GS系統(tǒng)組成及信號

第4章

GPS系統(tǒng)組成及信號本章內容4.1GPS的系統(tǒng)組成4.2GPS的信號結構4.3美國政府GPS政策4.1系統(tǒng)組成GPS的空間部分GPS的系統(tǒng)組成

用戶設備部分4.1.1GPS的系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設備部分等三部分組成4.1.2GPS的空間部分GPS衛(wèi)星星座6個軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h58min設計星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星

保證在24小時，在高度角15以上，能夠同時觀測到4至8顆衛(wèi)星當前星座：31顆類型試驗衛(wèi)星：BlockⅠ

工作衛(wèi)星：BlockⅡ-BlockⅡ-BlockⅡA-BlockⅡR-BlockⅡF（新一代的GPS衛(wèi)星）GPS衛(wèi)星作用：發(fā)送用于導航定位的信號其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設備：原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘）、信號生成與發(fā)射裝置

第一代衛(wèi)星現已停止工作。

第二代衛(wèi)星用于組成GPS工作衛(wèi)星星座，通常稱為GPS工作衛(wèi)星。BlockⅡA的功能比BlockⅡ大大增強，表現在軍事功能和數據存儲容量。BlockⅡ只能存儲供45天用的導航電文，而BlockⅡA則能夠存儲供180天用的導航電文，以確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。

第三代衛(wèi)星尚在設計中，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。其特點是：可對自己進行自主導航；每顆衛(wèi)星將使用星載處理器，計算導航參數的修正值，改善導航精度，增強自主能力和生存能力。據報道，該衛(wèi)星在沒有與地面聯(lián)系的情況下可以工作6個月，而其精度可與有地面控制時的精度相當。BlockⅡR：衛(wèi)星間可以相互跟蹤和通信；BlockⅡ-M：可發(fā)射L2C和M碼；BlockⅡF：新一代的GPS衛(wèi)星，增設第三民用頻率（1176.45MHz）,2010年5月28日，首顆BlockⅡF衛(wèi)星發(fā)射成功，8月27日正式投入使用。BlockⅠ衛(wèi)星BlockⅡ衛(wèi)星BlockⅡR衛(wèi)星GPS衛(wèi)星星座（=35，=90）4.揪1.籌3地面魄監(jiān)控帶部分GP延S的地哥面控荒制部斥分（咱地面暮監(jiān)測瞧系統(tǒng)餅）組成?。褐鞴士卣具x（1個）讀、監(jiān)炊測站雨（17個）傭和注遞入站配（3個）作用該：監(jiān)諷測和嗎控制嘴衛(wèi)星鐘運行古，編枕算衛(wèi)爬星星遙歷（柜導航饞電文超），墨保持騾系統(tǒng)讀時間筆。主控站監(jiān)控站監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站地面移監(jiān)控極系統(tǒng)辦工作系流程主控透站（1個）作用斧：收集嫁各監(jiān)剛測站爽的數盟據，扇編制途導航話電文遠，監(jiān)叫控衛(wèi)盾星狀霞態(tài)；通過房誠注入或站將釋衛(wèi)星奮星歷邁注入衛(wèi)衛(wèi)星輕，向洋衛(wèi)星花發(fā)送誓控制寨指令筆；衛(wèi)星段維護趕與異舌常情伯況的噸處理弊。地點狹：美圓國克診羅拉臨多州駝法爾拋孔空覽軍基候地。監(jiān)測治站（17個）作用爺：接固收衛(wèi)格星數菌據，縮慧采集范氣象研信息最，并將斯所收旬集到叨的數再據傳瘋送給歪主控藍站。地點勻：美框國空缺軍：崖夏威可夷、買主控渣站及搜四個售監(jiān)測策站。國防胸部下次屬的顫國家提地球瓜空間貝信息誘局NG取A：11個監(jiān)虹測站鄭。注入坦站（3個）作用其：將削導航法電文驗注入GP會S衛(wèi)星勞。地點執(zhí)：阿午松森薦群島糠（大潛西洋些）、絨迪戈襪加西誓亞（趕印度朗洋）諸和卡乘瓦加蜓蘭（延太平崖洋）體。4.請1.泰3用戶坊設備裕部分用戶大設備悄部分-俯GP廳S信號虎接收戒機及券相關城設備接收零、跟螞蹤、憲變換裝和測濟量GP艷S信號怠的設坦備多數嚴采用孕石英煤鐘GP寸S接收聲機:能夠壇接收嘴、跟均蹤、賀變換膛和測泉量GP忍S信號場的衛(wèi)艇星信霜號接塘收設氏備(1蝕)導航嚇型接墊收機此類動型接衣收機仰主要鏟用于畫運動曬載體膛的導亡航，誘它可些以實企時給脾出載土體的言位置傭和速乏度。梨單點飲實時范定位差精度垮較低隸，一百般為±2碌5m并,有SA影響狐時為±1升00孩m。根藝據應疲用領短域的蕩不同溝，此毒類接鳥收機墓可以稈進一藥步分川為：1.按接襯收機陶的用疲途分震類可歌分為戒：車載禁型——用于稼車輛辜導航顧定位霸；航海惕型——用于胸船舶喬導航設定位被；航空飄型——用于訴飛機額導航翻定位幣。由虧于飛蔑機運延行速筆度快堅，因贈此，專在航析空用殿的接雪收機強要求蘋能適霸應高錢速運艘動。星載顛型——用于燃衛(wèi)星靠的導開航定漂位。節(jié)由于伴衛(wèi)星盈的運睬動速忠度高蛾達7公里/秒以檢上，址因此步對接叢收機估的要低求更費高。(2摔)測地丙型接假收機測地卻型接播收機壞主要乖用于攏精密喂大地逐測量隨和精最密工株程測搶量。吃這類炕儀器趨主要席采用省載波渣相位虜觀測余值進閉行相易對定列位，羅定位徑精度叨高。棗儀器抗結構刪復雜纖，價店格較骨貴。(3籌)授時宗型接賣收機這類壟接收秤機主衣要利舍用GP朱S衛(wèi)星盜提供暑的高克精度芳時間羅標準宜進行漏授時譜，常禽用于濟天文餓臺及驗無線炎電通且訊中足時間醫(yī)同步者。2.按接群收機把的載效波頻總率分樸類(1晉)單頻竿接收撤機單頻使接收怖機只芝能接得收L1載波狂信號私，測盡定載丙波相歪位觀暢測值揭進行封定位革。由留于不剖能有點效消天除電碎離層朽延遲宋影響委，單企頻接粥收機融只適占用于漲短基駝線（<1舅5k團m）的粥精密引定位披。(2章)雙頻倆接收奇機雙頻新接收亡機可肉以同示時接眼收Ｌ尼１，歸Ｌ２近載波島信號魚。利己用雙剝頻對古電離扮層延怠遲的坊不一桌樣，刷可以濟消除懂電離檔層對給電磁懶波信勤號延室遲的膝影響絡，因咐此雙距頻接桂收機附可用坦于長酸達幾先千公共里的斜精密縣定位血。3.按接營收機鞋通道剖數分薪類GP工S接收鑒機能細同時顧接收伏多顆GP鏈S衛(wèi)星框的信卸號，梨為了庭分離翁接收訂到的最不同萄衛(wèi)星況的信獵號，于以實惕現對券衛(wèi)星穿信號害的跟項蹤、趟處理專和量慶測，芽具有傳這樣今功能恨的器她件稱縱為天選線信值號通字道。遍根據逐接收響機所哪具有湯的通費道種坦類可貪分為笛：多通蹲道接提收機序貫籍通道低接收截機(3各)多路下多用蘭通道亭接收舒機4.按接陶收機盡工作析原理輸分類(1門)碼相暈關型扎接收及機碼相犬關型詠接收項機是尺利用袋碼相同關技益術得察到偽些距觀測讓值。(2烏)平方料型接爬收機平方改型接營收機躁是利室用載助波信糊號的凝平方銅技術馬去掉調揮制信俱號，混來恢允復完征整的倘載波辦信號自，通明過相位鍛計測農定接氏收機頑內產是生的員載波蓬信號濁與接令收到的疤載波蠟信號葬之間付的相桿位差趟，測況定偽而距觀薪測值紗。(3累)混合表型接污收機這種歐儀器權是綜養(yǎng)合上琴述兩女種接造收機相的優(yōu)話點，既可撇以得霧到碼獅相位噴偽距秘，也暑可以艦得到蛇載波器相位觀糖測值霉。(4陶)干涉富型接陶收機這種拋接收旅機是密將GP栽S衛(wèi)星犧作為折射電擊源，康采用雞干涉輪測量究方法爺，測羞定兩趁個測鑰站間跌距離柄。GP詞S信號贈接收饑機組成天線掩單元帶前甘置放叫大器接收掠天線天線擊單元接收牽單元接收轉單元信號捷通道存儲蘿器微處僑理器輸入崖輸出束設備電源基本背結構天線孩前置錫放大權器信號趣處理哨器微處豎理器振蕩鋼器控制亞、顯薄示及觸存儲妥設備電源GP享S接收貼機的嫌天線——作用接收譯來自蛋衛(wèi)星罰的信欄號放大經（俯頻率察變換泡）用于養(yǎng)（跟箏蹤、唱處理外、量誰測）天線踩單元類型單極膝天線微帶宇天線錐形爛（螺軌旋）箏天線四絲綿螺旋族天線空間光螺旋滋天線背腔著平面侮盤旋容天線GP堂S天線特點單極獎天線單頻請獲雙殊頻（奧雙極討結構陣）、高需要宗較大文的底遙板、優(yōu)相位恢中心玩穩(wěn)定房誠、結丘構簡套單微帶澤天線結構債簡單顆、單塑頻或魔雙頻號、側沙視角就低（撞適合尾于機昂載應初用）通、低揉增益懸、應逮用最壺為廣軍泛背腔輔平面母盤旋描天線錐形孤（螺射旋）賤天線四絲嘆螺旋泊天線–單頻歷、難昂以調警整相韻位和象極化闊方式屆、非廊方位斤對稱籌、增俯益特機性好窄、不愈需要佛底板空間示螺旋晉天線–雙頻榆、增庭益特喪性好峽、側熔視角狗高、永非方雙位對我稱接收效（信主號）奸通道定義牧：接倡收機朽中用共來跟殊蹤、理處理春、量毒測衛(wèi)戚星信躲號的督部件鋤，由屢無線明電元赴器件判、數密字電率路等突硬件覽和專黎用軟計件所份組成贏。類型軌：根據折信號壁跟蹤昌方式豈：序匠慣通偵道、佛多路譯復用架通道灑和多剖通道千；根據鐘工作分原理串：碼雪相關陪通道提、平簽方通咬道等存儲坡器微處距理器作用旱：數列據處袍理、撿控制輸入遙輸出洞設備電源4.低2捏GP鹽S的信知號結闖構載波測距縱碼導航過電文GP撫S衛(wèi)星鵝信號灶的產康生與右構成英是比勿較復抄雜的雕，考攀慮了拔以下掠幾方振面的糕要求:適應調多用發(fā)戶系陽統(tǒng)的涂要求滿足莊實時卵定位凱的要滅求滿足錫高精裹度定毅位的授需求滿足重軍事森保密沒的要粗求4.鉛2.膛1繼GP伶S信號瞧組成用于乓導航叨定位招的GP深S信號擠由三丙部分理組成萬：載波泊（L1和L2）測距啞碼（C/嗽A碼和P(毯Y)碼）導航簽電文4.憑2.礦2載波載波作用：搭刺載其修它信予號，脫也可江用于陜測量笑（測鏈距）類型目前L1：頻弊率：15漂75及.4延3M君Hz，波康長：19披cmL2：頻擺率：12健27枕.6港0M紙Hz，波星長：24滾cm現代救化后增加L5：11惕76貼.4績5M語Hz，波歪長：26籮cm4.定2.狹3測距語碼方波偽隨框機噪怖聲碼–PR假N碼兩種俯測距祝碼：C/草A碼-粗碼碼速辱：1.衣02鄰3M橋Hz碼元狹長度高：30吼0mP(陜Y)碼況-創(chuàng)精碼碼速舒：10尋.2激3M種Hz碼元占長度?。?筐0m碼及社碼的桑特點（1）二來進制筒數與庸碼碼：崗是用親以表洋示各叫種不肺同信君息的拔二進姐制數叨及其功組合棟。數碼說率：轉在數框字化黑信息血傳輸榨中的額每秒洗傳輸握的比弊特數服。（2）隨褲機噪童聲碼隨機院噪聲寇碼：途碼元舉的出紐奉現不遙規(guī)律靜，不川能復田制。（3）自身相關趣系數R(距t)其中碧，Su為碼儀值相歸同的啟個數鉛，Du為碼確值不調同的艷個數刮。碼及夕碼的盒特點二進礦制信斬號：“1”表示蠶二進莊制“0”，“-1”表示氏二進水制“1”，則模二兄和運算止規(guī)則C/好A碼C/丸A碼是輩由兩脫個10級反狀饋移綁位寄側存器樸相組么合而痰產生頃的.碼長Nu隙=康210-1滋=1糊02糧3比特碼元悟寬tu摟=番1格/f堆1≈煩0.紅97挺77苗52商μs捆(相應妙距離斥為29藍3.形1m出)周期Tu緣瑞=霉N菜u傳tu俘=奇1出ms數碼訊率=1尺.0劉23要Mb貴it切/sC/蒼A碼的氣碼長桐易于馳捕獲朽，且鋪通過C/餐A碼提贏供的慌信息搜，又滔可方翅便的榆捕獲P碼。C/濤A碼的顧碼元垂寬度昆較大譽。假住設兩怒個序坡列的涂碼元啟對齊乳誤差曬，為紐奉碼元飾寬度舟的1/柄10杰0，則饑相應懲的測妥距誤芹差達2.籍9m，以昌因此胖也稱有粗碼類。P碼P碼產基生的斷基本滲原理只與C/酷A碼相奶似，陳但其褲發(fā)生批電路耀，是拜采用講兩種蠢各由管兩個12級反臭饋移辮位寄穿存器產構成隆的，憑情況品更為肢復雜塑。線洲路設四計細粉節(jié)均郊是保蓬密的劃。碼長Nu≈綿2.吳35名*1票014比特碼元譽寬度tu≈幅0.蹦09孟77虎75胖2μ寇s(相應謹距離擾為29槍.3拼m)周期Tu=消Nutu≈漆26撲7天數碼蕉率=1用0.匠23討Mb哈it糕/sP碼周西期被示分為38部分詳（7天/每一弄部分累周期涉，碼糕長約北為6.太19速*1黎012比特補），饅其中1部分光閑置岸，5部分姥給地林面監(jiān)結控站狹使用皺，32部分醬分配份給不純同的童衛(wèi)星葬。這動樣，展每顆炊衛(wèi)星季所使批用的P碼不俊同部泳分，卻便都蘋具有烏相同飼的碼支長和獵周期猛，但彎結構德不同版。P碼的唱碼長呢較長毯，無鏈法采裹用C/嗓A碼逐病個進誦行搜捷索。狹一般土都是太先捕允獲C/觀A碼，另然后裂根據亮導航匆電文謝中給豎出的每有關寬信息得，捕位獲P碼。由于P碼的笑碼元合寬度談為C/梳A碼的1/渠10，若蜻取碼減元的庸對齊微精度訴仍為哈碼元震寬度賠的1/京10姨0，則滴由此蓋引起剃的相撫應距緊離誤紗差為0.鍋29暢m，僅次為C/項A碼的1/沸10。所振以P碼定腥位精柏度高滅，故梳也稱班為精門碼。4.搜2.釘4導航存電文方波碼速新：50汗bp劃s導航預電文莫是用柜戶用倚來定刃位和西導航角的數沸據基梳礎。悠它包被含該元衛(wèi)星指的星嚴歷、捎工作劇狀況糊、時葬鐘改佳正、糞電離向層時柳延改機正、代大氣賢折射勁改正惜以及公由C/卻A碼捕隙獲P碼等東導航碑信息膠，也斬是由逢衛(wèi)星注信號描中解城調出啊來的傷數據瘡碼D(繞t)。這準些信蝕息以50掘bi田t/疲s的數何據流忙調制湖在載策頻上炸，數營據采妖用不老歸零紹制（NR歐Z）的狡二進錘制碼括。GP泉S衛(wèi)星邀的導宰航電畏文（簡若稱衛(wèi)清星電物文又邪叫數撈據碼鎮(zhèn)）：委所謂紹導航蟻電文必，就獄是包槽含了茅有關銷衛(wèi)星寬的星殿歷、求衛(wèi)星兩工作歇狀態(tài)敵、時觀間系柱統(tǒng)、稱衛(wèi)星塞鐘運敬行狀酒態(tài)、記軌道注攝動論改正爽、大賤氣折膝射改美正和僻由C/辱A碼捕獅獲碼治等導尤航信缺息的攝數據佳碼(或D碼)。衛(wèi)信星星撓歷分張為預報瘡星歷和精密紙星歷。是厘用戶聚用來站定位席和導條航的古數據偽基礎跡。它的先基本歐單位任是長15券00壟bi越t的一肢個主要幀（虛如圖4-愚1所示粱），頌傳輸固速率馳是50坡bi耗t/縮慧s,墨30秒鐘蘆傳送盼完畢剩一個梁主幀怪。一范個主很幀包別括5個子無幀，孔第1、2、3子幀綱每30秒鐘皮重復很一次壯，內品容每冶小時防更新摘一次援。第4、5子幀發(fā)的全誤部信市息則僵需要75雷0秒鐘廢才能閉夠傳穗送完惱。即皂第4、5子幀室是12絡.5分鐘羞播完幟一次添，然京后再薄重復使之，欣其內晝容僅違在衛(wèi)茄星注鮮入新唯的導宴航數護據后添才得贈以更押新。遙測眼字(T雅LM—Te練le時me惑tr嫌y母Wo帝rd喘)，位玩于各纖子幀丸的開沙頭，風作為危捕獲按導航捕電文狠的前清導。劈燕其中告所含蛇的同勵步信勝號為補各子恒幀提榨供了—個同擦步的暴起點佳，使議用戶和便于枝解釋血電文棄數據鑄。交接慢字(H困OW—Ha爐nd廟O酒ve包r別Wo瓶rd），沸緊接泄著各童子幀擾開頭準的遙烘測字道，主槽要是拌向用握戶提遵供用灶于捕腫獲P碼的Z計數謙。所廣謂Z計數守是從陽每星魚期六早／星框期日叮子夜抓零時投起算欣的時真間計戚數．晶它表伴示下埋一子覽幀開固始瞬驕間的GP柏S時。目但為輔了實宏用方欄便，Z計數啦一般瞎表示猜為從茶每星義期六屬／星晃期日散子夜送零時農開始純發(fā)播運的子稀幀數含。因爽為每歌一子搜幀播誓送延衛(wèi)續(xù)的愈時間訊為6秒，騰所以凝，下量一子望幀開麥始的皺瞬時頸即為6x蟲Z。通紹過交葛接字像可以儲實時盯地了敏解觀曬測瞬封時在P碼周悟期中筑所處抬的準拆確位撐置，迎以便丟迅速何地捕好獲P碼。1．時誼延差辭改正Tg棚d第7字碼暖的第17—24比特抖表示裳載波L1、L2的電由離層佛時延板差改軌正Tg派d。當睛使用染單頻晚接收穴機時戰(zhàn)，用Tg塘d改正掙所觀旺測的薪結果屆，以奴減小販電離牢層效諷應影叮響提定高定宣位精棉度；隙當采說用雙盈頻接材收機諒時，均就不貓必要戀采用布這個數時延新差改由正。第一驗數據海塊，位冬于第1子幀紡的第3-憲10字碼尼，含要有關殃于衛(wèi)耀星鐘濟改正孝參數賠及其冬數據噴齡期密、星柜期的肺周數飛編號跑以及蔑電離軌層改昌正參劑數和嬌衛(wèi)星交工作牧狀態(tài)勺等信靜息。AO市DC＝to攻c-晌tl式中:t剃oc為第邀一數駁據塊猛的參趁考時居刻，tl是計涌算時摸鐘參免數所疏作測曬量的呆最后器觀測屢時間命。2．數傷據齡割期AO遭DC第3字碼礦的第23、和躺第24比特,以及槍第8字碼適的第1—8比特監(jiān)，均妄表示逢衛(wèi)星份時鐘池的數壞據齡慌期AO鐵DC。GP雕S試驗碼衛(wèi)星郊的AO栽DC只占8個比咽特，距而GP竹S工作集衛(wèi)星永卻擴喘展到吃了10個比刮特。A0堡DC是時缸鐘改斧正數斤的外孟推時卡間間右隔，供它向病用戶趙指明菠對衛(wèi)賭星時術鐘改襪正數喉的置莫信度膜，且宋知3.星期來序號WN。表政示從19續(xù)80年1月6日協(xié)梳調時鵝零點診起算凳的GP枯S時星土期數音。4.衛(wèi)星必鐘改撕正參側數：a0、a1、a2，分別驚表示補該衛(wèi)淺星的搜鐘差固、鐘文速及我鐘速卡的變印化率冬。當甘已知斗這些德參數蹦后，斯便可遞按下店式計驗算任匙意時爸刻t的鐘搏改正阿數△t△t＝a0十a1(t—toc)十a2(t—toc)2第二號數據劈燕塊包含硬第2和第3子幀禁，其蟲內容酬表示GP霧S衛(wèi)星闊的星詢歷，教這些敏數據礎為用辰戶提遞供了煤有關驕計算璃衛(wèi)星童坐標狠位置瞎的信碌息。瘋描述斬衛(wèi)星遍的運肉行及崖其軌養(yǎng)道的桿參數補包括傲下列脆三類惑。第三輪數據悶塊包含監(jiān)第4、5子幀頃，內炭容包坐含了閱所有GP絲式S衛(wèi)星輛的歷停書數菜據。主要予反映法衛(wèi)星白的基秘本狀隆態(tài)。4.律2.艙5雅G算PS信號崇的生乳成二進暫制信罩號的輪相位客調制GP此S衛(wèi)星陶信號券的調尋制框圖衛(wèi)星京信號近的調每制原螺理4.搏2.小6干G初PS衛(wèi)星牲星歷預報朗星歷(廣播屢星歷)用于偶預報轉未來蘭幾個產月內畝衛(wèi)星屆所處臟概略畜位置覆的預紗報星父歷；允廣播雞星歷尾可用洗于GP蹈S實時丙定位妙計算肆，預館報星廁歷則保可用戚于在鴿較長天的時茅間周粘期內毯對GP餓S衛(wèi)星頸的位回置進廊行預閑報。后處赴理星屋歷(精密船星歷)衛(wèi)星這星歷商是描近述衛(wèi)營星運國動軌婚道的澤信息,或者影說是筒一組霉對應蓮于某弄一時斯刻的穿衛(wèi)星掌軌道會根數醋及其智變率霞。計算曾思路首先薪計算追衛(wèi)星鉆在軌捧道平白面坐霉標系疑下的夜坐標然后叮將上格述坐趁標分笨別繞X軸旋點轉-i角、季繞Z軸旋災轉-k角，郵求出欄衛(wèi)星案在地屯固系斷下的捷坐標軌道叮平面責坐標與系軌道傳參數計算t時刻悔衛(wèi)星現的平掃近點府角計算鉛過程計算西衛(wèi)星疑運行搶的平料均角肥速度計算金偏近突點角計算春真近汁點角計算鏡過程臣（續(xù)生）計算渴升交休距角疊（未謠經改正的）計算泉衛(wèi)星測向徑計算解攝動敗改正遵項計算肝衛(wèi)星禍在軌急道平徑面坐以標系揚中的惡位置進行勻攝動濕改正計算廁過程題（續(xù)局）計算兩升交零點經旅度計算罵衛(wèi)星您在地猶固坐抱標系恭下的荷坐標精密沿星歷–后處悉理星倒歷精密預星歷智的特徹點按一井定時箏間間有隔給譽出衛(wèi)沾星在坊地固以坐