1、卫星导航定位原理卫星导航定位原理 主讲：主讲： 申申 强强 机电工程与控制国家级重点实验室机电工程与控制国家级重点实验室010-68918500主要内容主要内容GPS GPS 绪论绪论GPS GPS 定位基本原理及精度分析定位基本原理及精度分析GPS GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成GPS GPS 接收机信号基带处理接收机信号基带处理GPS GPS 误差因素及差分原理误差因素及差分原理学习参考资料学习参考资料1.1.谢纲著谢纲著.GPS.GPS接收机原理与接收机设计，电子工业出版社，接收机原理与接收机设计，电子工业出版社，200920092.2.王惠南编著王惠南编著.GPS.G
2、PS原理与应用，科学出版社，原理与应用，科学出版社，200320033.3.美美 Elliott D.Kaplan Christopher J.Hegarty Elliott D.Kaplan Christopher J.Hegarty 主编，寇艳主编，寇艳红译红译.GPS.GPS原理与应用（第二版），电子工业出版社，原理与应用（第二版），电子工业出版社，2007.2007.学习要求学习要求（1 1）了解卫星导航系统的起源、组成；各国卫星导航系统概）了解卫星导航系统的起源、组成；各国卫星导航系统概况。况。（2 2）掌握卫星导航定位基本原理。）掌握卫星导航定位基本原理。（3 3）理解）理解GPS
3、GPS信号结构及导航电文格式，了解信号结构及导航电文格式，了解GPSGPS接收机接收机 基本组成。基本组成。（4 4）理解）理解GPSGPS接收机信号处理过程（难点）。接收机信号处理过程（难点）。（5 5）了解）了解GPSGPS差分原理。差分原理。 1 GPS 绪论绪论1.1 GPS 1.1 GPS 定位系统定义定位系统定义 全球定位系统（全球定位系统（Global Positioning SystemGlobal Positioning SystemGPSGPS）是一种定时和测距的空间交会定点的无线电）是一种定时和测距的空间交会定点的无线电导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精导航系统
4、，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。度的三维位置、三维速度和时间信息。 1 GPS 绪论绪论1.2 GPS1.2 GPS系统基本组成系统基本组成 GPSGPS系统包括三大部分：地面控制部分；空间部系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用户部分。分；用户部分。 1 GPS 绪论绪论1.2.1 1.2.1 空间星座部分空间星座部分（1 1）卫星分布情况）卫星分布情况 由由2121颗工作卫星和颗工作卫星和3 3颗在轨备用卫颗在轨备用卫星组成星组成GPSGPS卫星星座。但目前处于正卫星星座。但目前处于正常运行状态的实际卫星数目为常运行状态的实际卫星数目为3030颗
5、左颗左右。其主要参数为：右。其主要参数为：卫星高度约为卫星高度约为20200km20200km各轨道面与赤道面夹角：各轨道面与赤道面夹角：5555；相邻轨道面升交点经度：相邻轨道面升交点经度：6060；相邻轨道临近卫星升交点角距：相邻轨道临近卫星升交点角距：3030；运行周期：运行周期：1111小时小时5858分；分；卫星分部状况大约每隔卫星分部状况大约每隔2323小时小时5656分重复一次。分重复一次。 1 GPS 绪论绪论1.2.1 1.2.1 空间星座部分空间星座部分（2 2）卫星星座）卫星星座主要功能：主要功能： 接收地面监控站发来的导航信息，执行监控站的控制指令；对部分必接收地面监控
6、站发来的导航信息，执行监控站的控制指令；对部分必要的数据进行处理；向用户发送导航信息。通过推进器调整卫星姿态。要的数据进行处理；向用户发送导航信息。通过推进器调整卫星姿态。发展过程：发展过程： GPSGPS卫星设计可分为五代。卫星设计可分为五代。1)1)第第1 1代代:Block:Block2)2)第第2 2代：代：BlockBlock和和BlockA3)第第3代：代：BlockR 和和BlockR-M4)第第4代：代：Block RF5)第第5代：代：GPS BlockR-M、 Block RF、 GPS是是GPS现代化重要组成部分。现代化重要组成部分。 1 GPS 绪论绪论1.2.2 1.
7、2.2 地面监控部分地面监控部分 接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段波段GPS卫星卫星GPS卫星卫星1 GPS 绪论绪论1.2.2 1.2.2 地面监控部分地面监控部分 GPSGPS的地面监控部分由分布在全球的的地面监控部分由分布在全球的5 5个地面站组成，其中个地面站组成，其中包括卫星监测站（包括卫星监测站（5 5个）、主控站（个）、主控站（1 1个）和注入站（个）和注入站（3 3个）。个）。 夏威夷夏威夷卡瓦加兰卡瓦加兰狄哥狄哥伽西亚伽西亚阿松森岛阿
8、松森岛科罗拉多科罗拉多1 GPS 绪论绪论1.2.2 1.2.2 地面监控部分地面监控部分 主要功能：主要功能： （1 1）监控所有卫星运行轨道；）监控所有卫星运行轨道； （2 2）计算卫星钟差，以确保各颗卫星的原子钟与主控站的原）计算卫星钟差，以确保各颗卫星的原子钟与主控站的原子钟同步，维护子钟同步，维护GPSGPS的时间基准；的时间基准； （3 3）计算卫星的星历参数；）计算卫星的星历参数； （4 4）计算大气层延时等导航电文中包含的各个修正参数；）计算大气层延时等导航电文中包含的各个修正参数； （5 5）更新卫星的导航电文，并将其传送给注入站；）更新卫星的导航电文，并将其传送给注入站；
9、（6 6）发送用以调整卫星轨道的控制命令，确保卫星沿预定的）发送用以调整卫星轨道的控制命令，确保卫星沿预定的轨道运行；轨道运行； （7 7）监视卫星是否工作正常，并在卫星出现故障、失效的情）监视卫星是否工作正常，并在卫星出现故障、失效的情况下启动备用卫星。况下启动备用卫星。 1 GPS 绪论绪论1.2.3 1.2.3 用户设备部分用户设备部分 由由GPSGPS信号接收机及相关设备组成。信号接收机及相关设备组成。 GPSGPS接收机是接收、跟踪、变换和测量接收机是接收、跟踪、变换和测量GPSGPS信号的无线电设备。信号的无线电设备。 1 GPS 绪论绪论1.2.3 1.2.3 用户设备部分用户设
10、备部分 l 弹载导航型弹载导航型GPSGPS接收机接收机特点：小体积（特点：小体积（150150* *100100* *1010）；抗高过载（）；抗高过载（15500g)15500g)；快速捕获；快速捕获； 抗干扰能力强；可与抗干扰能力强；可与INSINS进行深组合。进行深组合。1 GPS 绪论绪论1.3 GPS1.3 GPS提供的服务、限制和性能指标提供的服务、限制和性能指标 GPSGPS提供两种服务：提供两种服务：SPSSPS与与PPSPPS SPS SPS 标准定位服务，使用标准定位服务，使用C/AC/A码，民用码，民用 PPS PPS 精密定位服务，可使用精密定位服务，可使用P P码，
11、军用码，军用 初期采取了初期采取了SASA策略（已于策略（已于20002000年年5 5月月1 1日取消）即日取消）即Selective Availability Selective Availability 选择可用性：人为降低普通用选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。户的测量精度。 同时采取同时采取ASAS措施措施 Anti-Spoofing Anti-Spoofing（反电子欺骗）（反电子欺骗） P P码码加密，加密，P+W-YP+W-Y1 GPS 绪论绪论1.4 GPS1.4 GPS性能指标性能指标（1 1）准确性）准确性 PPSPPS单点定位误差单点定位误差: :水平水平13m1
12、3m，垂直，垂直22m 22m （2drms) 2drms) ，定时误，定时误差差40ns(95%40ns(95%）；）； SPSSPS单点定位误差：水平单点定位误差：水平22m22m，垂直，垂直27.7m(2drms27.7m(2drms），定时），定时误差误差200ns(95%)200ns(95%)。（2 2）正直性：又称为可靠性或完整性。）正直性：又称为可靠性或完整性。（3 3）连续性；）连续性；（4 4）有效性；）有效性；（5 5）首次定位所需时间；）首次定位所需时间；（6 6）灵敏度：）灵敏度：dBm/dbWdBm/dbW1 GPS 绪论绪论1.5 1.5 其它卫星导航系统其它卫星导
13、航系统（1 1）GLONASS GLONASS （19701970s s，俄罗斯），俄罗斯） 空间部分由均匀分布在三个轨道面上的空间部分由均匀分布在三个轨道面上的2424颗卫星组成，轨道倾角为颗卫星组成，轨道倾角为64.864.8，更好的覆盖高纬度地区。采用，更好的覆盖高纬度地区。采用FDMAFDMA技术。技术。目前正处于重建和现代化。目前正处于重建和现代化。 (2) Galileo (2) Galileo (伽利略伽利略) ) （19901990s s，欧，欧 盟）盟） 该系统有该系统有3030颗卫星，具有比目前颗卫星，具有比目前GPSGPS更广的信号覆盖率，更高的定位更广的信号覆盖率，更高
14、的定位精度和可靠性。计划与精度和可靠性。计划与20082008年投入运营。年投入运营。（3 3）北斗卫星导航系统）北斗卫星导航系统 北斗北斗1 1代：主动式、双向定位系统。在代：主动式、双向定位系统。在20082008年汶川地震立功。年汶川地震立功。 北斗北斗2 2代：由代：由5 5颗静止轨道和颗静止轨道和3030颗非静止轨道卫星组成的全球卫星导航颗非静止轨道卫星组成的全球卫星导航系统，体制类似于系统，体制类似于GPSGPS和和GalileoGalileo，计划于，计划于20152015年建成。年建成。2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.1 2.1 空间坐标系空间坐标系
15、(1)(1)地心惯性坐标系（地心惯性坐标系（ECIECI）2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.1 2.1 空间坐标系空间坐标系2 2）地心地固直角坐标系（）地心地固直角坐标系（ECEF)ECEF)和大地坐标系（地球坐标系）和大地坐标系（地球坐标系）2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.1 2.1 空间坐标系空间坐标系2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.1 2.1 空间坐标系空间坐标系ECEFECEF直角坐标系向大地坐标系（经、纬、高坐标系）的转直角坐标系向大地坐标系（经、纬、高坐标系）的转换关系：换关系：coscos)(hN
16、xsincos)(hNysin)1 (2heNz其中，其中， 为基准椭球体的卯酉圆曲率半径，为基准椭球体的卯酉圆曲率半径， 为椭球偏心为椭球偏心率，与长半径率，与长半径 和短半径和短半径 存在如下关系：存在如下关系：Neab2222abae22sin1 eaN2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.1 2.1 空间坐标系空间坐标系大地坐标系（经大地坐标系（经- -纬纬- -高坐标系）向高坐标系）向ECEFECEF直角坐标系的转换关系：直角坐标系的转换关系：)arctan(xyNphcos)1 (arctan12hNNepz22yxp2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位
17、原理与精度分析 建立、实现协议地球坐标系统是一个相当复杂困难的过程，涉及地建立、实现协议地球坐标系统是一个相当复杂困难的过程，涉及地极运动模型、地球基本常数定义等多方面的问题。极运动模型、地球基本常数定义等多方面的问题。 由美国国防部下属的国防制图局制定的世界大地坐标系（由美国国防部下属的国防制图局制定的世界大地坐标系（WGS)WGS)是协是协议坐标系的一种近似实现。经多次修改和完善，形成议坐标系的一种近似实现。经多次修改和完善，形成19841984年版的世界大年版的世界大地坐标系（地坐标系（WGS-84)WGS-84)。GPSGPS卫星星历和历书参数计算得到的卫星位置和速卫星星历和历书参数计
18、算得到的卫星位置和速度都直接表达在度都直接表达在WGS-84WGS-84直角坐标系中。直角坐标系中。 WGS-84WGS-84坐标系不仅仅是一个地心地固直角坐标系，它还定义了相应坐标系不仅仅是一个地心地固直角坐标系，它还定义了相应大地坐标系所需的基准椭球体，描述了与大地水准面相应的地球重力场大地坐标系所需的基准椭球体，描述了与大地水准面相应的地球重力场模型，以及提供了修正后的基本大地参数。模型，以及提供了修正后的基本大地参数。3 3）WGS-84WGS-84坐标系坐标系2.1 2.1 空间坐标系空间坐标系2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析 基准椭球体的极扁率：基准椭球体的
19、极扁率：bbaf 极扁率与偏心率关系：极扁率与偏心率关系：)2(2ffe2.1 2.1 空间坐标系空间坐标系基本大地参数WGS-84a(m)6378137f1/298.257(rad/s)7.292115 10-5GM(km3/s2)398600.52 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析 图图3.53.54 4）站心坐标系（东北天（）站心坐标系（东北天（ENU)ENU)坐标系）（地理坐标系）坐标系）（地理坐标系）2.1 2.1 空间坐标系空间坐标系ECEFECEF直角坐标向东直角坐标向东- -北北- -天坐标系的转换关系：天坐标系的转换关系：zyxuneSuneunezyxT
20、SS1sinsincoscoscoscossinsincossin0cossinS222)()()(arcsinuneu卫星仰角：卫星仰角：2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.2 2.2 时间系统时间系统 在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。进行定位的重要基准。 要求：可重复观察、连续、稳定的周期运动要求：可重复观察、连续、稳定的周期运动1 1）世界时（）世界时（UT)(UT)(地球自转速度在
21、变慢）地球自转速度在变慢）2) 2) 原子时（原子时（AT)AT)、国际原子时（、国际原子时（TAI)TAI)4) 4) 协调世界时（协调世界时（UTC)-UTC)-原子时原子时+ +跳秒跳秒5) GPST 5) GPST （与协调时的（与协调时的19801980年年1 1月月6 6日零时一致），周内计日零时一致），周内计数器从每周六午夜零时从数器从每周六午夜零时从0 0开始以开始以1.5s1.5s为单位计数，经过为单位计数，经过1 1周为周为604800s604800s返回至返回至0 0，星期数（，星期数（WNWN）加）加1.1.2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.2
22、 2.2 时间系统时间系统TAIGPST+19TAIGPST+19GPSTGPSTUTC+14 (2006年年1月月1日后）日后）6) 6) 接收机时钟源接收机时钟源晶体振荡器晶体振荡器 衡量晶体振荡器的指标衡量晶体振荡器的指标频率偏差率和频率稳定度艾兰（频率偏差率和频率稳定度艾兰（Allan)方差方差.000fffffF频率稳定度：艾兰方差：11212)() 1(21)(NnnnAFFN0.25ppm200ppm温控晶体振荡器：OCXO温补晶体振荡器：TCXO2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.2 2.2 时间系统时间系统7) 7) 卫星时钟的相对论效应卫星时钟的相对
23、论效应 3.33ns1m要求：2030ns狭义相对论：卫星时钟会变慢，每天慢约s7广义相对论：卫星时钟会变快，每天快约s45s7解决方法：在地面设计卫星时钟时，特意减小其实际运行的基本频率10.23MHz-10.22999999543MHz除此之外，还需根据卫星当前位置再对相对论效应做适当校正。2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.3 GPS2.3 GPS卫星轨道理论卫星轨道理论2.3.1 2.3.1 卫星的无摄运行轨道卫星的无摄运行轨道 开普勒第一定律：所有行星绕太阳运行的轨道都呈椭圆，开普勒第一定律：所有行星绕太阳运行的轨道都呈椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。太阳位于
24、椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律：连接行星和太阳的直线在相等的时间内开普勒第二定律：连接行星和太阳的直线在相等的时间内扫过的面积相等。扫过的面积相等。开普勒第三定率：不同行星绕太阳运行的公转周期的平方开普勒第三定率：不同行星绕太阳运行的公转周期的平方分别与它们轨道长半径的平方成正比。分别与它们轨道长半径的平方成正比。 2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.3 GPS2.3 GPS卫星轨道理论卫星轨道理论2.3.1 2.3.1 卫星的无摄运行轨道卫星的无摄运行轨道rrGMm rF2牛顿万有引力定律：牛顿万有引力定律：rrGMtrr22 dd椭圆长半径3saGMn平均角速度2
25、 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.3 GPS2.3 GPS卫星轨道理论卫星轨道理论2.3.2 2.3.2 开普勒轨道开普勒轨道6 6参数参数 轨道升交赤经i轨道倾角近地点角距sa椭圆长轴半径se偏心率卫星真近点角2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.3 GPS2.3 GPS卫星轨道理论卫星轨道理论 计算卫星在轨道平面直角坐标系中的位置：)(0ttnM平近地点角：EeEMssin偏近地点角：真近地点角：)cossin1arctan(2sseEEe椭圆极坐标方程：cos1)1 (2ssseear卫星矢径长度：)cos1 (Eearss平面直角坐标：Ee
26、aeEarryxsssscos1)(cossincos22 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.4 2.4 星历、历书星历、历书 星历：星历：扩展后的开普勒轨道参数，扩展后的开普勒轨道参数，16个，由每颗卫星播发个，由每颗卫星播发不同星历。在星历参考时间不同星历。在星历参考时间 toe前后的前后的2小时内有效，通常小时内有效，通常每每2小时播发一次。根据星历计算的卫星位置误差均方差大小时播发一次。根据星历计算的卫星位置误差均方差大致为致为35m。用途：精确计算各颗卫星位置和速度。用途：精确计算各颗卫星位置和速度。历书：历书：由每颗卫星播发的包括自身在内的所有卫星的轨道由每颗
27、卫星播发的包括自身在内的所有卫星的轨道运行参数。省去了星历中的一些摄动校正量。有效期可达运行参数。省去了星历中的一些摄动校正量。有效期可达半年以上。计算卫星位置和速度的精度较差。用途：用于半年以上。计算卫星位置和速度的精度较差。用途：用于接收机对卫星信号的搜索和捕获。接收机对卫星信号的搜索和捕获。2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.4 2.4 伪距定位原理伪距定位原理)()()()()()(nnnnunnTIttr)()()()(nnnnncTIt伪距测量值：经误差校正后的伪距测量值：校正后的伪距观测方程式：)()()(nncuntr而：2)(2)(2)()()()()
28、()(zzyyxxxxrnnnnn对流层延时误差电离层延时误差2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.4 2.4 伪距定位原理伪距定位原理GPS定位、定时算法的本质是求解以下一个四元非线性方程组：)(2)(2)(2)()2(2)2(2)2(2)2()1(2)1(2)1(2)1()()()()()()()()()(NuNNNuuccctzzyyxxtzzyyxxtzzyyxx伪距定位算法：(1) 准备数据与设置初始解(2) 非线性方程组线性化(3) 求解线性方程组(4) 更新非线性方程组的根(5) 判断牛顿迭代法的收敛性（1）2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精
29、度分析2.4 2.4 伪距定位原理伪距定位原理（1）准备数据与设置初始解 对各颗可见卫星n，收集它们在同一测量时刻的伪距测量值 并计算各种校正量，得到经误差校正后的伪距测量值 。对于所有可见卫星，根据它们的星历计算出经地球校正后的卫星空间位置坐标。同时给出接收机的大致位置坐标。)(n（2）非线性方程组线性化111),(),(111kkkzzyyxxkkkkkkzfzyfyxfxzyxfzyxf（2）2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.4 2.4 伪距定位原理伪距定位原理)()()(2)(2)(2)()()()()()()()(nxnnnnnnnrxxzzyyxxxxxr
30、1故式（1）可写为：（3）NkuukNzkNykNxkNkuukzkykxkkuukzkykxkcccttzyxrttzyxrttzyr1,1)(1)(1)(1)(21,1)2(1)2(1)2(1)2(11,1)1(1)1(1)1(1)1()()()()()()()()()()()()(x1x1x1xx1x1x1xx1x1x1x整理后可写为：btzyxGu（4）（5）2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.4 2.4 伪距定位原理伪距定位原理1)()()(1)()()(1)()()(1)(1)(1)(1)2(1)2(1)2(1)1(1)1(1)1(kNzkNykNxkzky
31、kxkzkykxGx1x1x1x1x1x1x1x1x11,1)()(1,1)2()2(1,1)1()1()()()(kukNNckukckukctrrtrrtrrb（6）（7）（3）求解线性方程组bGGGtzyxTTu1)(（8）2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.4 2.4 伪距定位原理伪距定位原理（4）更新非线性方程组的根zyxxkkk11xxxukukuttt1,（9）（10）（5）判断牛顿迭代的收敛性22utx或kx？2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.5 2.5 精度分析精度分析（1）定位误差的方差分析butuzyxtzyxG测量误差向
32、量由测量误差向量引起的定位、定时误差GGGTTtzyxu1)(2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.5 2.5 精度分析精度分析误差模型的基本假设：（1)各个卫星的测量误差均呈相同的正态分布，均值为0，方差为2URE2222RNMPCSURE地面监控部分产生的卫星星历和卫星钟差模型的误差标准差 3m与接收机多路径有关的测量误差标准差 1m信号在传播途径上的大气延时校正误差标准差 5m2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.5 2.5 精度分析精度分析（2)不同卫星间的测量互不相关。测量误差向量的协方差矩阵为对角阵，即)()()(TTEEEEKI2222
33、000000000UREUREUREURE2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.5 2.5 精度分析精度分析定位误差协方差矩阵：22111)() )() ()(UREUREtututuTTTTTTzyxzyxzyxEEHGGGGGGGGCov2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.5 2.5 精度分析精度分析GPS定位精度取决于两方面因素：（1）测量误差（2）卫星几何分布。矩阵 仅与可见卫星的个数及其相对于用户的几何分布相关。 GH2443322112222UREuthhhhzyx三维误差的标准差22332211222UREURExyxPPDOPhhh
34、精度因子2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.5 2.5 精度分析精度分析（3）几何精度矩阵在地理坐标系内的表示tutuzyxune1311300S2231133113UREURE11HCovTunetuH00S00S水平：垂直：三维：四维：1211HDOPhh33VDOPh332211PDOPhhh44332211GDOPhhhh2 GPS 导航定位原理与精度分析导航定位原理与精度分析2.5 2.5 精度分析精度分析（3）几何精度矩阵在地理坐标系内的表示bGtuune1112222211111)()()()()()()()()()()()()()()(sincoscos
35、sincossincoscossincossincoscossincosNNNNNG-卫星仰角-卫星方位角3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.1 3.1 信号结构信号结构3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.1 3.1 信号结构信号结构3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.2 PRN3.2 PRN码码G1:G2:3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.2 PRN3.2 PRN码码互相关特性互相关特性: :自相关特性自相关特性: :3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 3.3 导航电文导航电文3 GPS
36、 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成1.3 1.3 导航电文导航电文 每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。 为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 3.3 导航电文导航电文123451234567891030s6s0.02s0.6s子帧4、5各含25页一个子帧一个字码一个主帧一个页面TLWHOW数据块1时钟修正参数TLW
37、HOW数据块2星历表TLWHOW数据块2星历表继续TLWHOW数据块3卫星历书等TLWHOW数据块3卫星历书等子帧 1一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特子帧 3子帧 4子帧 5子帧 23 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 3.3 导航电文导航电文3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 3.3 导航电文导航电文1、遥测码（TLWTelemetry WORD） 位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。遥测码的第18比特是同步码，使用户便于解释导航电文；第922比特为遥测电文，其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其
38、它信息。第23和第24比特是连接码；第2530比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 3.3 导航电文导航电文2、交接字（HOWHand Over Word） 紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从星期日零时只能星期六24时，P码字码X1的周期（1.5秒）的重复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获到P码。3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 3.3 导航电文导航电文3、第一数据块 第一数据块位于第1子帧的第310字码，它的主要内容包括： a、时延差改正Tgd就是载波L1、L2的
39、电离层 时延差。 b 、数据龄期AODC是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。 C、 星期序号WN表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。 d 、卫星时钟改正GPS时间和UTC时间之间存在的差值。3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 3.3 导航电文导航电文4、第二数据块 第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类： a、 开普勒六参数。 b 、轨道摄动九参数。 C、 时间二参数3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 3.3 导航电文导航电文5
40、、第三数据块 第三数据块包括第4和第5子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择地卫星。3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 3.3 导航电文导航电文GPS卫星星历参数3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 GPS3.3 GPS接收机组成接收机组成3 GPS 信号结构及接收机组成信号结构及接收机组成3.3 GPS3.3 GPS接收机组成接收机组成4 GPS 基带信号处理基带信号处理
41、4.1 GPS4.1 GPS信号解调原理信号解调原理剥离载波剥离伪随机码4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.2 GPS4.2 GPS接收机基带信号解调器结构接收机基带信号解调器结构4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.3 GPS4.3 GPS卫星信号捕获卫星信号捕获为什么捕获？为什么捕获？（1）确定卫星通道（2）信号多普勒频移（3）码相位的不确定性如何捕获？如何捕获？（1）串行搜索cfvflrd/4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.3 GPS4.3 GPS卫星信号捕获卫星信号捕获（2）并行频域捕获（3）并行码域捕获4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.4 GPS4.4 GPS卫星信
42、号跟踪卫星信号跟踪为什么跟踪？为什么跟踪？ 达到载波和伪随机码的完全剥离，同时确定精确达到载波和伪随机码的完全剥离，同时确定精确的码相位，用以给出伪距测量值。的码相位，用以给出伪距测量值。载波跟踪环结构载波跟踪环结构4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.4 GPS4.4 GPS卫星信号跟踪卫星信号跟踪载波跟踪环鉴相器载波跟踪环鉴相器4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.4 GPS4.4 GPS卫星信号跟踪卫星信号跟踪码跟踪环结构码跟踪环结构4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.4 GPS4.4 GPS卫星信号跟踪卫星信号跟踪码鉴相器码鉴相器4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.4 GP
43、S4.4 GPS卫星信号跟踪卫星信号跟踪环路滤波器环路滤波器4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.4 GPS4.4 GPS卫星信号跟踪卫星信号跟踪环路滤波器参数选择环路滤波器参数选择4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.4 GPS4.4 GPS卫星信号跟踪卫星信号跟踪跟踪部分结构跟踪部分结构4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.5 4.5 导航数据解调和伪距求取导航数据解调和伪距求取位同步位同步4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.5 4.5 导航数据解调和伪距求取导航数据解调和伪距求取帧同步帧同步4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.5 4.5 导航数据解调和伪距求取导航数据解调和
44、伪距求取信号发射时间组装及伪距求取信号发射时间组装及伪距求取)(001.0)1023(02.0)30()(sCPcbwTOWts4 GPS 基带信号处理基带信号处理4.5 4.5 导航数据解调和伪距求取导航数据解调和伪距求取(Epoch Time) 首先让某个接收通道上的卫星发射时间加上首先让某个接收通道上的卫星发射时间加上70ms作作为接收机时钟为接收机时钟 ，然后根据其它卫星的发射时间与该参，然后根据其它卫星的发射时间与该参考卫星信号发射时间的前后相对关系一一推导出这些卫星考卫星信号发射时间的前后相对关系一一推导出这些卫星的伪距测量值。一旦的伪距测量值。一旦GPS定位实现后，接收机钟差就可
45、被定位实现后，接收机钟差就可被准确求解，其误差一般在几个准确求解，其误差一般在几个ns.ut5 GPS 测量误差因素及差分原理测量误差因素及差分原理5.1 5.1 测量误差因素测量误差因素5 GPS 测量误差因素及差分原理测量误差因素及差分原理5.2 5.2 差分差分GPSGPS的原理的原理 差分差分GPS的基本工作原理主要是依据卫星时钟误差、卫的基本工作原理主要是依据卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时与对流层延时所具有的空间相关星星历误差、电离层延时与对流层延时所具有的空间相关性和时间相关性这一事实。性和时间相关性这一事实。5 GPS 测量误差因素及差分原理测量误差因素及差分原理5.3 5.3 各误差因素量值及差分后效果各误差因素量值及差分后效果
