)星的位置繞z順轉ω使x軸由近地點改為升交點繞x順轉i使z與Z重合繞z順轉Ω使x與X重合天球坐標系軌道直角坐標系1/3/2023在天球坐標系中衛(wèi)星的位置繞z順轉ω使x軸由近地點改為升交點繞82軌道平面坐標系1/3/2023軌道平面坐標系12/27/2022831/3/202312/27/202284計算過程計算衛(wèi)星運行的平均角速度計算t時刻衛(wèi)星的平近點角計算偏近點角計算真近點角1/3/2023計算過程計算衛(wèi)星運行的平均角速度計算t時刻衛(wèi)星的平近點角計算85求解衛(wèi)星的真近點角f偏近點角E平近點角M衛(wèi)星在軌道上運動的平均角速度由開普勒方程，如何求E(p48迭代法）?1/3/2023求解衛(wèi)星的真近點角f偏近點角E衛(wèi)星在軌道上運動的平均角速度由86計算過程（續(xù)）計算升交距角計算衛(wèi)星向徑計算攝動改正項計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系中的位置近地點角距1/3/2023計算過程（續(xù)）計算升交距角計算衛(wèi)星向徑計算攝動改正項計算衛(wèi)星87計算過程（續(xù)）計算升交點經度1/3/2023計算過程（續(xù)）計算升交點經度12/27/202288觀測時升交點經度觀測時升交點赤經1/3/2023觀測時升交點經度觀測時升交點赤經12/27/202289觀測時GAST星歷中升交點赤經地球的自轉速度t0:

一周開始的GPS時1/3/2023觀測時GAST星歷中升交點赤經地球的自轉速度t0:一周開始90計算在地球坐標系中衛(wèi)星的位置瞬時地球坐標系瞬時天球坐標系春分點的格林尼治時協(xié)議地球坐標系瞬時地球坐標系考慮地極的移動R2（-xp）R1（-yp）1/3/2023計算在地球坐標系中衛(wèi)星的位置瞬時地球坐標系瞬時天球坐標系春分91計算在地球坐標系中衛(wèi)星的位置1/3/2023計算在地球坐標系中衛(wèi)星的位置12/27/202292RINEXNavigationFile160422000.01.622177660470D-05-3.410605131650D-130.000000000000D+002.260000000000D+024.093750000000D+004.750912180280D-09-3.065364387090D+002.440065145490D-072.088212058880D-036.336718797680D-065.153752786640D+038.640000000000D+048.009374141690D-088.074130675150D-013.725290298460D-099.610307917500D-012.563437500000D+02-1.523975627820D+00-7.997833141850D-092.121516941120D-101.000000000000D+001.256000000000D+030.000000000000D+002.000000000000D+000.000000000000D+00-9.778887033460D-097.380000000000D+028.639900000000D+04

導航電文文件的數(shù)據(jù)記錄格式說明衛(wèi)星的PRN號/歷元(年月日時分秒)/衛(wèi)星種的偏差(s)/衛(wèi)星種的漂移(s/s)/衛(wèi)星種的漂移速度(s/s2)廣播軌道3廣播軌道1廣播軌道2廣播軌道4廣播軌道51/3/2023RINEXNavigationFile導航電文文93根據(jù)精密星歷計算衛(wèi)星位置精密星歷的特點按一定時間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標系下的三維位置、三維速度和鐘差任意時刻t衛(wèi)星位置的計算原理：插值法方法：拉格朗日插值法1/3/2023根據(jù)精密星歷計算衛(wèi)星位置12/27/202294精密星歷*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.342142383.6704281/3/2023精密星歷12/27/202295［1］試述描述GPS衛(wèi)星正常軌道運動的開普勒三大定律。

［2］試畫圖并用文字說明開普勒Kepler軌道6參數(shù)。

［3］廣播星歷中的有什么意義？在衛(wèi)星坐標的計算中主要作用是什么？

［4］簡述地球人造衛(wèi)星軌道運動所受到的各種攝動力。

［5］地球引力場攝動力對衛(wèi)星的軌道運動有什么影響?

［6］日、月引力對衛(wèi)星的軌道運動有什么影響?

［7］簡述太陽光壓產生的攝動力加速度，并說明它對衛(wèi)星軌道運動有何影響?

［8］綜述考慮攝動力影響的GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)。

［9］試寫出計算GPS衛(wèi)星瞬時位置的步驟。思考題1/3/2023［1］試述描述GPS衛(wèi)星正常軌道運動的開普勒三大定律。

96計算題計算地球同步軌道衛(wèi)星的軌道高度？（地球半徑取6371km，GM取398600km3/s2）已知衛(wèi)星軌道參數(shù)為：e=0.006784212;a=26560128.937m,M(平近點角)=-0.290282rad;i=0.958512rad,ω=-2.584194rad;Ω=-1.378360radt=4h(GAST);GM=3986005*108(m3s-2)求衛(wèi)星在地球坐標系中的坐標?1/3/2023計算題計算地球同步軌道衛(wèi)星的軌道高度？（地球半徑取6371k974.1GPS衛(wèi)星信號第四章、GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號有關碼的基本概念二進制數(shù)：0,1碼：表達不同信息的二進制數(shù)及其組合碼元，比特：碼的度量單位，一位二進制數(shù)稱1碼元或1比特數(shù)碼率，碼率：二進制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)，單位為BPS(bit/s)1/3/20234.1GPS衛(wèi)星信號第四章、GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號98隨機噪聲碼：碼元幅度的取值完全無規(guī)律的碼序列，也稱隨機碼序列隨機噪聲碼的自相關性偽隨機噪聲碼（PseudoRandomNoise-PRN）：不僅具有類似隨機噪聲碼的良好自相關特性，而且具有確定的編碼規(guī)則，周期性的且易復制tu011/3/2023隨機噪聲碼：碼元幅度的取值完全無規(guī)律的碼序列，也稱隨機碼序列99碼長：二進制數(shù)中碼元的個數(shù)周期：產生一序列PRN碼的時間碼元寬：產生一個碼的時間或對應的距離tu15tutu=2r-1r=4=151234可經歷15種不同的狀態(tài)即所產生的碼長Nu=15末級輸出的二進制數(shù)為:111100010011010C/A碼碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)：1023；碼元寬度：293.05m；P（Y）碼；碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數(shù)：6187104000000；碼元寬度：29.30m；1/3/2023碼長：二進制數(shù)中碼元的個數(shù)15tutu=2r-1r=4=15100表4-1四級反饋移位寄存器狀態(tài)序列狀態(tài)編號

各級狀態(tài)④③②①模二加反饋③+④末級輸出的二進制數(shù)

11111012111001311000141000115000100600100070100108100111900110010011010111101011121010111301011014101111150111101/3/2023表4-1四級反饋移位寄存器狀態(tài)序列狀態(tài)編號各級狀態(tài)模二101P碼：2組各有2個12級反饋移位寄存器構成，碼長Nu=2.35X1014C/A碼：2個10級反饋移位寄存器相組合產生，碼長Nu=1010-1=10231/3/2023P碼：C/A碼：12/27/2022102GPS衛(wèi)星信號的結構包括載波（Carrier）、測距碼（Code）和衛(wèi)星（導航）電文（Message）載波：L1L2測距碼：C/A碼（目前只被調制在L1上）P(Y)碼（被分別調制在L1和L2上）數(shù)據(jù)碼：衛(wèi)星（導航）電文1/3/2023GPS衛(wèi)星信號的結構12/27/2022103GPS衛(wèi)星的基準頻率f0由衛(wèi)星上的原子鐘直接產生頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻或分頻λ=c/f1/3/2023GPS衛(wèi)星的基準頻率f0λ=c/f12/27/2022104÷20460000波長：24.42cm波長：19.03cm1/3/2023÷20460000波長：24.42cm波長：19.03cm1105f0x120f0x154f0基本頻率控制產生三種信號分量TwoCarrierFrequencies（載波頻率）L1is154xf0=1575.42MHz,whichhasawavelengthof0.19mL2is120xf0=1227.6MHz,whichhasawavelengthof0.24m1/3/2023f0x120f0x154f0基本頻率控制產生三種信號106載波作用搭載其它調制信號測距測多普勒頻移類型目前L1頻率：154f0=1575.43MHz；波長：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長：24.42cm現(xiàn)代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm1/3/2023載波12/27/2022107測距碼作用：測距性質：為偽隨機噪聲碼類型目前C/A碼（Coarse/AcquisitionCode）–粗碼/捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)：1023；碼元寬度：293.05m(0.97752μs)；僅被調制在L1上P（Y）碼（PrecisionCode）–精碼；碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數(shù)：6.19×1012；碼元寬度：29.30m(0.097752μs)；被調制在L1和L2上現(xiàn)代化后在L2上調制C/A碼在L1和L2增加調制M碼2個10級反饋移位寄存器相組合產生，碼長Nu=1010-1=10232組各有2個12級反饋移位寄存器構成，碼長Nu=2.35X10141/3/2023測距碼2個10級反饋移位寄存器相組合產生，碼長Nu=1010108C/A碼的碼元寬度較大，測距誤差2.9米（碼寬293.1米）P碼的碼元寬度較小，測距誤差0.29米（碼寬29.3米）1/3/2023C/A碼的碼元寬度較大，測距誤差2.9米（碼寬293.11094.2GPS衛(wèi)星導航電文衛(wèi)星（導航）電文定義：包含有關衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼（D碼）作用：向用戶播發(fā)衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息基本結構1/3/20234.2GPS衛(wèi)星導航電文衛(wèi)星（導航）電文12/27/202110按幀播發(fā)，播發(fā)速度50BPS每主幀含5個子幀,共25主幀每子幀10個字，每字30bit,每子幀300bit,持續(xù)播發(fā)6s主幀之間，1、2、3子幀每小時更新一次，4，5子幀僅在衛(wèi)星注入新的導航數(shù)據(jù)后才更新1/3/2023按幀播發(fā)，播發(fā)速度50BPS12/27/2022111整個導航電文的內容重復一次需要多長時間?1/3/