《GPS測量定位技術(shù)》課件第三章

GPS測量定位技術(shù)第三章GPS系統(tǒng)的組成與GPS信號

學(xué)習(xí)目標(biāo)第一節(jié)GPS定位系統(tǒng)的組成第二節(jié)衛(wèi)星的運(yùn)行及其軌道第三節(jié)衛(wèi)星的星歷與衛(wèi)星位置計算第四節(jié)GPS衛(wèi)星信號第五節(jié)GPS信號的接收本章小結(jié)思考題與習(xí)題

GPS測量定位技術(shù)第三章GPS系統(tǒng)的組成與GPS信號

學(xué)習(xí)目標(biāo)·了解GPS信號的結(jié)構(gòu)，測距碼是怎樣產(chǎn)生的，導(dǎo)航電文的內(nèi)容，天線的作用與分類?！だ斫獗O(jiān)控系統(tǒng)的作用，投入的可用GPS衛(wèi)星狀況，用戶接收機(jī)的用途，衛(wèi)星的運(yùn)動及其軌道?！ふ莆誈PS定位系統(tǒng)的組成共三部分：①地面監(jiān)控部分。②空間衛(wèi)星部分。③用戶接收部分。衛(wèi)星的星歷，衛(wèi)星信號的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)及傳播。GPS測量定位技術(shù)第一節(jié)GPS定位系統(tǒng)的組成

GPS定位系統(tǒng)包括三大部分：（1）地面監(jiān)控部分；（2）空間衛(wèi)星部分；（3）用戶接收部分。以下分別介紹它們的作用、工作原理和工作狀況。一、地面監(jiān)控部分

（一）地面監(jiān)控站的分布

地面監(jiān)控站在GPS定位系統(tǒng)試驗(yàn)階段和工作階段有所不同。試驗(yàn)衛(wèi)星的地面監(jiān)控站由設(shè)在范登堡空軍基地的一個主控站、一個注入站和一個監(jiān)測站及其它地方的四個檢測部分組成。GPS測量定位技術(shù)（一）地面監(jiān)控站的分布圖3-1GPS衛(wèi)星地面監(jiān)控站的分布GPS測量定位技術(shù)（一）地面監(jiān)控站的分布

GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)測部分由一個主控站,三個注入站和五個監(jiān)測站組成。其分布情況是：主控站設(shè)在美國本土科羅拉多·斯平士（ColoradoSpings）的聯(lián)合空間執(zhí)行中心CSOC（即ConsolidatedSpaceOperationCenter）；三個注入站分別設(shè)在大西洋的阿森松（Ascension），印度洋的狄哥.伽西亞（DiegoGarcia）和太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)三個美國空軍基地上；五個監(jiān)測站，除一個單獨(dú)在夏威夷外，其余四個都分設(shè)在主控站和注入站上。GPS測量定位技術(shù)（二）監(jiān)控系統(tǒng)的作用

1.主控站的作用主控站擁有以大型電子計算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計算、傳播等設(shè)備，其主要作用如下：1）收集數(shù)據(jù)收集各監(jiān)測站獲得監(jiān)測的偽距和偽距差觀測值、衛(wèi)星時鐘和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、氣象、監(jiān)測站自身狀態(tài)以及參考星歷等數(shù)據(jù)。2）數(shù)據(jù)處理根據(jù)所收集的前述數(shù)據(jù)計算各衛(wèi)星的星歷、時鐘改正、衛(wèi)星狀態(tài)、大氣傳播改正等，具體地就是衛(wèi)星位置和速度的六個軌道根數(shù)的攝動，每個衛(wèi)星的三個太陽壓力常數(shù)，衛(wèi)星的時鐘偏差、漂移和漂移率，各個監(jiān)測站的時鐘偏差、對流層殘余偏差及極移偏差等狀態(tài)數(shù)據(jù)。并將這些數(shù)據(jù)按一定格式編制成導(dǎo)航電文，并將導(dǎo)航電文及時傳送給注入站。GPS測量定位技術(shù)1.主控站的作用3）監(jiān)測與協(xié)調(diào)主控站一方面承擔(dān)控制和協(xié)調(diào)各監(jiān)控站與注入站的工作，另一方面還要監(jiān)測整個地面監(jiān)控系統(tǒng)是否正常，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的電文是否正確，監(jiān)控衛(wèi)星是否按預(yù)定狀態(tài)將電文發(fā)送給用戶。4）控制衛(wèi)星修正衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，調(diào)用備用衛(wèi)星去接替失效衛(wèi)星的工作。2.監(jiān)控站的作用

監(jiān)控站是無人值守的數(shù)據(jù)自動采集中心，其位置經(jīng)精密測定。主要設(shè)備包括1臺雙頻接收機(jī)、一臺高精度原子鐘、一臺電子計算機(jī)和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。監(jiān)控站根據(jù)其接收到的衛(wèi)星擴(kuò)頻信號求出相對于其原子鐘的偽距和偽距差，檢測出所測衛(wèi)星的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。利用環(huán)境傳感器測出當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。然后將算得的偽距、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給主控站，為主控站編算導(dǎo)航電文提供可靠的數(shù)據(jù)。GPS測量定位技術(shù)3.注入站的作用

注入站是無人值守的工作站，設(shè)有3.66m拋物面天線，1臺C波段發(fā)射機(jī)和一臺電子計算機(jī)。其主要作用是將主控站需傳輸給衛(wèi)星的資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲器中，供衛(wèi)星向用戶發(fā)送。地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作程序方框圖如右圖所示。圖3-2監(jiān)控系統(tǒng)工作程序

GPS測量定位技術(shù)一、地面監(jiān)控部分

地面監(jiān)控部分的工作程序?yàn)椋河杀O(jiān)測站連續(xù)接收GPS衛(wèi)星信號，不斷積累測距數(shù)據(jù)（偽距和偽距差），并將這些測距數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)、衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)等發(fā)送到主控站；再由主控站對測距數(shù)據(jù)進(jìn)行包括電離層、對流層、相對論效應(yīng)、天線相位中心的偏移及地球自轉(zhuǎn)和時標(biāo)改正等的傳播時延改正。并用卡爾曼數(shù)學(xué)濾波器進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)平滑處理及最小二乘與多項(xiàng)式擬合，以提供衛(wèi)星的位置和速度的六個軌道根數(shù)的攝動，每個衛(wèi)星的三個太陽壓力常數(shù)，衛(wèi)星的時鐘偏差，漂移和漂移率，各監(jiān)測站的時鐘偏差，對流層殘余偏差及三個極移偏差狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)編成導(dǎo)航電文傳送到注入站。最后由注入站將這些導(dǎo)航電文注入衛(wèi)星。GPS測量定位技術(shù)二、空間衛(wèi)星部分

空間衛(wèi)星部分是由空間運(yùn)行的多顆衛(wèi)星按一定的規(guī)則組成的GPS衛(wèi)星星座。本書第一章第二節(jié)已有述及。這里僅就空間衛(wèi)星的作用和有關(guān)情況作些說明。美國發(fā)射的GPS衛(wèi)星。有多種編號方式。比如可以按發(fā)射的先后順序編號，也可以根據(jù)所采用不同的偽隨機(jī)噪聲碼PRN編號，還可以根據(jù)內(nèi)部距離操作碼IRON編號，以及根據(jù)美國航空航天局在其序列文件中編的NASA編號和根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射年代與該年代中的發(fā)射序列編的識別號。其中，PRN編號是供導(dǎo)航定位用的，識別號是供用戶查詢衛(wèi)星有關(guān)數(shù)據(jù)用的。GPS工作衛(wèi)星BLOCKⅡ是用火箭或航天飛機(jī)發(fā)射的，其編號方法與試驗(yàn)衛(wèi)星的編號方法基本相同，其軌道近于圓形，最大偏心率為0.01，軌道長半徑也是26560km，軌道傾角為55°，衛(wèi)星的高度為20200km，運(yùn)行周期為十二恒星時，即每天繞地球運(yùn)行兩周。GPS測量定位技術(shù)二、空間衛(wèi)星部分

工作衛(wèi)星之所以采用二萬公里高近于圓形的軌道，一方面是為了增大覆蓋面積，另一方面是為了使覆蓋均勻，從而達(dá)到信號強(qiáng)度均勻、接收時間也均勻的目的。GPS衛(wèi)星的主要作用有三方面：（1）接收地面注入站發(fā)送的導(dǎo)航電文和其它信號；（2）接收地面主控站的命令，修正其在軌運(yùn)行偏差及啟用備件等；（3）連續(xù)地向廣大用戶發(fā)送GPS導(dǎo)航定位信號，并用電文的形式提供衛(wèi)星自身的現(xiàn)勢位置與其它在軌衛(wèi)星的概略位置，以便用戶接收使用。GPS測量定位技術(shù)二、空間衛(wèi)星部分

可見GPS衛(wèi)星定位是以被動定位原理進(jìn)行工作的，GPS衛(wèi)星最根本的作用就是向用戶發(fā)送用戶所需要的信號和電文。既然如此，對衛(wèi)星的壽命長短和時間的精確度就必須高度重視。GPS工作衛(wèi)星的設(shè)計壽命是七年半，但從實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的工作情況來看，使用壽命一般都會超過甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計壽命。GPS工作衛(wèi)星中安置兩臺銣原子鐘和兩臺銫原子鐘，以便隨時啟用更替。采用原子鐘的目的是因?yàn)樗念l率穩(wěn)定度優(yōu)于1E～14，遠(yuǎn)高于穩(wěn)定度為1E～9的石英鐘，因而可大幅度提高導(dǎo)航和定位精度。GPS工作衛(wèi)星共24顆，其中21顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài)，3顆處于在軌備用狀態(tài)，組成（21+3）GPS工作衛(wèi)星星座。GPS工作衛(wèi)星星座的24顆衛(wèi)星均勻分布在6個傾角為55°的軌道平面內(nèi)，各軌道面之間相距60°，因此相鄰兩軌之間的升交點(diǎn)赤經(jīng)相差60°。同一軌道面內(nèi)相鄰兩衛(wèi)星間的升交距角相差90°，相鄰兩軌道面上的衛(wèi)星升交距角比較，東邊比西邊超過30°。GPS測量定位技術(shù)二、空間衛(wèi)星部分

GPS衛(wèi)星的空間布局和運(yùn)行速度決定了地面觀測者具備下列觀測條件：（1）同一衛(wèi)星每天可提前四分鐘出現(xiàn)，其在地平線以上的可見運(yùn)行時間為五小時。（2）由于觀測者所處的位置和時間的不同，可同時觀測的衛(wèi)星個數(shù)也各異，但最少能觀測到4顆衛(wèi)星，最多可觀測到11顆。（3）GPS定位精度與被觀測衛(wèi)星的位置分布有關(guān)。對于只能觀測到4顆衛(wèi)星的情況，因在這一時間段內(nèi)別無選擇，其定位精度一般較差，這個短暫的時間段稱為“時間間隙段”。在時間間隙段內(nèi)須用新型的GPS/GLONASS集成式接收機(jī)同時接收GPS信號和GLONASS信號才能消除“間隙段”的影響?！伴g隙段”僅出現(xiàn)在極少數(shù)地區(qū)，而廣大范圍內(nèi)不會出現(xiàn)這種情況。GPS測量定位技術(shù)三、用戶接收部分

用戶接收部分的基本設(shè)備，就是GPS信號接收機(jī)，其作用是接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星所發(fā)射的GPS信號，以達(dá)到導(dǎo)航和定位的目的。GPS信號接收機(jī)，按用途的不同，可分為導(dǎo)航型、測地型和授時型等三種。按攜帶形式的不同可分為袖珍式、背負(fù)式、車載式、艦用式、空（飛機(jī)）載式、彈載式和星載式等七種。按工作原理可分為碼接收機(jī)和無碼接收機(jī)，前者動態(tài)、靜態(tài)定位都能用，后者只能用于靜態(tài)定位。按使用載波頻率的多少可分為單頻接收機(jī)（用一個載波頻率L1）和用兩個載波頻率（L1、L2）的雙頻接收機(jī)，以雙頻接收機(jī)為今后精度定位的主要用機(jī)。按型號分，種類就更多，計約160個廠家生產(chǎn)出幾百種不同牌（型）號的接收機(jī)。GPS測量定位技術(shù)第二節(jié)衛(wèi)星的運(yùn)行及其軌道

GPS衛(wèi)星在空間繞地球運(yùn)行，取決于它所受的作用力。這些作用力包括：地球重力場對衛(wèi)星的引力，日、月等天體對衛(wèi)星的引力，以及太陽光壓、大氣阻力和地球潮汐力等。這些作用力的情況復(fù)雜多變，所以衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)動狀況和狀態(tài)也就比較復(fù)雜，很難用既精確又簡單的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。在對衛(wèi)星所有的作用力中，地球重力場的引力是最主要的。為了研究和實(shí)際應(yīng)用的方便，通常將作用于衛(wèi)星上的各種作用力按其影響的大小分成兩類：一類是假設(shè)地球?yàn)閯蛸|(zhì)球體的引力；另一類是攝動力，也稱為非中心力，它包括地球非球形對稱的作用力、日月引力、大氣阻力、光輻射壓力、地球潮汐力等。攝動力作用的結(jié)果，使衛(wèi)星的運(yùn)動產(chǎn)生一些小的附加變化而偏離理想軌道。在攝動力的作用下，衛(wèi)星的運(yùn)動稱為受攝運(yùn)動，相應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道。GPS測量定位技術(shù)一、理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動

所謂理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動，是將地球視作勻質(zhì)球體，且不顧及其它攝動力的影響，衛(wèi)星只是在地球質(zhì)心引力作用下而運(yùn)動。理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動是我們的首要研究對象。這是因?yàn)椋海?）它是衛(wèi)星運(yùn)動的第一近似描述；（2）它是至今唯一能得到的嚴(yán)密分析解的運(yùn)動；（3）它是全部作用力下的衛(wèi)星運(yùn)動更精確解的基礎(chǔ)。根據(jù)牛頓萬有引力定律，在上述理想情況下，衛(wèi)星相對于地球的引力加速度為

式中——地球引力常數(shù)；

——地球質(zhì)量；

——衛(wèi)星質(zhì)量；

——衛(wèi)星的地心向徑。（3—1）

GPS測量定位技術(shù)一、理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動

因衛(wèi)星的質(zhì)量相對于地球的質(zhì)量很小，若忽略衛(wèi)星的質(zhì)量則有（3-2）引力加速度r決定著衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的基本規(guī)律，這些基本規(guī)律可以用開普勒定律具體描述。GPS測量定位技術(shù)一、理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動1.開普勒第一定律——衛(wèi)星運(yùn)行的軌道是一個橢圓，地球質(zhì)心位居橢圓的一個焦點(diǎn)上。該定律表明，衛(wèi)星相對于地球質(zhì)心的運(yùn)動軌道是一個橢圓，該橢圓有著固定的形狀和大小，橢圓上距離地球質(zhì)心最遠(yuǎn)的一點(diǎn)稱為遠(yuǎn)地點(diǎn)，距離地球質(zhì)心最近的一點(diǎn)稱為近地點(diǎn)，如右圖所示。圖3-3衛(wèi)星運(yùn)行軌道橢圓

GPS測量定位技術(shù)一、理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動根據(jù)式（3-2）的解，可得衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運(yùn)動的軌道方程：

式中——衛(wèi)星的地心距離；

——橢圓的長半徑；

——橢圓的偏心率；

——稱為真近點(diǎn)角，當(dāng)=0時，為衛(wèi)星的近地點(diǎn)距離；當(dāng)=180°時，為衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)距離。它描述了任意時刻衛(wèi)星在軌道上相對近地點(diǎn)的位置，是時間的函數(shù)。（3-3）GPS測量定位技術(shù)一、理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動2.開普勒第二定律——衛(wèi)星的地心向徑，即地球質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心間的距離向量，在相同的時間內(nèi)所掃過的面積相等。

開普勒第二定律表明，衛(wèi)星沿軌道橢圓的運(yùn)行速度在不斷變化，在近地點(diǎn)處速度最大，在遠(yuǎn)地點(diǎn)處速度最小，如右圖所示。圖3-4相等時間地心向徑掃過的面積GPS測量定位技術(shù)一、理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動

和其它物體運(yùn)動一樣，衛(wèi)星的運(yùn)動也具有兩種能量：勢能（位能）和動能。勢能是由地球重力場的作用而引起，其大小和衛(wèi)星在軌道上所處的位置有關(guān)，在近地點(diǎn)處勢能最小，遠(yuǎn)地點(diǎn)處勢能最大，衛(wèi)星在任一時刻所具有的勢能為。動能則是由衛(wèi)星自身運(yùn)動所引起，其大小是衛(wèi)星運(yùn)動速度的函數(shù)。如果取衛(wèi)星的運(yùn)動速度為，則其動能為，所以衛(wèi)星運(yùn)行至近點(diǎn)處動能最大，遠(yuǎn)地點(diǎn)處動能最小。根據(jù)能量守恒定理，衛(wèi)星在運(yùn)動期間，勢能與動能之和為一常量，即常數(shù)（3-4）GPS測量定位技術(shù)一、理想情況下的衛(wèi)星運(yùn)動3.開普勒第三定律——衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行的周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方成正比，其比值等于地球引力常數(shù)的倒數(shù)。開普勒第三定律的數(shù)學(xué)形式為（3-5）式中為衛(wèi)星運(yùn)動的周期，即衛(wèi)星繞地球運(yùn)行一周所需的時間。若假設(shè)衛(wèi)星運(yùn)動的平均角速度為n0，則顧及式（3-5）可得：（3-6）當(dāng)軌道橢圓的長半徑一經(jīng)確定，衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度便隨之確定，且保持不變。GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星運(yùn)行的軌道

由開普勒定律可知，衛(wèi)星運(yùn)動的軌道是通過地心平面上的一個橢圓，且橢圓的一個焦點(diǎn)與地心相重合。軌道參數(shù)可以有很多，它們的選擇也不是唯一的。但是無論如何選擇，必須有利于下列問題的解決：（1）軌道橢圓的形狀和大??；（2）軌道平面與地球體的相關(guān)位置；（3）軌道橢圓在軌道平面上的方位；（4）衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置。只有這些問題得到確定，衛(wèi)星運(yùn)行的軌道以及衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置也才是唯一確定的。確定橢圓的形狀和大小至少需要兩個參數(shù)，即軌道橢圓長半徑和軌道橢圓偏心率。GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星運(yùn)行的軌道

這里僅將最為適宜的一組軌道參數(shù)的符號和含義介紹如下。軌道橢圓長半徑，軌道橢圓偏心率。和共同確定了橢圓的形狀和大小，其它的幾何參數(shù)都可以由和推導(dǎo)出來。升交點(diǎn)赤經(jīng)，升交點(diǎn)即是衛(wèi)星由南向北的運(yùn)行軌道與地球赤道面的交點(diǎn)。而升交點(diǎn)赤經(jīng)就是升交點(diǎn)與春分點(diǎn)所對應(yīng)的地心夾角。軌道面傾角，即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。這兩個參數(shù)，唯一地確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體之間的相對定向。近地點(diǎn)角距ω，在軌道平面上近地點(diǎn)與升交點(diǎn)所對應(yīng)的地心夾角。該參數(shù)表達(dá)了橢圓在軌道平面上的定向。真近點(diǎn)角V，在軌道平面上衛(wèi)星與近地點(diǎn)所對應(yīng)的地心夾角。該參數(shù)為時間的函數(shù)，它確定了衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置。GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星運(yùn)行的軌道對于GPS衛(wèi)星來說，上述軌道參數(shù)的具體數(shù)值，則是由不同衛(wèi)星的發(fā)射條件決定的。圖3-5衛(wèi)星軌道參數(shù)

圖3-6真近點(diǎn)角與偏近點(diǎn)角GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星運(yùn)行的軌道

在上述描述衛(wèi)星運(yùn)動的6個開普勒軌道參數(shù)中，只有真近點(diǎn)角是時間的函數(shù)，其余參數(shù)均為常數(shù)。所以確定衛(wèi)星瞬時位置的關(guān)鍵，在于確定參數(shù)。為此，需要引入計算的兩個輔助參數(shù)和。稱為偏近點(diǎn)角，過衛(wèi)星質(zhì)心m作平行于橢圓短軸的直線，分別交于近地點(diǎn)于橢圓中心連線的m′點(diǎn)和以長半徑所作大圓的m″點(diǎn)，于是就是近地點(diǎn)至m″的圓弧對應(yīng)的圓心角。GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星運(yùn)行的軌道

稱為平近點(diǎn)角，它是一個假設(shè)量。如果衛(wèi)星通過近地點(diǎn)的時刻為。觀測瞬間的時刻為，衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度為，則平近點(diǎn)角由下式定義：

式中——對某一衛(wèi)星而言是個常數(shù)，所以觀測時刻一旦確定，平近點(diǎn)角也就相應(yīng)確定。根據(jù)開普勒方程，偏近點(diǎn)角與平近點(diǎn)角的關(guān)系為：

已知時，可以采用迭代法按上式計算。迭代計算時先令，因偏心率僅為0.01左右，所以迭代兩次便可求得偏近點(diǎn)角。（3-7）（3-8）GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星運(yùn)行的軌道

其次，為了計算衛(wèi)星的瞬時位置，還需要確定真近點(diǎn)角V與偏近點(diǎn)角之間的關(guān)系。于是將上式代入軌道方程（3-3），則得由式（3-9）和式（3-10）可得真近點(diǎn)角與偏近點(diǎn)角之關(guān)系：

（3-9）

（3-10）

（3-11）

（3-12）

GPS測量定位技術(shù)三、攝動力對衛(wèi)星運(yùn)行軌道的影響

地球本身非為勻質(zhì)球體，在其引力場攝動力的影響下，升交點(diǎn)將沿地球赤道產(chǎn)生緩慢的進(jìn)動，使升交點(diǎn)的赤經(jīng)產(chǎn)生周期性變化。設(shè)其變化的速率為，若已知某一參考時刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)為Ω（），則對于任一時刻的升交點(diǎn)位置可表示為Ω（）=Ω（）＋Ω（－）（3-13）事實(shí)上，衛(wèi)星的升交點(diǎn)還同時受到其它攝動力的影響，所以升交點(diǎn)赤經(jīng)的變率Ω也不是常量。在地球引力場攝動力的影響下，近地點(diǎn)將在軌道面內(nèi)轉(zhuǎn)動，使近地點(diǎn)角距ω發(fā)生緩慢變化。若取近地點(diǎn)角距的變率為ω=，則類似于式（3-13），可以寫出任一時刻的近地點(diǎn)角距：ω（）=ω（）＋ω（－）（3-14）GPS測量定位技術(shù)三、攝動力對衛(wèi)星運(yùn)行軌道的影響同樣在地球引力場攝動力的影響下，衛(wèi)星軌道平近點(diǎn)角也隨時間發(fā)生變化。任一時刻的平近點(diǎn)角可表示為（3-15）若設(shè)，則對GPS衛(wèi)星可得。衛(wèi)星在運(yùn)行中，除主要受到地球中心引力的作用外，還將受到其它各種攝動力的影響，從而引起軌道的攝動。在攝動力加速度的影響下，衛(wèi)星運(yùn)行的開普勒軌道參數(shù)，不再保持常數(shù)而變?yōu)闀r間的函數(shù)。理論分析表明，影響衛(wèi)星運(yùn)動的攝動力主要是地球引力場攝動力的影響、日月引力的影響和太陽光壓的影響。GPS測量定位技術(shù)第三節(jié)衛(wèi)星星歷與衛(wèi)星位置計算

一、GPS衛(wèi)星星歷

衛(wèi)星的星歷就是一組對應(yīng)某一時刻的軌道參數(shù)值，它是計算衛(wèi)星瞬時位置的依據(jù)。這些參數(shù)的數(shù)值確定衛(wèi)星的運(yùn)行軌道和運(yùn)行狀態(tài)，有了衛(wèi)星星歷就可以計算出任一時刻的衛(wèi)星位置，所以衛(wèi)星星歷其實(shí)就是賦值后的軌道參數(shù)。GPS衛(wèi)星星歷可以分為兩種：廣播星歷（預(yù)報星歷）和實(shí)測星歷（精密星歷）。1.廣播星歷衛(wèi)星將地面監(jiān)測站注入的有關(guān)衛(wèi)星軌道的信息，通過發(fā)射導(dǎo)航電文傳遞給用戶，用戶接收到這些信號進(jìn)行解碼即可獲得所需要的衛(wèi)星星歷。即廣播星歷。GPS測量定位技術(shù)1.廣播星歷廣播星歷是一種外推星歷。通常包括相對某一參考?xì)v元的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動改正項(xiàng)參數(shù)，因?yàn)樾l(wèi)星在某一參考?xì)v元的瞬時軌道參數(shù)，隨著時間的延續(xù)，受到攝動力影響的實(shí)際軌道，將偏離其參考軌道，偏離程度主要取決于觀測歷元與參考?xì)v元間的時間差。如果用軌道參數(shù)的攝動項(xiàng)對已知的衛(wèi)星參考星歷進(jìn)行改正，就可以外推出任意觀測歷元的衛(wèi)星星歷。為了保持廣播星歷的必要精度，一般采用限制預(yù)報星歷的外推時間間隔的方法。所以地面檢測站每天都根據(jù)其觀測資料，計算并更新衛(wèi)星星歷參數(shù)的數(shù)據(jù)，并且將其注入衛(wèi)星加以儲存，以備更新衛(wèi)星的參考軌道。據(jù)此，GPS衛(wèi)星所發(fā)射的廣播星歷，每小時更新一次，供用戶使用。廣播星歷的精度一般估計約為20～40m。GPS測量定位技術(shù)1.廣播星歷GPS用戶所接收到的衛(wèi)星廣播星歷中，包括17個衛(wèi)星星歷參數(shù)：二個時間參數(shù)：（1）從星期日子夜零時開始度量的星歷參考?xì)v元；（2）外推星歷時的外推時間間隔AODE，亦即星歷數(shù)據(jù)的齡期，它可反映外推星歷的可靠程度。六個開普勒軌道參數(shù)：（1）衛(wèi)星軌道長半軸的平方根；（2）衛(wèi)星軌道偏心率；（3）參考?xì)v元的軌道傾角；（4）參考?xì)v元的升交點(diǎn)赤經(jīng)；（5）近地點(diǎn)角距；（6）參考時刻的平近點(diǎn)角。九個軌道攝動力參數(shù)：（1）平均運(yùn)動角速度改正值；（2）升交點(diǎn)赤經(jīng)的變化率；（3）軌道傾角的變化率；（4）升交角距的正弦和余弦的調(diào)和改正項(xiàng)之振幅和；（5）軌道傾角的正弦和余弦調(diào)和改正項(xiàng)之振幅和；（6）衛(wèi)星地心距的正弦和余弦調(diào)和改正項(xiàng)之振幅和。GPS測量定位技術(shù)1.廣播星歷圖3-7廣播星歷參數(shù)

GPS測量定位技術(shù)2.實(shí)測星歷

廣播星歷是根據(jù)某一參考?xì)v元的觀測資料向外推算的星歷。它的好處是用戶在觀測同時即可得到實(shí)時星歷參數(shù)和衛(wèi)星位置，這對導(dǎo)航和實(shí)時定位是非常需要的。但是，由于衛(wèi)星星歷是外推出來的，特別是美國政府實(shí)施的限制政策，大幅度降低了廣播星歷的精度，所以它很難滿足高精度定位的需要。實(shí)測星歷是一些國家根據(jù)自己的衛(wèi)星跟蹤站觀測資料，經(jīng)過事后處理直接計算的衛(wèi)星星歷，它向廣大用戶提供有償服務(wù)，所以大大提高了衛(wèi)星星歷的精度。不過這種星歷難以在用戶觀測期間獲得，通常是在用戶觀測后一段時間才能利用磁盤或Internet網(wǎng)提供，所以它對導(dǎo)航和實(shí)時定位意義不大。GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置計算

前面介紹的衛(wèi)星星歷是以WGS-84大地坐標(biāo)系為坐標(biāo)框架的。GPS定位成果亦屬于WGS-84大地坐標(biāo)系，它是一種地心空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)。為了計算衛(wèi)星在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置，首先需要計算衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置。此時定義：原點(diǎn)與地心相重合，軸指向升交點(diǎn)，軸在軌道平面內(nèi)垂直于軸，我們稱其為軌道平面直角坐標(biāo)系，它是一種過度性的坐標(biāo)系，如右圖所示。

圖3-8軌道平面直角坐標(biāo)系

GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置計算

1.計算衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度n由公式（3-6），可算得衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度

式中為衛(wèi)星軌道的長半軸，為地球引力常數(shù)（含大氣層），它們都有確定值。利用導(dǎo)航電文中給出的攝動改正數(shù)，則可算出衛(wèi)星運(yùn)行的實(shí)際平均角速度（3-16）GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置計算

2.計算歸化時間導(dǎo)航電文提供的軌道參數(shù)是相應(yīng)于參考時刻時的數(shù)值，為了求得觀測時刻的參數(shù)，需求出此時刻相對于參考時刻的時間差：（3-17）在GPS時間系統(tǒng)中，時間是從一周的開始（星期日子夜）連續(xù)以秒計算的，所以計算歸化時間時應(yīng)顧及到一個星期（604800s）的開始或結(jié)束。GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置計算3.計算真近點(diǎn)角

首先計算觀測瞬間的衛(wèi)星平近點(diǎn)角。因?yàn)閷?dǎo)航電文中已經(jīng)給出參考時刻的平近點(diǎn)角，所以（3-18）其次計算偏近點(diǎn)角。根據(jù)導(dǎo)航電文中給出的偏心率和上面計算的平近點(diǎn)角，根據(jù)公式（3-8）可以寫出：（3-19）上式仍按前述的迭代法計算。然后再計算出真近點(diǎn)角。由式（3-12）可得：（3-20）GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置計算4.計算升交距角

根據(jù)計算出的其近點(diǎn)角和導(dǎo)航電文提供的近地點(diǎn)角距，按下式計算升交距角

5.計算經(jīng)過攝動改正的升交距角、衛(wèi)星的地心距離及軌道傾角

在衛(wèi)星導(dǎo)航電文中，給出了6個衛(wèi)星軌道攝動的修正參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)，計算出軌道參數(shù)的修正量：

（3-21）

升交距角修正量地心距離修正量軌道傾角修正量

（3-22）

GPS測量定位技術(shù)二、衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置計算5.計算經(jīng)過攝動改正的升交距角、衛(wèi)星的地心距離及軌道傾角

經(jīng)過攝動改正的升交距角、衛(wèi)星的地心距離、軌道傾角則為：6.計算衛(wèi)星的軌道平面直角坐標(biāo)（3-23）

（3-24）

GPS測量定位技術(shù)三、衛(wèi)星在地心空間直角坐標(biāo)系中的位置計算

1.計算觀測時刻的升交點(diǎn)經(jīng)度為了計算衛(wèi)星在地心空間直角坐標(biāo)系中的位置，必須要知道衛(wèi)星升交點(diǎn)在觀測時刻的精度。假若觀測時刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)為（升交點(diǎn)與春分點(diǎn)所對應(yīng)的地心夾角），觀測時刻時的春分點(diǎn)格林尼治恒星時為GAST，由圖3-7可知，此時的升交點(diǎn)經(jīng)度應(yīng)為（3-25）如果參考時刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)為，其變率為，則觀測時刻時的升交點(diǎn)赤經(jīng)為（3-26）其次，式（3-25）中的GAST將隨地球自轉(zhuǎn)而不斷增加，其增值速率即為地球自轉(zhuǎn)的速率。設(shè)一個星期開始（星期日子夜）時刻的格林尼治恒星時為GAST（），則（3-27）GPS測量定位技術(shù)1.計算觀測時刻的升交點(diǎn)經(jīng)度導(dǎo)航電文給我們提供的不是時的升交點(diǎn)赤經(jīng)，而是始于格林尼治起始子午線到升交點(diǎn)的準(zhǔn)經(jīng)度，它們之間的關(guān)系是將式（3-26）、（3-27）、（3-28）一并代入式（3-25），則得升交點(diǎn)的經(jīng)度為：

（3-29）（3-28）

GPS測量定位技術(shù)2.計算衛(wèi)星在地心空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

由式（3-24）可求出衛(wèi)星在其軌道平面直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，在該坐標(biāo)系統(tǒng)中衛(wèi)星的空間位置可表示為：

此時軸過地心指向軌道平面的垂直方向。（3-30）GPS測量定位技術(shù)2.計算衛(wèi)星在地心空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)這樣，軌道直角坐標(biāo)系（，，）與地心直角坐標(biāo)系（X，Y，Z）具有相同的原點(diǎn)，其差別僅是坐標(biāo)軸的定向不同。為了使兩坐標(biāo)系取得一致，可將坐標(biāo)系（，，）作如下旋轉(zhuǎn)：（1）繞軸方向順轉(zhuǎn)角度，使軌道平面與赤道平面重合，軸與Z軸相重合；（2）繞軸順轉(zhuǎn)角度，使、軸與X、Y軸同時重合。這一過程用旋轉(zhuǎn)矩陣表示如下：（3-31）

GPS測量定位技術(shù)第四節(jié)GPS衛(wèi)星信號一、GPS衛(wèi)星信號的內(nèi)容

GPS衛(wèi)星信號所包含的載波、測距碼（包含P碼、C/A碼）、數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文，或稱D碼）都是在同一個基準(zhǔn)頻=10.23MHZ的控制下產(chǎn)生的，如左圖所示。圖3-9GPS信號的產(chǎn)生

GPS測量定位技術(shù)1.GPS載波信號

GPS衛(wèi)星信號取無線電波中L波段的兩種不同頻率的電磁波作為載波，它們的頻率和波長分別為：

L1載波：L2載波：在載波L1上調(diào)制有C/A碼、P碼數(shù)據(jù)碼；在載波L2上只調(diào)制有P碼和數(shù)據(jù)碼。GPS衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的，由于偽隨機(jī)碼只有“1”和“0”兩種狀態(tài)。當(dāng)碼值取0時，對應(yīng)的碼狀態(tài)為＋1，而碼值取1時，對應(yīng)的碼狀態(tài)為－1。在載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后便實(shí)現(xiàn)了載波的調(diào)制，此時碼信號被加載到載波上，經(jīng)過播發(fā)可供用戶接收。GPS測量定位技術(shù)2.GPS的測距碼

GPS衛(wèi)星所采用的兩種測距碼，即C/A碼和P碼（或Y碼）均屬于偽隨機(jī)碼（PRN），這種二進(jìn)制的數(shù)碼序列不僅具有良好的自相關(guān)特性，而且又是一種結(jié)構(gòu)確定，可以復(fù)制的周期性序列。（1）C/A碼C/A碼的碼長較短，易于捕獲，但碼元寬度較大，測距精度較低，所以C/A碼又稱為捕獲碼或粗碼。C/A碼的碼長；碼元寬度（相應(yīng)距離為293.1m）；周期；數(shù)碼率。在GPS導(dǎo)航和定位中，為了捕獲C/A碼以測定衛(wèi)星信號傳播時間，通常需要對C/A碼逐個進(jìn)行搜索。因?yàn)镃/A碼總共只有1023個碼元，若以每秒50個碼元的速度搜索，約需20.5s便可達(dá)到目的。由于C/A碼的碼元寬度較大，如果兩個序列的碼元對齊誤差為碼元寬度的1/10～1/100，相應(yīng)的測距精度為29.3～2.9m。GPS測量定位技術(shù)（2）P碼

P碼即精密測距碼或稱精碼。它的特征是：P碼的碼長Nu≈2.35×1414bit；碼元寬度tu≈0.097752μs（相應(yīng)距離為29.3m）；周期Tu=Nutu≈267d；數(shù)碼率pu=10.23Mbit/s。實(shí)際上P碼的周期被分成38部分，每一部分為7d（碼長約6.19×1012bit），其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)測站使用，32部分分配給不同的衛(wèi)星。這樣，每顆衛(wèi)星使用P碼的不同部分，碼長和周期相同，但結(jié)構(gòu)不同。由于P碼的碼元寬度為C/A的1/10，如果碼元的對齊精度仍為碼元寬度的1/10～1/100，則由此引起的距離誤差約為2.93～0.29m，僅為C/A碼的1/10，所以P碼用于精密的導(dǎo)航和定位。GPS測量定位技術(shù)（2）P碼

但是，盡管C/A碼的精度較低，但碼的結(jié)構(gòu)是公開的，可供GPS接收機(jī)的廣大用戶使用。而P碼精度雖高，但結(jié)構(gòu)不公開，專供美國軍方及特許用戶使用。目前P碼的結(jié)構(gòu)正逐漸被大家所熟悉而難以繼續(xù)保密，所以GPS衛(wèi)星將發(fā)射一種與P碼相似的保密碼，即Y碼，以取代P碼。3.數(shù)據(jù)碼（D碼）

數(shù)據(jù)碼即導(dǎo)航電文，它包含著衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正、由C/A碼捕獲P碼的信息等。導(dǎo)航電文亦是二進(jìn)制數(shù)碼，依規(guī)定的格式組成，按幀向外播送，每幀電文的長度為1500bit，播送速率為50bit/s。GPS測量定位技術(shù)二、GPS信號的結(jié)構(gòu)

左圖是GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成示意圖。圖中說明所有信號分量是根據(jù)同一基準(zhǔn)頻率（圖中A點(diǎn)）產(chǎn)生的，其中包括載波（B點(diǎn)），L2（C點(diǎn)），調(diào)制在載波L1上的調(diào)相信號C/A碼（D點(diǎn)），P碼（F點(diǎn)）和數(shù)據(jù)碼（G點(diǎn)），經(jīng)衛(wèi)星發(fā)射天線（H點(diǎn)）發(fā)射的信號分量包括：C/A碼信號（J點(diǎn)），L1-P碼信號（K點(diǎn)）和L2-P碼信號（L點(diǎn)）。圖3-10GPS信號的構(gòu)成

GPS測量定位技術(shù)二、GPS信號的結(jié)構(gòu)

載波L1由數(shù)據(jù)碼D（t）和P碼與C/A碼兩種編碼分別以同相和正交方式進(jìn)行調(diào)制，且數(shù)據(jù)碼D（t）是一種不歸零二進(jìn)制碼組成的編碼脈沖串，所以的L1信號結(jié)構(gòu)為式中，為精碼即P碼碼元的振幅值；為粗測捕獲碼即C/A碼碼元的振幅值；肩標(biāo)I為衛(wèi)星編號；為的角頻率；為信號起始相位；為數(shù)據(jù)碼。P碼和C/A碼的速率分別為10.23MHz和1.023MHz。P碼為±1的偽隨機(jī)碼與數(shù)據(jù)碼模二相加，記作，對L1進(jìn)行同相調(diào)制。C/A碼為Gold碼，與數(shù)據(jù)碼模二相加，形成，對L1頻率進(jìn)行正交調(diào)制。L2的信號結(jié)構(gòu)為其中，為精碼的碼元幅值，且L2信號僅由P碼進(jìn)行雙相調(diào)制（PSK調(diào)制）。其它符號的意義與式（3-32）中的含義相類似。（3-33）

（3-32）

GPS測量定位技術(shù)三、測距碼的產(chǎn)生

P碼由兩個偽隨機(jī)噪聲碼PN1（t）和PN2（t）的乘積構(gòu)成。P碼的碼率為10.23MHz，PN1（t）的周期為1.5s，一周的碼位數(shù)N1為位比的周期長37個碼元，因此有所以P碼為（0≤n≤36）（3-34）式中為碼元寬度，可取0，1，2……36。即可得37種P碼。P碼的碼元數(shù)為位P碼的周期為星期GPS測量定位技術(shù)三、測距碼的產(chǎn)生

從以上分析可以看出，P碼的周期約38星期，實(shí)際應(yīng)用中采用7天為一周期，即在中取某一段周期為7天的P碼，且規(guī)定每星期六午夜零點(diǎn)使P碼置全“1”狀態(tài)作為周期的起始點(diǎn)。這樣使每星期P碼互不相同，便于識別，而且也便于實(shí)行對P碼的保密，使其無從破譯，P碼的產(chǎn)生原理如下圖所示。圖3-11P碼產(chǎn)生原理圖

GPS測量定位技術(shù)三、測距碼的產(chǎn)生C/A碼碼率為1.023MHz，周期為1ms，一周期內(nèi)有1023個碼位。C/A碼由兩個1023bit的偽隨機(jī)碼和的乘積構(gòu)成的Gold碼，即（3-35）式中，為和間相位偏值的碼元數(shù)，其偏值量為，也就是有1023個不同的C/A碼。加上和產(chǎn)生的兩個m序列，共有1025個周期為1ms、碼元數(shù)為1023的不同結(jié)構(gòu)的C/A碼。其形成原理由下圖的方框圖表示。圖3-12C/A碼形成方框圖

GPS測量定位技術(shù)四、GPS信號的傳播

GPS采用了信號擴(kuò)頻調(diào)制，把窄帶信號擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上發(fā)射出去，以達(dá)到抗干擾、保密和省電的目的。在信息理論中我們把一組不包含我們想要的有用信息的量稱為噪聲。長期以來在通訊、計算機(jī)以及其它各種電子技術(shù)中，噪聲總是作為信號的對立面出現(xiàn)的。人們想方設(shè)法試圖消滅它。然而上世紀(jì)四十年代末，人們對白噪聲的看法發(fā)生了劇變。終于發(fā)現(xiàn)歷來被人們憎惡的白噪聲在許多場合下也具有許多有用的特性，其中最主要的是具有良好的自相關(guān)特性。GPS測量定位技術(shù)四、GPS信號的傳播根據(jù)四十年代末信息論的奠基人仙儂（C·E·Shanon）定理，在高斯白噪聲干擾條件下，信息容量為（3-36）式中，B為信息頻帶寬度（Hz），S為信號功率，N為噪聲功率，C為信息容量。當(dāng)信息容量一定時，增大頻帶寬度B，可以減少信噪比S/N，如C=10.23Mbit/s；當(dāng)信號功率S為噪聲功率N的1.5倍時，信帶寬度B為若，有GPS測量定位技術(shù)四、GPS信號的傳播

因?yàn)樾l(wèi)星是靠太陽能蓄電池工作的，不可能增大發(fā)射機(jī)發(fā)射功率，而擴(kuò)頻技術(shù)解決了這一問題。另外，采用擴(kuò)頻技術(shù)的信號被深深埋在噪聲之中，信噪比很低，不易被人捕獲，具有很好的保密性。再則，由于接收機(jī)接收信號后，又進(jìn)行了相關(guān)處理，將寬帶大大變窄了，改變了信噪比，設(shè)（S/N）out為接收機(jī)輸出信噪比，（S/N）in為接收信噪比，其處理增益Gp為（3-37）可見擴(kuò)頻技術(shù)抑制了干擾能力，所以有抗干擾作用。當(dāng)然，GPS畢竟是以軍事為主要目的，為了加強(qiáng)保密性，美國還采用了SA技術(shù)。它是一種使非特許用戶不能獲得高精度實(shí)時定位的方法，其中包括對GPS衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率采用的δ技術(shù)、對導(dǎo)航電文采用的ε技術(shù)及對P碼采用的譯碼技術(shù)等。會導(dǎo)致非特許用戶得到隨機(jī)的低精度乃至錯誤信息，所以在應(yīng)用GPS定位時要加以注意，特別是在非常時期更應(yīng)小心。GPS測量定位技術(shù)五、導(dǎo)航電文

GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文主要包括衛(wèi)星星歷、時鐘改正、電離層時延改正、工作狀態(tài)和C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息。將這些信息以數(shù)據(jù)，即以二進(jìn)制碼的形式向用戶發(fā)送，所以導(dǎo)航電文又稱為數(shù)據(jù)碼，即D碼。D碼的基本單位是包含1500比特的一個主幀，如右圖所示，其傳播速率為50bit/s。一個主幀含5個子幀，其中第1、2、3子幀各有10個字，每個字為30比特；第4、5子幀各有25個頁面，計37500比特。圖3-13導(dǎo)航電文的基本構(gòu)成GPS測量定位技術(shù)五、導(dǎo)航電文每一個子幀都是以一個遙測碼（TLM）開始。第一個字主要是遙測碼，其中第1～8比特是同步碼，作為識別電文內(nèi)容的序文；第9～22比特為遙測電文，主要是供地面監(jiān)測站使用的信息；第23～24比特?zé)o意義；第25～30比特為奇偶校驗(yàn)碼。第二個字為轉(zhuǎn)換碼（HOW），轉(zhuǎn)換碼的作用是幫助用戶從捕獲的C/A碼轉(zhuǎn)換到對P碼的捕獲，并以圖3-14電文一主幀結(jié)構(gòu)圖

同步進(jìn)行鎖定。第一子幀第三到第十個字稱為數(shù)據(jù)塊和電文塊，如左上圖所示，第一子幀內(nèi)為數(shù)據(jù)塊Ⅰ，第二、三子幀為數(shù)據(jù)塊Ⅱ，第四子幀為電文塊，第五子幀為數(shù)據(jù)塊Ⅲ。GPS測量定位技術(shù)五、導(dǎo)航電文圖3-15導(dǎo)航電文的格式

GPS測量定位技術(shù)五、導(dǎo)航電文下面結(jié)合導(dǎo)航電文的格式，分析各數(shù)據(jù)塊和電文塊的詳細(xì)內(nèi)容和作用。（一）數(shù)據(jù)塊Ⅰ數(shù)據(jù)塊Ⅰ主要是衛(wèi)星時鐘校正和電離層校正信息，其中包含指明載波調(diào)制波類型、衛(wèi)星序號、衛(wèi)星健康狀況等的標(biāo)識碼、數(shù)據(jù)齡期、衛(wèi)星時鐘改正系數(shù)等。（1）傳輸參數(shù)N，由第三字的第13～16比特給出，目的是向用戶說明可能達(dá)到的測距精度Mpd一般不優(yōu)于2m，當(dāng)缺乏精度預(yù)估值（N為1111（=15））時，未經(jīng)特許的用戶不能確保其定位精度。（2）電離層時延差改正Tgd，由第七字的第17～24比特表示載波L1、L2的電離層時延改正數(shù)Tgd，供精度要求不高的單頻接收機(jī)用戶使用；對雙頻接收機(jī)的用戶，則還要考慮α0，α1，α2，α3，β0，β1，β2，β3等8個電離層延遲校正參數(shù)。GPS測量定位技術(shù)五、導(dǎo)航電文（3）由第三字的第23、24比特以及第八字的第1～8比特，均表示衛(wèi)星時鐘校正的數(shù)據(jù)齡期，為用戶提供時鐘改正的置信度（3-38）其中，為數(shù)據(jù)塊Ⅰ的參考時間，從全球定位系統(tǒng)時間每星期歷元開始量度，是校正參數(shù)的最后觀測時間。隨著齡期的加長，精度會有所下降。這是用戶選擇最佳觀測衛(wèi)星的參考數(shù)據(jù)。GPS測量定位技術(shù)五、導(dǎo)航電文（4）衛(wèi)星時鐘改正，即衛(wèi)星鐘差。衛(wèi)星是在高速運(yùn)動，且它與用戶處于不同的引力位，這就產(chǎn)生了相對頻移。由于相對論效應(yīng)，衛(wèi)星時鐘每秒鐘比地面時鐘快約448ps（每天相差3.87E-5s）。為了消除這種影響，而將衛(wèi)星時鐘10.23MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率減小到10.22999999545MHz的實(shí)際頻率，以進(jìn)行相對論效應(yīng)的常數(shù)項(xiàng)改正。但由于相對論效應(yīng)所產(chǎn)生的時間偏移并不是一個常數(shù)，且時鐘本身也有誤差，所以對衛(wèi)星時鐘還需加入改正△ts，這就是時鐘改正，其值為式中為衛(wèi)星時鐘相對于GPS時系的鐘差系數(shù)；是衛(wèi)星標(biāo)稱頻率相對于其實(shí)際頻率的偏差系數(shù)（即鐘速）；為時鐘頻率的漂移系數(shù)（即鐘速變化率）。，，載于第九、十字。至于GPS時間和協(xié)調(diào)時UTC時間存在的變化差值，由地面檢測站出并在導(dǎo)航電文中播發(fā)。（3-39）

GPS測量定位技術(shù)（二）數(shù)據(jù)塊Ⅱ（三）電文塊電文塊有25個頁面，其分配狀況如下：（1）第2、3、4、5、7、8、9、10頁面提供第25～32顆衛(wèi)星的歷書；（2）第17頁面提供專用電文；（3）第18頁面提供電離層改正模型和協(xié)調(diào)時UTC數(shù)據(jù)；（4）第25頁面提供32顆衛(wèi)星的防電子對抗特征符、衛(wèi)星型號和第25～32顆衛(wèi)星的健康狀況；（5）第13、14、15頁面為空閑頁；（6）其余11個頁面為備用頁。（四）數(shù)據(jù)塊Ⅲ（1）第1～24頁面提供第1～24顆衛(wèi)星的歷書；（2）第25頁面提供第1～24顆衛(wèi)星的健康狀況和星期編號。數(shù)據(jù)塊Ⅱ表示GPS衛(wèi)星的星歷，是導(dǎo)航定位電文的主要部分，它分三種共17個參數(shù)描述衛(wèi)星的運(yùn)行及其軌道。GPS測量定位技術(shù)第五節(jié)GPS信號的接收

一、信號接收設(shè)備的組成

GPS用戶設(shè)備主要包括有GPS接收機(jī)及其天線，微處理機(jī)及其終端設(shè)備和電源等。其中接收機(jī)和天線是用戶設(shè)備的核心部分，它們的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。圖3-16GPS信號接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

GPS測量定位技術(shù)一、信號接收設(shè)備的組成如果把GPS信號接收設(shè)備作為一個用戶測量系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)和作用可以分為：（1）天線（帶前置放大器）；（2）信號處理器，用于信號接收、識別和處理；（3）微處理器，用于接收機(jī)的控制、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計算；（4）用戶信息傳輸，包括操作板、顯示板和數(shù)據(jù)存儲器；（5）精密振蕩器，用以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率；（6）電源。GPS信號接收系統(tǒng)如果按其構(gòu)成部分的性質(zhì)和功能又可分為：（1）硬件部分：主要指上述的接收機(jī)、天線和電源等硬件設(shè)備；（2）軟件部分：軟件部分是現(xiàn)代GPS測量系統(tǒng)的重要組成部分。它是支持接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)其功能、完成各種導(dǎo)航和定位的重要條件。一個功能齊全、品質(zhì)良好的軟件不僅能為用戶提供極大方便，而且對于提高定位作業(yè)效率和改善定位精度，滿足用戶多方面的需要，具有重要的意義。GPS測量定位技術(shù)二、天線單元

GPS信號接收機(jī)的天線單元為接收設(shè)備的前置部分。天線單元包含接收天線和前置放大器兩部分。其中天線部分可能是全向振子天線或小型螺旋天線或微帶天線，但從發(fā)展趨勢來看，以微帶天線用的最廣、最有前途。微帶天線是在厚度為h（h≤λ）的介質(zhì)基片的上下兩面覆蓋兩塊金屬片構(gòu)成。一塊輻射金屬片作為接地板，完全覆蓋基片的底面；另一塊輻射金屬片作為輻射元置于基片頂面。這種天線把諸如放大器、震蕩器、開關(guān)、可變衰減器、混頻器、調(diào)相器、調(diào)制器等都一起敷設(shè)在一個介質(zhì)基片上，因而它的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕、成本低、有兩種工作頻率，有利于提高定位精度，缺點(diǎn)是增益較低。目前大部分測地型接收機(jī)天線都是微帶天線。其更適用于飛機(jī)、火箭等高速飛行物上。GPS測量定位技術(shù)二、天線單元

在地面上接收來自20200km高空的GPS衛(wèi)星信號，其信號電平只有-50～-180dB；輸入功率信噪比為S/N=－30Db。即信號源淹沒在噪聲中，為了提高信號強(qiáng)度，一般在天線后端設(shè)置前置放大器，前置放大器的作用是將由極微弱的GPS信號的電磁波能量轉(zhuǎn)換成為弱電流放大。前置放大器分外差式和高放式兩種。由于外差式前置放大器不僅具有放大功能，還具有變頻功能，即將高頻的GPS信號變換成中頻信號，這有利于獲得穩(wěn)定的定位精度，所以絕大多數(shù)測地型的GPS接收機(jī)采用外差式天線單元。GPS測量定位技術(shù)三、接收單元1.信號通道信號通道是一種軟件和硬件相結(jié)合的復(fù)雜電子裝置，是接收單元中的核心部分。其主要功能是跟蹤、處理和量測衛(wèi)星信號，以獲得導(dǎo)航定位所需要的數(shù)據(jù)和信息，通道數(shù)目有1到24個不等，由接收機(jī)的類型而定?？偟膩碇v，信號通道目前有相關(guān)型、平方型和相位型等三種。1）相關(guān)型通道新一代GPS信號接收機(jī)廣泛采用相關(guān)型通道，它能迅速地從偽噪聲碼中解譯出衛(wèi)星電文，從而測得運(yùn)動載體的實(shí)時位置。它主要由偽噪聲跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路組成。GPS測量定位技術(shù)1.信號通道

偽噪聲跟蹤環(huán)路的工作原理如右圖的方框圖所示。其主要作用是從C/A碼或P碼中提取偽距觀測量，同時對衛(wèi)星信號進(jìn)行解調(diào)，以獲得導(dǎo)航電文和載波。所謂跟蹤，就是使本地噪聲碼與接收噪聲碼“對齊”，“對齊”的功能是由環(huán)路濾波器和壓控時鐘構(gòu)成的反饋環(huán)路等完成的。圖3-17偽噪聲碼跟蹤環(huán)路方框圖GPS測量定位技術(shù)1.信號通道載波信號跟蹤環(huán)路的工作原理如右圖的方框圖所示。圖中為同相乘法器，為正交乘法器，壓控振蕩器在誤差電壓的調(diào)節(jié)下工作。當(dāng)壓控振蕩器的振蕩頻率與GPS信號的中心頻率相同時，。這時誤差電壓為零，即不起調(diào)節(jié)作用，這時振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定不變，這種情況下就叫做載波跟蹤環(huán)路的