1、2022-6-16第三章 卫星运动基础及卫星运动基础及GPSGPS卫星的坐标计算卫星的坐标计算3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动3.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历3.5 GPS3.5 GPS卫星的坐标计算卫星的坐标计算2022-6-16三、卫星运动基础及三、卫星运动基础及GPSGPS卫星的坐标计算卫星的坐标计算3.1 概述概述轨道参数轨道参数：卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫：卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。人卫轨道理论的研究意
2、义人卫轨道理论的研究意义：进行：进行GPSGPS导航和测量时，导航和测量时，GPSGPS卫星是作为瞬时空间位置已知的高空观测目标，卫星是作为瞬时空间位置已知的高空观测目标，须要轨道参数描述。须要轨道参数描述。在进行绝对定位时，卫星轨道误在进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；而在相对定位差将直接影响用户接收机位置的精度；而在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响将会减弱，但当基线较时，尽管卫星轨道误差的影响将会减弱，但当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。此外，长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。此外，为了制订为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的
3、测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。信号，也需要知道卫星的轨道参数。2022-6-162022-6-16v作用在卫星上的外力作用在卫星上的外力 地球引力地球引力地球质心引力：将地球作为匀质球体地球质心引力：将地球作为匀质球体( (中心力中心力或非或非摄动力）摄动力）地球非球形引力地球非球形引力( (也称地球形状摄动力也称地球形状摄动力) ) 日、月及其它天体的引力日、月及其它天体的引力 大气阻力大气阻力 太阳光压太阳光压 其它作用力（如：地磁、地球潮汐摄动等）其它作用力（如：地磁、地球潮汐摄动等）摄动力，也称非中心力2022-6-16v卫星轨道卫星轨道 无摄轨道：
4、受非摄动力作用的卫星轨道。理无摄轨道：受非摄动力作用的卫星轨道。理想状态的卫星轨道。想状态的卫星轨道。 受摄轨道：受摄动力作用的卫星轨道。受摄轨道：受摄动力作用的卫星轨道。 对轨道的分析研究：由无摄轨道到受摄轨道对轨道的分析研究：由无摄轨道到受摄轨道 分分2 2步：步：二体问题：忽略所有摄动力，仅考虑地球质心二体问题：忽略所有摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动规律引力研究卫星相对于地球的运动规律研究各种摄动力的影响，修正无摄轨道，确定研究各种摄动力的影响，修正无摄轨道，确定受摄运动轨道的瞬时特征受摄运动轨道的瞬时特征。2022-6-163.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动开普勒
5、（开普勒（1571 1571 16301630）卫星运动三定律：）卫星运动三定律： 卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心重合；的质心重合；sssfeearscos1)1(2GMaT2324卫星的地心距真近点角椭圆扁心率椭圆长半径2 2、卫星的地心向径，在相同的时间内所扫过的面积相等；、卫星的地心向径，在相同的时间内所扫过的面积相等；卫星在近地点处速度最大，远地点最小。卫星在近地点处速度最大，远地点最小。3 3、卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量、卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量)/(2s
6、radTns213saGMn卫星运动的平均角速度2022-6-16)/(2sradTns2022-6-16 a a：椭圆轨道的长：椭圆轨道的长半径半径 e e：椭圆轨道的偏：椭圆轨道的偏心率心率 i i：椭圆轨道平面：椭圆轨道平面的倾角（轨道平面的倾角（轨道平面与地球赤道面的夹与地球赤道面的夹角）角）：升交点的赤经：升交点的赤经 ：椭圆轨道近地：椭圆轨道近地点角距点角距f f ：卫星的真近点：卫星的真近点角角( (与时间与时间T T有关有关) )，卫星与近地点之间卫星与近地点之间的地心角距。的地心角距。vKepler六个轨道根数六个轨道根数2022-6-16英文名称中文名称符号意义Inclin
7、ation of orbital plane轨道平面倾角i 决定轨道平面 的空间位置Right ascension of the ascending node升交点赤经Semi-major axis of orbital ellipse 轨道椭圆的长半径a决定轨道椭圆的大小Nunerial eccentricity of ellipse 轨道椭圆的偏心率e决定轨道椭圆的形状Argument of perigee近地点角距（幅角）决定近地点在轨道椭圆上的位置Mean anomaly 平近点角M卫星以平均角速度n0运行的角度2022-6-16概述概述摄动因素包括：地球形状摄动，日、摄动因素包括：地
8、球形状摄动，日、月引力，大气阻力摄动，光压摄动，月引力，大气阻力摄动，光压摄动，潮汐摄动等。潮汐摄动等。3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动2022-6-16大气阻力大气阻力月球引力月球引力太阳引力太阳引力地球中心地球中心引力引力太阳直接与间太阳直接与间接辐射压力接辐射压力地球非中心地球非中心引力引力2022-6-163.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历 预报星历（广播星历）预报星历（广播星历）用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。用户在观测时可以通过导
9、航电文实时得到，对导航用户在观测时可以通过导航电文实时得到，对导航和实时定位十分重要。和实时定位十分重要。但是精度较低但是精度较低通常以卫星轨道根数的方式给出，包括相对于某一通常以卫星轨道根数的方式给出，包括相对于某一参考历元的参考历元的KeplerKepler轨道参数和必要的轨道摄动改正轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数项参数2022-6-16精密星历精密星历n这种星历通常是在事后向用户提供的在用户这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。米
10、。n通常由通常由GPSGPS服务机构提供（如服务机构提供（如IGSIGS），精度高，），精度高，但是往往有一定的时间延迟，适合于但是往往有一定的时间延迟，适合于GPSGPS数数据的后处理应用据的后处理应用n通常以地球坐标系（直角坐标）的方式给出通常以地球坐标系（直角坐标）的方式给出2022-6-16v广播星历广播星历广播星历主要参数是：（AODE）星历表数据龄期轨道半径的正弦调和项改正的振幅（m）卫星平均角速度修正量。即由精密星历计算得到的平均角速度,与按给定参数计算得到的平均角速度之差（弧度）。弧度）。toe参考时刻的平近点角 纬度幅角U=（+f）余弦调和项改正的振幅（弧度）。轨道偏心率纬度
11、幅角U=（+f）正弦调和项改正的振幅（弧度）。轨道长半轴的方根星历参数的参考历元， 星历表基准时间。从星期六星期日子夜开始度量。轨道倾角的余弦调和项改正的振幅（弧度）。参考时刻的升交点赤经（oe ）与GPS周开始时格林尼治赤经GASTW之差轨道倾角的正弦调和项改正的振幅（弧度）。参考时刻的轨道倾角轨道半径的余弦调和项改正的振幅（m）近地点角距升交点赤经变率（s/rad）轨道倾角变率（s/rad）GPS用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共16个个2022-6-16 星历参数详细说明星历参数详细说明AODEtCCCCCCiiaenMoei
12、sicrsrcusuc,000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：星历参考时刻oet2022-6-16etEtEearctgtftEetMtEe)(cos)(sin1)()(sin)()(2真近点角：偏心率：轨道长半轴的平方根A0()()oeWGPSGAST：参考时刻升交点赤经与周开始时格林尼治赤经之差0oeWGAST 2022-6-16)()()()()cos1 ()()()()(000tutututrEeatrtit
13、tiitiioe：参考时刻的轨道倾角)()(0tftu角未经摄动改正的升交距：近地点角距)(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()(000000tuCtuCtituCtuCtrtuCtuCtuCCCCCCisicrsrcusucisicrsrcusuc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，从星期日子从星期日子夜零点开始夜零点开始度量的星历度量的星历参考时刻参考时刻2022-6-16 3.5 GPSGPS卫星的坐标计算卫星的坐标计算n
14、根据广播星历计算卫星位置根据广播星历计算卫星位置w计算思路计算思路n首先计算卫星在轨道平面坐标系下的位置首先计算卫星在轨道平面坐标系下的位置n然后将上述坐标分别绕然后将上述坐标分别绕X X轴旋转轴旋转- -i i角、绕角、绕Z Z轴旋转轴旋转- - k( )k( )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2022-6-16v卫星的瞬时位置卫星的瞬时位置 在轨道直角坐标系中卫星的位置0sin)1 (cos0sincos2/12EeeEaffrzyx指向近地点与地球质与地球质心重合心重合Z轴垂直于轨道平面在轨道平在轨道平面垂直面垂直x x轴构成右轴构成右手系手系0sincos000
15、uurzyx升交距角 u=+f2022-6-16 在天球坐标系中卫星的位置ctXxYR yZz )()()(313RiRRR绕绕z z顺转顺转使使x x轴轴由近地点由近地点改为升交改为升交点点绕绕x x顺转顺转i i使使z z与与Z Z重合重合绕绕z z顺转顺转使使x x与与X X重合重合天球坐标系轨道直角坐标系2022-6-16轨道平面坐标系轨道平面坐标系地心升交点xy近地点卫星近地点角距真近点角升交距角2022-6-16升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径t0 过近地点时刻e 轨道偏心率地心f 真近点角XY起始子午面 升交
16、点经度kG AST xy2022-6-16v计算过程计算过程nnnsmWGSaaGMn0231433010986005. 384)(系中定义为称为地球引力常数，在)()(0oettnMtM)(sin)()(tEetMtEetEtEearctgtf)(cos)(sin1)(2计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行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计算真近点角计算真近点角2022-6-16v求解卫星的真近点角求解卫星的真近点角f 偏近点角偏近点角E E 平近点角平近点角M MaefrEacoscosEeeEfcos1coscos2/130)()(aGM
17、nttnM卫星在轨道上运动的平均角速度由开普勒方程，如何求E(p48迭代法）?EeMEEeEMsinsin2022-6-16v计算过程（续）计算过程（续）)()(0tftu)(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()(000000tuCtuCtituCtuCtrtuCtuCtuisicrsrcusuc)(cos1 ()(0tEeatr)()()()()()()()()(000tittiititrtrtrtututuoe0)()(sin)()()(cos)()(tztutrtytutrtx计算升交距角计算升交距角计算卫星向径计算卫星向径计算摄动改
18、正项计算摄动改正项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近地点角距2022-6-16v计算过程（续）计算过程（续）)/(10292115. 7)()()(50sradttttoeeoee00( )()( )( )( )( )() ()()() ()oeWoeoeWeoeoeWeoeWoeeoeeoeeoeeoeGASTtttGAST tGASTtttGAST tttGASTtGASTtttttttt 综上所述：计算升交点经度计算升交点经度2022-6-16t时零子午面t时升交点GAST观测时升交点经度观测时升交点经度t时升交点0e0()ett toe时升交点观测时升交
19、点赤经观测时升交点赤经( )( )( )ttGAST t ( )()oeoettt 57.292115 10 (/ )( )( )erad stt设为地球自转角速度，为升交点经度，为升交点赤经2022-6-16t时的零子午面to时的零子午面GASTGAST(to)0()t t观测时观测时GAST星历中升交点赤经星历中升交点赤经toe时升交点00eto时零子午面GAST(t0)( )WeGAST tGASTt0oeWGAST 0( )WGASTGAST t其中地球的自转速度t0: 一周开始的GPS时2022-6-16 计算在地球坐标系中卫星的位置ctetZYXGASTRZYX)(3etPPPPC
20、TSZYXyxyxZYX11001瞬时地球坐标系瞬时天球坐标系春分点的格林尼治时协议地球坐标系瞬时地球坐标系考虑地极的移动R R2 2（- x- xp p）R R1 1（- y- yp p） 2022-6-16计算在地球坐标系中卫星的位置)(sin)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos)()(tiyttiytxttiytxzyxtiRtRZYXxZ2022-6-16RINEX Navigation File16 04 2 2 0 0 0.0 1.622177660470D-05-3.410605131650D-13 0.000000000000D+0016 04 2 2
21、0 0 0.0 1.622177660470D-05-3.410605131650D-13 0.000000000000D+00 2.260000000000D+02 4.093750000000D+00 4.750912180280D-09-3.065364387090D+00 2.260000000000D+02 4.093750000000D+00 4.750912180280D-09-3.065364387090D+00 2.440065145490D-07 2.088212058880D-03 6.336718797680D-06 5.153752786640D+03 2.44006
22、5145490D-07 2.088212058880D-03 6.336718797680D-06 5.153752786640D+03 8.640000000000D+04 8.009374141690D-08 8.074130675150D-01 3.725290298460D-09 8.640000000000D+04 8.009374141690D-08 8.074130675150D-01 3.725290298460D-09 9.610307917500D-01 2.563437500000D+02-1.523975627820D+00-7.997833141850D-09 9.6
23、10307917500D-01 2.563437500000D+02-1.523975627820D+00-7.997833141850D-09 2.121516941120D-10 1.000000000000D+00 1.256000000000D+03 0.000000000000D+00 2.121516941120D-10 1.000000000000D+00 1.256000000000D+03 0.000000000000D+00 2.000000000000D+00 0.000000000000D+00-9.778887033460D-09 7.380000000000D+02
24、 2.000000000000D+00 0.000000000000D+00-9.778887033460D-09 7.380000000000D+02 8.639900000000D+04 8.639900000000D+04 导航电文文件的数据记录格式说明卫星的PRN号/历元(年月日时分秒)/卫星种的偏差(s)/卫星种的漂移(s/s)/卫星种的漂移速度(s/s2)广播轨道3广播轨道1广播轨道2广播轨道4广播轨道52022-6-16 根据精密星历计算卫星位置根据精密星历计算卫星位置 精密星历的特点精密星历的特点按一定时间间隔给出卫星在地固坐标按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三
25、维速度和钟差系下的三维位置、三维速度和钟差 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：拉格朗日插值法方法：拉格朗日插值法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2022-6-16精密星历精密星历* * 2004 1 15 0 0 0.00000000 2004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 1 5945.509635 15759
26、.608404 20698.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 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
27、22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 5 -12628.924903 -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
28、.166627 635.667094P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.6704282022-6-16 1 1试述描述试述描述GPSGPS卫星正常轨道运动的开普勒三大定律。卫星正常轨道运动的开普勒三大定律。 2 2试画图并用文字说明开普勒试画图并用文字说明开普勒KeplerKepler轨道轨道6 6参数。参数。 3 3广播星历中
29、的广播星历中的 有什么意义？在卫星坐标的计算中主有什么意义？在卫星坐标的计算中主要作用是什么？要作用是什么？ 4 4简述地球人造卫星轨道运动所受到的各种摄动力。简述地球人造卫星轨道运动所受到的各种摄动力。 5 5地球引力场摄动力对卫星的轨道运动有什么影响地球引力场摄动力对卫星的轨道运动有什么影响? ? 6 6日、月引力对卫星的轨道运动有什么影响日、月引力对卫星的轨道运动有什么影响? ? 7 7简述太阳光压产生的摄动力加速度，并说明它对卫星轨简述太阳光压产生的摄动力加速度，并说明它对卫星轨道运动有何影响道运动有何影响? ? 8 8综述考虑摄动力影响的综述考虑摄动力影响的GPSGPS卫星轨道参数。
30、卫星轨道参数。 9 9试写出计算试写出计算GPSGPS卫星瞬时位置的步骤。卫星瞬时位置的步骤。0思考题思考题2022-6-16计算题计算题计算地球同步轨道卫星的轨道高度？（地球计算地球同步轨道卫星的轨道高度？（地球半径取半径取6371km6371km， GMGM取取398600km398600km3 3/s/s2 2）已知卫星轨道参数为：已知卫星轨道参数为：e=0.006784212; a=26560128.937m,e=0.006784212; a=26560128.937m,M(M(平近点角平近点角)=-0.290282rad; i=0.958512rad,)=-0.290282rad;
31、i=0.958512rad,=-2.584194rad; =-1.378360rad=-2.584194rad; =-1.378360radt=4h(GAST); GM=3986005t=4h(GAST); GM=3986005* *10108 8(m(m3 3s s-2-2) ) 求卫星在地球坐标系中的坐标求卫星在地球坐标系中的坐标? ?2022-6-164.1 GPS卫星信号卫星信号第四章、第四章、GPSGPS卫星的导航电文和卫星信号卫星的导航电文和卫星信号v有关码的基本概念有关码的基本概念 二进制数：二进制数：0,1 码：表达不同信息的二进制数及其组合码：表达不同信息的二进制数及其组合
32、码元，比特：码的度量单位，一位二进制数称码元，比特：码的度量单位，一位二进制数称1码元或码元或1比特比特 数码率，码率：二进制数字化信息的传输中，数码率，码率：二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数，单位为每秒传输的比特数，单位为BPS (bit/s)2022-6-16随机噪声码：码元幅度的取值完全无规律的码随机噪声码：码元幅度的取值完全无规律的码序列，也称随机码序列序列，也称随机码序列随机噪声码的自相关性随机噪声码的自相关性伪随机噪声码（伪随机噪声码（Pseudo Random Noise-PRN）：）：不仅具有类似随机噪声码的良好自相关特性，不仅具有类似随机噪声码的良好自相关特性，而且
33、具有确定的编码规则，周期性的且易复制而且具有确定的编码规则，周期性的且易复制( )uuuuABR tABtu012022-6-16码长：二进制数中码元的个数码长：二进制数中码元的个数周期：产生一序列周期：产生一序列PRN码的时间码的时间码元宽：产生一个码的时间或对应的距离码元宽：产生一个码的时间或对应的距离tuuNuu uTN t15tutu=2r-1r=4uN=151234可经历可经历15种种不同的状态不同的状态即所产生的即所产生的码长码长Nu=15末级输出的末级输出的二进制数二进制数为为:111100010011010C/A码码码率：码率：1.023MHz；周期：周期：1ms；1周期含码周
34、期含码元数：元数：1023；码元宽度：码元宽度：293.05m；P（Y）码）码；码率：码率：10.23MHz；周期：周期：7天；天；1周期含码周期含码元数：元数：6187104000000；码元宽度：码元宽度：29.30m；110 ; 101 ;011 ;0002022-6-16表表4-1 4-1 四级反馈移位寄存器状态序列四级反馈移位寄存器状态序列状态编号 各级状态 模二加反馈+ 末级输出的二进制数 11 1 1 1 0121 1 1 0 0131 1 0 0 0141 0 0 0 1150 0 0 1 0060 0 1 0 0070 1 0 0 1081 0 0 1 1190 0 1 1
35、00100 1 1 0 10111 1 0 1 011121 0 1 0 11130 1 0 1 10141 0 1 1 11150 1 1 1 102022-6-16P码：2组各有2个12级反馈移位寄存器构成，码长Nu=2.35X1014C/A码：2个10级反馈移位寄存器相组合产生，码长Nu=1010-1=10232022-6-16vGPS卫星信号的结构卫星信号的结构 包括载波（包括载波（Carrier）、测距码（）、测距码（Code）和）和卫星（导航）电文（卫星（导航）电文（Message） 载波：载波：L1L2 测距码：测距码：C/A码（目前只被调制在码（目前只被调制在L1上）上）P(Y
36、)码（被分别调制在码（被分别调制在L1和和L2上）上） 数据码：卫星（导航）电文数据码：卫星（导航）电文2022-6-16vGPS卫星的基准频率卫星的基准频率 f0 由卫星上的原子钟直接产生由卫星上的原子钟直接产生 频率为频率为10.23MHz 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频或分频1012020001541575.42;19.031201227.60;24.42/101.023;10.23;2046000050LLLLffMHzcmffMHzcmC AfMHzPfMHzfHz码码率码码率卫星（导航）电文码率=c/f2022-6-1620460
37、000波长：波长：24.42cm波长：波长：19.03cm2022-6-16L2 Carrier1227.6 MHzL1 Carrier1575.42 MHzClock Output10.23 MHzf0 x 120f0 x 154f0MHzf23.100基本频率控制产生三种信号分量Two Carrier Frequencies（载波频率）L1 is 154 x f0 = 1575.42 MHz, which has a wavelength of 0.19 mL2 is 120 x f0 = 1227.6 MHz, which has a wavelength of 0.24 m2022-6
38、-16v 载波载波作用作用搭载其它调制信号搭载其它调制信号测距测距测多普勒频移测多普勒频移类型类型目前目前L1 频率：频率： 154 f0 = 1575.43MHz；波长：；波长：19.03cmL2 频率：频率： 120 f0 = 1227.60MHz；波长：；波长：24.42cm现代化后现代化后增加增加L5 频率：频率：115 f0 = 1176.45MHz；波长：；波长：25.48cm2022-6-16v测距码测距码作用：测距作用：测距性质：为伪随机噪声码性质：为伪随机噪声码类型类型目前目前C/A码（码（Coarse/Acquisition Code） 粗码粗码/捕获码；捕获码；码率：码率
39、：1.023MHz；周期：；周期：1ms；1周期含码元数：周期含码元数：1023；码元宽度：码元宽度：293.05m (0. 97752s)； 仅被调制在仅被调制在L1上上P（Y）码（）码（Precision Code） 精码；精码；码率：码率：10.23MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含码元数：周期含码元数：6.191012；码元宽度：；码元宽度：29.30m(0.097752s)； 被调制在被调制在L1和和L2上上现代化后现代化后在在L2上调制上调制C/A码码在在L1和和L2增加调制增加调制M码码2个10级反馈移位寄存器相组合产生，码长Nu=1010-1=10232组各有2个12级反
40、馈移位寄存器构成，码长Nu=2.35X10142022-6-16TtP R N C odesC /A -code C oarse A cquisition C odeR epeats every m illisecondE ach S V generates a unique code1.023 M H z transm ission rateP -code P recise C odeR epeats every 267 daysE ach S V uses a 7 day segm ent10.23 M H z transm ission rateC /AP C/A码的码元宽度较大，测距误
41、差2.9米（码宽293.1米） P码的码元宽度较小，测距误差0.29米（码宽29 . 3米） 2022-6-164.2 GPS卫星导航电文卫星导航电文 卫星（导航）电文卫星（导航）电文 定义：包含有关卫星的星历、卫星工作状态、定义：包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由大气折射改正和由C/A码捕获码捕获P码等导航信息码等导航信息的数据码（的数据码（D码）码） 作用：向用户播发卫星星历、卫星钟参数、作用：向用户播发卫星星历、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息卫星状态信息及其它信息 基本结构基本结构2022
42、-6-16 按帧播发，播发速度按帧播发，播发速度50BPS 每主帧含每主帧含5个子帧个子帧, 共共25主帧主帧 每子帧每子帧10个字，每字个字，每字30bit, 每子帧每子帧300bit, 持续播发持续播发6s 主帧之间，主帧之间，1、2、3子帧每小时更新一次，子帧每小时更新一次，4，5子帧仅在卫星注子帧仅在卫星注入新的导航数据后才更新入新的导航数据后才更新2022-6-16第 1 子 帧（ 第 1 数 据 块 ）第 2 子 帧（ 第 2 数 据 块 ）第 3 子 帧（ 第 2 数 据 块 ）第 4 子 帧（ 第 3 数 据 块 ）第 5 子 帧（ 第 3 数 据 块 ）第 1 主 帧第 2
43、主 帧.第 1 子 帧.第 5 子 帧第 2 5 主 帧导 航 电 文整个导航电文的内容重复一次需要多长时间整个导航电文的内容重复一次需要多长时间?2022-6-16 导航电文的基本内容导航电文的基本内容第三数据块第二数据块第二数据块第一数据块2022-6-16 卫星（导航）电文（续）卫星（导航）电文（续） 遥测字（遥测字（TLM Telemetry Word） 每一子帧的第每一子帧的第1个字个字 用作捕获导航电文的前导用作捕获导航电文的前导 转换码（交接字）（转换码（交接字）（HOW Hand Over Word） 每一子帧的第每一子帧的第2个字个字 主要内容：捕获主要内容：捕获P码的码的Z
44、计数（从每周开始子夜零时起算的计数（从每周开始子夜零时起算的时间计数，表示下一子帧开始瞬间的时间计数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时，为实用方便时，为实用方便一般为发播的子帧数一般为发播的子帧数1子帧/6s）12346s12s18s24s604794s100799 星期六/星期日子夜星期六/星期日子夜0时GPS时Z计数0时P码字码码字码X1的周期的周期（1.5秒）的重复数。秒）的重复数。因此，当知道了因此，当知道了Z计计数，便能较快地捕获数，便能较快地捕获到到P码。码。2022-6-16 卫星（导航）电文（续）卫星（导航）电文（续） 第一数据块第一数据块 第第1子帧的第子帧的第310个字个字
45、内容：内容： WN GPS周周, 1980/01/06协调时零点起算协调时零点起算 L2所调制测距码标识符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 传输参数传输参数N URA TGD 信号在卫星内部的时延信号在卫星内部的时延 星钟数据龄期星钟数据龄期AODC 星钟改正参数星钟改正参数a0（钟偏），（钟偏），a1（钟速），（钟速），a2（钟漂）（钟漂）OCLAODCtt2012()()SVococtaa tta tt第一数据块的第一数据块的参考时刻参考时刻最近一次更新星最近一次更新星历数据的时间历数据的时间2022-6-16 卫星（导航）电文（续）卫星（导航
46、）电文（续） 第二数据块第二数据块 第第2、3子帧的第子帧的第310个字个字 内容：为发送信号卫星的星历内容：为发送信号卫星的星历 广播星广播星历历星历参数星历参数000, , , , ,ucusrcrsicisoeMn eaii CCCCCCtAODE 从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻2022-6-16 卫星（导航）电文（续）卫星（导航）电文（续） 第三数据块第三数据块 第第4、5子帧的第子帧的第310个字个字 内容：所有卫星历书（概略星历）内容：所有卫星历书（概略星历） 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2022-6-16 卫星信号的调制卫星信号的调
47、制 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”(码状态码状态)表示二进制表示二进制“0”(码值码值)，“-1”表示二进制表示二进制“1”，则，则110; 101;011; 000 111;1 11;111; 1 11 2022-6-16 二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制( )( ) cos()S tB tt 调相技术调相技术2022-6-16 卫星信号的调制卫星信号的调制 框图框图2022-6-16L1 载波C/A码P码（Y码）数据码L2 载波P码（Y码）数据码A carrier wave can be characterized by its wavelength
48、 () or frequency (f)The frequency and wavelength are related by the following expression: =c/f ; and f=c/; where c = speed of light (2.99792458x108 m/s)The higher the frequency, the shorter the wavelengthThe lower the frequency, the longer the wavelength1-1 -2 -3 - 2 3 yxy = sin x调制调制2022-6-16 卫星信号的
49、解调卫星信号的解调 复制码与卫星信号相乘复制码与卫星信号相乘（电位相乘，二进制数模二相加） : 去掉测距码去掉测距码, , 但恢复的载波含有数据码但恢复的载波含有数据码( D )( D ) 平方解调技术平方解调技术（电位平方） : 处于处于1 1状态的调制码经过平方后均为状态的调制码经过平方后均为1, 1, 恢复恢复载波中的测距码和数据码同时被去掉载波中的测距码和数据码同时被去掉2022-6-16本章思考题1名词解释：码；码元(比特)；数码率；自相关系数；信号调制；信号解调；SA技术。2试说明什么是随机噪声码?什么是伪随机噪声码?3C/A码和P码是怎样产生的?4试述C/A码和P码的特点。5试述
50、伪随机噪声码测距原理。6试述导航电文的组成格式。7名词解释：遥测字；交接字；数据龄期；时延差改正；传输参数。8简述导航电文数据块的主要内容。9什么是预报星历?什么是后处理星历?10试通过图表说明GPS信号是怎样构成的?11试写出调制后的GPS信号表达式。12绘图说明载波与测距码信号调制的原理。13试述GPS接收机的硬件和软件。14试述GPS接收机的分类。 15 接收机天线的相位中心与其几何中心的区别在哪里？2022-6-16作业作业1： GPS信号是由哪几部分组成的，信号是由哪几部分组成的，各部分有什么作用各部分有什么作用？2：什么是伪随机噪声码？：什么是伪随机噪声码？3：GPS卫星导航电文的
