1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用2第三章第三章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 3.3 导航电文导航电文 3.5 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 3.4 卫星信号调制卫星信号调制GPS原理及其应用原理及其应用3第三章第三章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构3.3 导航电文导航电文(10-28)GPS原理及其应用原理及其应用4导航电文（数据码，导航电文（数据码，D码）的信息码）的信息 卫星轨道参数卫星轨道参数 卫星钟参数卫星钟参数 电
2、离层延迟修正参数电离层延迟修正参数 卫星状态信息卫星状态信息 其它信息其它信息全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用5导航电文的结构导航电文的结构基本构成图基本构成图详解详解 导航电文以帧为单位向外播发导航电文以帧为单位向外播发 一组完整的导航电文含一组完整的导航电文含25个主帧个主帧 一个主帧由一个主帧由5个子帧组成个子帧组成 一个子帧含一个子帧含10个字个字 一个字有一个字有30bit，故一个子帧有，故一个子帧有300bit 导航电文播发速率为导航电文播发速率为50bps，即播
3、发一位需，即播发一位需0.02s 一个主帧有一个主帧有1500bit，需，需30s完成播发完成播发 每个主帧的前三个子帧内容相同，第每个主帧的前三个子帧内容相同，第4、5子帧则内容不同，也称为子帧则内容不同，也称为25个页面个页面 一组完整的导航电文需一组完整的导航电文需12.5min完成播发完成播发.第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第1子帧（第1数据块）(300bits)第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第2子帧（第2数据块）(300bits)第3子帧（第2数据块）(300bits)第4子帧（第
4、3数据块）(300bits)第5子帧（第3数据块）(300bits)第1主帧(1500bits)第2主帧(1500bits).第1子帧（第1数据块）(300bits).第5子帧（第3数据块）(300bits)第25主帧(1500bits)导航电文GPS原理及其应用原理及其应用6导航电文的内容导航电文的内容GPS原理及其应用原理及其应用7第一子帧（第一数据块）（第一子帧（第一数据块）（1） 遥测字（遥测字（TLM） 各子帧第一个字各子帧第一个字 功能：捕获导航电文的前导功能：捕获导航电文的前导 主要内容为地面监控系统在注入数据时的相关信息主要内容为地面监控系统在注入数据时的相关信息 交接字（交接
5、字（HOW） 各子帧第二个字各子帧第二个字 功能：提供时间标识功能：提供时间标识 主要内容：本星期内下一子帧开始的时间（子帧数）主要内容：本星期内下一子帧开始的时间（子帧数）GPS原理及其应用原理及其应用8第一子帧（第一子帧（2） 第第310个字个字 WN GPS周周 由由10bit表示，模为表示，模为1024 第一轮第一轮GPS周周 1980.1.6子夜零时子夜零时1999年年8月月21日午夜日午夜 第二轮第二轮GPS周周 1999年年8月月22日子夜零时日子夜零时2019年年4月月6日午夜日午夜 第三轮第三轮GPS周周 2019年年4月月7日子夜零时日子夜零时2038年年11月月20日午夜
6、日午夜GPS原理及其应用原理及其应用9第一子帧（第一子帧（3） 第第310个字（续）个字（续） L2载波上所调制测距码标识符载波上所调制测距码标识符 “10”表示表示C/A码，码，“01”表示表示P(Y)码码 用户测距精度（用户测距精度（URA）指数）指数 表征利用该卫星测距时的测距精度表征利用该卫星测距时的测距精度 反应了由于卫星和地面控制部分产生的误差，但不含用户设备及反应了由于卫星和地面控制部分产生的误差，但不含用户设备及传播路径误差的影响传播路径误差的影响 由由4个二进制位表示个二进制位表示 URA指数与指数与URA值之间的对应关系（表值之间的对应关系（表3-5） URA指数（指数（0
7、15），值越大，表示），值越大，表示URA越大，测距精度越低越大，测距精度越低 卫星健康状况卫星健康状况GPS原理及其应用原理及其应用10第一子帧（第一子帧（4） 第第310个字（续）个字（续） TGD L1信号与信号与L2信号在卫星内部的群延之差信号在卫星内部的群延之差 信号群延信号群延 GPS信号从生成到离开发射天线相位中心的时间信号从生成到离开发射天线相位中心的时间 L1与与L2信号群延不完全相同，公共部分被吸收到卫星钟差信号群延不完全相同，公共部分被吸收到卫星钟差 信号群延差信号群延差 含系统误差与随机误差含系统误差与随机误差 系统误差部分由系统误差部分由TGD 给出给出, 绝对值不大
8、于绝对值不大于15ns 随机误差部分绝对值小于随机误差部分绝对值小于3ns 群延差的确定群延差的确定 由卫星生产厂家确定由卫星生产厂家确定 由地面站根据长期观测数据估计并注入卫星由地面站根据长期观测数据估计并注入卫星GPS原理及其应用原理及其应用11第一子帧（第一子帧（5） 第第310个字（续）个字（续） 星钟数据龄期星钟数据龄期AODC 表征卫星钟改正数的外推时间表征卫星钟改正数的外推时间 卫星钟误差系数卫星钟误差系数 导航电文中给出了导航电文中给出了a0（钟偏），（钟偏），a1（钟速），（钟速），a2（钟漂）（钟漂）OCLAODCTt0122()()ffocfocrtaattattt GP
9、S原理及其应用原理及其应用12第第2、3子帧（第二数据块）子帧（第二数据块） 各子帧的第各子帧的第1、2个字与前同个字与前同 第第310个字个字 主要内容主要内容 描述该描述该GPS卫星轨道的参数，即广播星历卫星轨道的参数，即广播星历全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用13星历参数详解（星历参数详解（1） 星历参考时刻星历参考时刻 时的轨道根数时的轨道根数 时刻的平近点角时刻的平近点角 参考时刻的轨道偏心率参考时刻的轨道偏心率 参考时刻轨道长半径的平方根参考时刻轨道长半径的平方根
10、 参考时刻的轨道倾角参考时刻的轨道倾角 参考时刻的近地点角距参考时刻的近地点角距 参考时刻的升交点赤经与本周开始时刻的参考时刻的升交点赤经与本周开始时刻的GAST之差之差0et0eteA0i0M00( )oetGAST t GPS原理及其应用原理及其应用14星历参数详解（星历参数详解（2） 9个轨道摄动参数个轨道摄动参数 平均角速度平均角速度n的改正值的改正值 升交点赤经的变化率升交点赤经的变化率 轨道倾角的变化率轨道倾角的变化率 升交距角的余弦及正弦调和改正项的振幅升交距角的余弦及正弦调和改正项的振幅 轨道倾角的余弦及正弦调和改正项的振幅轨道倾角的余弦及正弦调和改正项的振幅 卫星到地心距离的
11、余弦及正弦调和改正项的振卫星到地心距离的余弦及正弦调和改正项的振幅幅nddt diidt,ucusCC,icisCC,rcrsCCGPS原理及其应用原理及其应用15星历参数详解（星历参数详解（3） 其他参数其他参数 星历参考时刻星历参考时刻 广播星历每广播星历每2h更新一次，参考时刻设在两次更新星历更新一次，参考时刻设在两次更新星历的中央时刻的中央时刻 星历数据的龄期星历数据的龄期AODE 0etGPS原理及其应用原理及其应用16第第4、5子帧（第三数据块）子帧（第三数据块） 第第4、5子帧有子帧有25个页面个页面 第三数据块的内容每第三数据块的内容每12.5分钟重复一次分钟重复一次 各子帧的
12、第各子帧的第1、2个字分别是遥测字与交接字个字分别是遥测字与交接字 各子帧第各子帧第310个字的内容个字的内容 所有卫星历书（概略星历）所有卫星历书（概略星历） 卫星的健康状况卫星的健康状况 AS的标识及卫星类型标识的标识及卫星类型标识 GPS时与时与UTC之间关系的参数之间关系的参数 （表（表3-10） 电离层改正参数（共电离层改正参数（共8个参数）个参数）GPS原理及其应用原理及其应用17第三章第三章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构3.5 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算GPS原理及其应用原理及其应用18GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置
13、根据广播星历计算卫星位置 计算思路计算思路 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标 然后将上述坐标分别绕然后将上述坐标分别绕X轴旋转轴旋转-i角、绕角、绕Z轴旋轴旋转转-L角，求出卫星在地固系下的坐标角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道参数轨道参数地心升交点xy近地点卫星近地点角距真近点角升交距角全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用19星历参数详解（星历参数详解（1）：轨道长半轴的平方根A全球定位系统的组成及信号结构全
14、球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解为平均角速度其中：参考时刻的平近点角nttnMtMMoe)()(00nnnsmWGSaaGMnn0231433010986005. 384)(系中定义为称为地球引力常数，在平均角速度的计算值：平均角速度的改正值GPS原理及其应用原理及其应用20星历参数详解星历参数详解etEtEearctgttEetMtEe)(cos)(sin1)()(sin)()(2真近点角：偏心率oeeoeeoeeoeeoeWoeeWoeoekeWoeoeWoekeWoettttttttGASTtGASTtttGASTtttGASTtGAS
15、TtttGASTttGASTGPS)()()()()()()()()()()()()()()(000为升交点赤经，则为升交点经度，为地球自转角速度，设之差周开始时格林尼治赤经与：参考时刻升交点赤经全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解GPS原理及其应用原理及其应用21星历参数详解星历参数详解全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解GPS原理及其应用原理及其应用22星历参数详解星历参数详解ittiitiioe)()(00：参考时刻的轨道倾角( )(
16、 )tt：近地点角距未经改正的升交距角)(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()(tCtCtitCtCtrtCtCtuCCCCCCisicrsrcusucisicrsrcusuc轨道倾角的改正项升交距角、轨道向径和弦调和改正的振幅：轨道倾角的余弦和正，弦调和改正的振幅：轨道半径的余弦和正，弦调和改正的振幅：升交距角的余弦和正，：星历参考时刻oet全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 星历参数详解星历参数详解GPS原理及其应用原理及其应用23GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算
17、卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程计算过程 计算参考时刻计算参考时刻 卫星运行的平均角速度卫星运行的平均角速度 计算观测时刻计算观测时刻t的平均角速度的平均角速度 计算计算t时刻卫星的平近点角时刻卫星的平近点角 计算偏近点角计算偏近点角0331432()843.986005 10GMnAAWGSms称为地球引力常数，在系中定义为0( )()oeM tMntt)(sin)()(tEetMtE全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 0et0nnn GPS原理及其应用原理及其应用24GPS卫星位置的计算卫星
18、位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程（续）计算过程（续） 计算真近点角计算真近点角 计算升交角距（未经改正的）计算升交角距（未经改正的） 计算卫星向径计算卫星向径etEtEearctgtf)(cos)(sin1)(2全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 )()( tftu)(cos1 ()( tEeAtrGPS原理及其应用原理及其应用25GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程（续）计算过程（续） 计算摄动改正项计算摄动
19、改正项 进行摄动改正进行摄动改正 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置计算卫星在轨道平面坐标系中的位置)( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()(tuCtuCtituCtuCtrtuCtuCtuisicrsrcusuc)()()()()( )()()( )(0tittiititrtrtrtututuoe)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 地心升交点xy近地点卫星近地点角距真近点角升交距角
20、GPS原理及其应用原理及其应用26GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置 计算过程（续）计算过程（续） 计算升交点经度计算升交点经度 计算卫星在瞬时地球坐标系下的坐标计算卫星在瞬时地球坐标系下的坐标 计算卫星在协议地球坐标系中的位置计算卫星在协议地球坐标系中的位置0( )()eoeL ttt cos ( )cos ( ) sin ( )( )( )sin ( )cos ( ) cos ( )0sin ( )ZxXxxL tyi tL tYRL tRi tyxL tyi tL tZyL t 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 G
21、PS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 Y10R (-x )R ()011ppXppCTSppxxXXyyYyYzZZxy GPS原理及其应用原理及其应用27000()()(1)( )()(2)( )(3)( )( )oeWeekoeoeWoeeekeeWeekGPSGASTtttttGAST tGASTttL ttGASGTtAS ：参考时刻升交点赤经与周开始时格林尼治赤经之差，即 时刻的升交点赤经时刻的春分点格林尼治恒星时角 其中为地球自转角速度时刻的经由， 出发，计算 时刻的升交点经度，步骤：度 00( )() ()()oeoeoeWeekeoeeeWeeoeo
22、ekeT tttGGASTASTttttttttt GPS原理及其应用原理及其应用28精密星历精密星历(10-30)按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差置、三维速度和钟差* * 2004 1 15 0 0 0.000000002004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.35
23、9989 14690.489309 -257.156064P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 5 -1
24、2628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257
25、.166627 635.667094P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置根据精密星历计算卫星位置全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用29 任意时刻任意时刻t卫星位置的计算卫星位置的计算 原理：插值法原理：插值法 方法：拉格朗日插值法等方法：拉格朗日
26、插值法等nkkikinkiinnyxxxxxfxyyyxxxnxfy001010)()(,.,.,)(值为，其函数点对于插值区间内的任一函数值及其对应的个结点的已知函数GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置根据精密星历计算卫星位置全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 GPS原理及其应用原理及其应用30第三章第三章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构3.4 卫星信号调制卫星信号调制GPS原理及其应用原理及其应用31载波与信号调制载波与信号调制 原始载波原始载波 信号调
27、制的几种方式信号调制的几种方式 调幅调幅 调频调频 调相调相 GPS信号采用二进制相位调制的方法信号采用二进制相位调制的方法0cos()At GPS原理及其应用原理及其应用32导航电文调制到测距码上的法则导航电文调制到测距码上的法则 模二和模二和 运算规则运算规则 二进制信号：二进制信号：“1”表示二进制表示二进制“0”，“-1”表示表示二进制二进制“1”，则，则000; 110; 101; 011111; 111; 111; 111GPS原理及其应用原理及其应用33组合码调制到载波上组合码调制到载波上 二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS调频调频FM调幅调幅A
28、M调相调相PM注：其它调制方式注：其它调制方式全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星信号的调制卫星信号的调制GPS原理及其应用原理及其应用34GPS卫星信号的构成卫星信号的构成 GPS卫星信号的调制卫星信号的调制 示意图示意图 卫星信号的调制原理卫星信号的调制原理)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 卫星信号的调制卫星信号的调制GPS
29、原理及其应用原理及其应用35 本章思考题本章思考题 1.试绘图说明开普勒六个轨道根数的含义。试绘图说明开普勒六个轨道根数的含义。 2. 广播星历的第一、第二及第三数据块中分别存广播星历的第一、第二及第三数据块中分别存放了哪些重要参数？放了哪些重要参数？ 3. GPS卫星信号是由哪几部分构成的？卫星信号是由哪几部分构成的？ GPS卫星卫星的导航电文是按照什么运算法则调制到测距码上的导航电文是按照什么运算法则调制到测距码上的？所得到的组合码又是如何调制到载波上的？的？所得到的组合码又是如何调制到载波上的？ 4. 由广播星历计算由广播星历计算GPS卫星的位置的思路是怎样的？卫星的位置的思路是怎样的？要在哪几个坐标系间进行坐标转换？要在哪几个坐标系间进行坐标转换？
