1、GPS Principles and Applications 学习要求学习要求 了解码的概念，了解随机噪声码的概念及其特征，理解GPS测距码的产生原理，理解GPS导航电文及其组成，掌握GPS卫星星历的概念，理解利用GPS卫星星历进行卫星坐标计算方法，了解卫星载波信号及其组成，了解美国的GPS政策。GPS Principles and Applications GPS卫星信号是卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，定位的调制波，它包含有：它包含有：n数据码（导航电文）数据码（导航电文）n测距码测距码n载波载波 卫星时钟卫星时钟基本频率基本频率f0
2、为为10.23MHz，是产生上述三种信号，是产生上述三种信号的基础。的基础。GPS Principles and Applications 4.1 GPS卫星的测距码信号4.2 GPS卫星的导航电文4.3 GPS卫星星历4.4 GPS卫星的载波信号4.5 美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策主要内容主要内容GPS Principles and Applications n码的基本概念码码码元码元编码编码表达信息的二进制数及其组合将各种信息按某种规则表示为数码的过程码组合中的每个二进制数均称作码元，单位是bit数码率数码率数字化信息的传输速度，单位为bit/s或BPS码长码长一个周期内码元的
3、最大个数，以Nu表示。码元宽度码元宽度钟脉冲的时间间隔，以tu表示 因此一个码序列的周期为码长Nu与码元宽度tu的乘积，以Tu表示，即Tu=Nutu4.1 GPS卫星的测距码信号GPS Principles and Applications p自相关性自相关性 码序列的相关程度，用以比较码序列之间的结构，以相关函数R(t)表示，()uuuuSDR tSD码値相同码値相同的码元个数的码元个数 码値相异码値相异的码元个数的码元个数 结论结论 随机噪声码具有良好的自相关性。码元值完全无规律的码序列。非周期、无法复制n码的基本概念随机噪声码序列随机噪声码序列1两个相同的码序列对齐0其他情况4.1 GP
4、S卫星的测距码信号p概念概念特征一特征一特征二特征二GPS Principles and Applications 1()uuuuSDR tSD两个相同的码序列对齐0其他情况21ruN n码的基本概念伪随机噪声码伪随机噪声码4.1 GPS卫星的测距码信号具有随机噪声码的良好自相关性特征一特征一具有周期性，可以复制，特征二特征二伪随机噪声码由r级移位反馈寄存器产生，码长为GPS Principles and Applications n码的基本概念输出状态编号各级状态3 4末级输出 1201300.1101400011151000006010000700101081001119110000100
5、11010111011011201011113101010141101111511111110110011111100111R(t)=-1/(2r-1)0 可见，伪随机噪声码具可见，伪随机噪声码具有良好的自相关特性，并且有良好的自相关特性，并且具有周期性，可以复制。具有周期性，可以复制。以四级反馈移位寄存器为例以四级反馈移位寄存器为例1111钟脉冲置“1”脉冲1111伪随机噪声码伪随机噪声码4.1 GPS卫星的测距码信号0GPS Principles and Applications 由两个具有良好互相关特性的同族m码序列构成的哥尔德码（Gold Code）族。r级移位寄存器只能产生码长为2r
6、-1的m序列，然而实际应用中，往往需要各种不同码长序列。GPS卫星发播两种伪随机测距码：由两个码长互素的m码组成模2和复码；精密测距码精密测距码p码码粗捕获码粗捕获码C/A码码nGPS的测距码信号4.1 GPS卫星的测距码信号GPS Principles and Applications C/A码产生原理)()()(021iNtGtGtG GPS的的C/A码是由两个码是由两个10级移位寄存器产生的级移位寄存器产生的m序列序列G1和和G2，经模，经模2和产和产生的复合码。生的复合码。nGPS的测距码信号4.1 GPS卫星的测距码信号码元对应的时间，为1/1023msG1与G2间相位偏置的码元数C
7、/A码是利用两个同周期、具有良好互相关特性的同族的码是利用两个同周期、具有良好互相关特性的同族的m码序列，组成复合码序列族，称此为哥尔德码。这些码既具码序列，组成复合码序列族，称此为哥尔德码。这些码既具有良好的自相关特性，又具有优良的互相关特性。有良好的自相关特性，又具有优良的互相关特性。GPS Principles and Applications C/A码是短码，易于搜索和捕获；并可据此捕获P码。C/A码数字特征及其定位精度nGPS的测距码信号4.1 GPS卫星的测距码信号lC/A码的数字特征码长码长Nu=2r-1=1023bit码元宽度码元宽度对应长度L=ctu=293.1m周期周期Tu
8、=Nutu=1mslC/A码的精度对应的测距误差可达29.3-2.93ml结论结论C/A码精度较低，所以称其为粗码(Coarse/Acquisition Code)由于钟脉冲频率f1=1/10f0=1.023MHZ，码元宽度为tu=1/f=0.97752s，若两个序列的码元相关误差为码元宽度的1/101/100，钟脉冲的时间间隔GPS Principles and Applications)()()(21pintXtXtPP码产生原理nGPS的测距码信号4.1 GPS卫星的测距码信号 GPS的的P码是由两个码是由两个12级移位寄存器产生的级移位寄存器产生的m序列序列X1和和X2，组成的模组成的
9、模2复合码。复合码。ni为子码X2的延迟参数，规定取区间0,36的正整数。当ni取0、1、2、36时，就构成37个平移等价的P码。P码的数字特征码长码长Nu=212-1=2.351014bit码元宽度码元宽度对应长度L=ctu=29.3m周期周期Tu=Nutu=267d由于钟脉冲频率f1=f0=10.23MHZ，码元宽度为tu=1/f=0.097752s，GPS Principles and Applications P码的一周期分为38部分，每部分7天，码长约6.191012bit。(Precise Code)P码的结构nGPS的测距码信号4.1 GPS卫星的测距码信号5部分由地面监控站使用
10、，1部分闲置，其他32部分各分配给一颗卫星每颗卫星所用P码结构不同，码长和周期相同若以50码元/s的速度搜索，C/A码仅需20.5s，P码需14155天P码的捕获方法是先捕获C/A码，根据导航电文中给出的相关信息捕获P码P码的精度约为0.29-2.93ml结论结论P码精度高，称为精码，用于较精密的导航定位P码码元宽度为C/A码的1/10，引起的距离误差P码结构保密，不供民用GPS Principles and Applications C/A码和P码主要特征指标特征指标C/A码P码产生物理单元10级反馈移位寄存器12级反馈移位寄存器码长Nu=2r-11023bit2.351014bit频率f0
11、.1f0（1.023MHz）f0（10.23MHz）码宽tu=1/f0.97752s0.097752s周期=Nutu1ms267d码宽等效距离=ctu293.1m29.3m测距误差(1/10-1/100码宽)29.3-2.9m2.93-0.29m特征粗码、开放、二值精码、保密、二值GPS Principles and Applications 导航电文是以二进制码的形式按规定格式组成，以帧为导航电文是以二进制码的形式按规定格式组成，以帧为单位向外播送，又叫数据码（单位向外播送，又叫数据码（D码）码）导航电文基本单位为帧，一帧导航电文长导航电文基本单位为帧，一帧导航电文长1500bit，其传，其
12、传输速率是输速率是50bit/s，播发一帧电文的时间为，播发一帧电文的时间为30秒钟。秒钟。4.2 GPS的导航电文n概述导航电文是用户进行定位和导航的数据基础导航电文是用户进行定位和导航的数据基础意义意义概念概念基本单位基本单位GPS Principles and Applications n重复与更新周期重复与更新周期第4、5子帧共25页，750秒重复一次，卫星注入新的导航数据后内容更新。第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。一帧导航电文含5个子帧，每个子帧10个字码，每个字码30bit电文，一子帧电文的持续播发时间为6s。4.2 GPS的导航电文第1、2、3子帧与第4、
13、5子帧的每一页构成一帧电文，每25帧导航电文组成一个主帧。GPS Principles and Applications n导航电文的组成导航电文的组成遥测码遥测码：表明卫星注入数据的状态转换码：转换码：提供从C/A码转换到P码的Z记数第一数据块第一数据块:时延差改正、星期序号、卫星健康状况、数据龄、卫星时钟改正系数第二数据块：第二数据块：卫星星历，提供有关卫星位置信息。第三数据块：第三数据块：包含所有GPS卫星的历书数据，用于选星4.2 GPS的导航电文GPS Principles and Applications 载波L1、L2的电离层时延差。从1980年1月6日世界协调时（UTC）子夜零
14、点起算的GPS星期数为星期序号WN。n第一数据块第一数据块4.2 GPS的导航电文时延差改正时延差改正Tgd星期序号星期序号WNTDTIAT32.184sGPST198019s4sUTCUT119871977.1.1GPSTUTCGPST与协调时（UTC）的时刻规定于1980年1月6日相一致。卫星时钟改正卫星时钟改正时钟龄期时钟龄期AODCGPS Principles and Applications 2210)()(ococsttattaat卫星卫星钟差钟差卫星卫星钟速钟速卫星钟漂，即卫星钟漂，即钟速变化率钟速变化率第一数据块第一数据块的基准时间的基准时间GPS卫星的时钟相对于GPS时间系统
15、的偏差即为卫星时钟改正时延差改正时延差改正Tgd星期序号星期序号WN卫星时钟改正卫星时钟改正时钟龄期时钟龄期AODCn第一数据块第一数据块4.2 GPS的导航电文GPS时间系统以地面主控站的原子钟为基准基准时间给出的卫星钟改正参数精度随时间的推移而下降时钟改正数的外推时间间隔表明卫星时钟改正数的置信度AODC=toct1最近一次更新卫星钟改正参数的时间GPS Principles and Applications n第二数据块第二数据块4.2 GPS的导航电文开普勒轨道系数开普勒轨道系数轨道摄动参数轨道摄动参数时间参数时间参数（卫星星历）（卫星星历）ae i fs卫星轨道椭圆长半轴的平方根卫星
16、轨道椭圆偏心率0参考时刻t0的轨道面倾角0参考时刻t0的升交点赤经近地点角距参考时刻t0的平近点角M0GPS Principles and Applications n第二数据块第二数据块4.2 GPS的导航电文开普勒轨道系数开普勒轨道系数轨道摄动参数轨道摄动参数时间参数时间参数（卫星星历）（卫星星历）M0=n(t0-)n平均角速度改正数，即卫星运动的平均角速度与计算值之差升交点赤径变化率（弧度/秒）i卫星轨道平面倾角的变化率 Crs和Crc升交矩角的正余弦调和项改正的振幅（弧度），ssf 轨道倾角的正余弦调和项改正的振幅（弧度），Cis和Cic卫星矢径的正余弦调和项改正的振幅（米），Cus和
17、Cuc春分点春分点Msf升交点升交点S近地近地点点z=2/TGPS Principles and Applications n第二数据块第二数据块4.2 GPS的导航电文轨道摄动参数轨道摄动参数时间参数时间参数（卫星星历）（卫星星历）)2sin()2cos()2sin()2cos()2sin()2cos(kiskicikrskrcrkuskucuCCCCCC升交点角距、卫星矢径和轨道面倾角的摄动改正项p从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe；1oettp星历表的数据龄期AODE预报星历测量的最后观测时间预报星历的外推时间长度GPS Principles and Applications
18、4.2 GPS的导航电文遥测码遥测码：表明卫星注入数据的状态转换码：转换码：提供从C/A码转换到P码的Z记数第三数据块：第三数据块：包含所有GPS卫星的历书数据，用于选星第一数据块第一数据块l时延差改正时延差改正Tgdl星期序号星期序号WNl卫星时钟改正卫星时钟改正l时钟龄期时钟龄期AODCst000,Miea,ucusrcrsicisni CCCCCC第二数据块第二数据块l开普勒六参数开普勒六参数l轨道摄动九参数轨道摄动九参数l时间二参数时间二参数参考时刻toe星历表的数据龄期AODEn导航电文小结导航电文小结1oett=toct1预报星历测量的最后观测时间第一数据块的基准时间预报星历测量的
19、最后观测时间GPS Principles and Applications 4.3 GPS卫星星历nGPS卫星星历的概念卫星星历的概念描述卫星运动轨道的信息根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。nGPS卫星星历的类型卫星星历的类型p预报星历预报星历通过导航电文中的数据块直接发射给用户接收机，又称广播星历p后处理星历后处理星历由GPS系统的地面监控站通过磁带、网络、电传向用户提供，又称为精密星历。对应某一时刻的卫星轨道参数及其变化率GPS Principles and Applications 预报星历相对某一参考历元相对某一参考历元的开普勒轨道参数的开普勒轨道参数轨道摄轨道摄动改正
20、动改正项参数项参数由地面监控站由地面监控站根据大约一周根据大约一周的观测资料计的观测资料计算而得，亦称算而得，亦称参考星历参考星历任意观测历元任意观测历元的卫星星历的卫星星历限制预报限制预报星历外推星历外推时间间隔时间间隔跟踪站每天利用其跟踪站每天利用其观测资料计算卫星观测资料计算卫星轨道参数的更新值轨道参数的更新值并注入卫星，而卫并注入卫星，而卫星发射星历每小时星发射星历每小时更新一次更新一次在摄动力作用下在摄动力作用下卫星实际轨道将卫星实际轨道将偏离其参考轨道，偏离其参考轨道，并随观测历元增加并随观测历元增加消除摄消除摄动力影动力影响响4.3 GPS卫星星历n预报星历及其意义预报星历及其意
21、义GPS Principles and Applications 4.3 GPS卫星星历n精密星历及其特点精密星历及其特点 是一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，计算得到的卫星星历。可以向用户提供在用户观测时间内的卫星星历，避免了星历外推的误差。由于这种星历是在事后向用户提供的在其观测时间内的精密轨道信息，因此称为后处理星历或精密历。不是通过GPS卫星的导航电文向用户传递，而是利用磁带或通过电视、电传、卫星通讯或互联网络等方式有偿地为所需要的用户提供的服务 p精密星历概念精密星历概念p精密星历特点精密星历特点GPS Principles and App
22、lications 4.3 GPS卫星星历n卫星坐标计算卫星坐标计算0sincossssssffrssssRiRRzyx)()()(13zyxGASTRZYX)(3卫星轨道坐标确定卫星轨道坐标确定卫星天球坐标确定卫星天球坐标确定卫星地球坐标确定卫星地球坐标确定?sf真近点角计算真近点角计算卫星坐标计算卫星坐标计算GPS Principles and Applications 4.3 GPS卫星星历n卫星坐标计算卫星坐标计算p知识回顾知识回顾平平近近点点角角Mk开普勒方程Ms=E-esinEssfeefEcos1coscos偏偏近近点点角角E 真真近近点点角角fk真近点角计算真近点角计算)(0t
23、tnMkk平均角速度平均角速度归化归化观测观测时间时间平均角速度计算平均角速度计算归化观测时间归化观测时间平近点角计算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计算GPS Principles and Applications t toe oe 星历表参考历元（秒），星历表参考历元（秒），IODEIODE（AODEAODE）星历表数据龄星历表数据龄期，期，MM0 0 按参考历元按参考历元toetoe计算的平近点计算的平近点角（弧度），角（弧度），n n 由精密星历计算得到的卫星由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧
24、度），的平均角速度之差（弧度），e e 轨道第一偏心率（轨道第一偏心率（N N），），轨道长半径的平方根轨道长半径的平方根a平均角速度平均角速度302/nGM aTnnn0（1 1）计算修正平均角速度）计算修正平均角速度n nGM4aT232开普勒第三定律：开普勒第三定律：n卫星坐标计算卫星坐标计算4.3 GPS卫星星历真近点角计算真近点角计算平均角速度计算平均角速度计算归化观测时间归化观测时间平近点角计算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计算GPS Principles and Applications toetoe星历表参考历元（秒），星历表参考历元（秒），IODEI
25、ODE（AODEAODE）星历表数据龄星历表数据龄期（期（N N），），M0M0按参考历元按参考历元toetoe计算的平近点计算的平近点角（弧度），角（弧度），nn由精密星历计算得到的卫星平由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），平均角速度之差（弧度），e e轨道第一偏心率（轨道第一偏心率（N N），），轨道长半径的平方根轨道长半径的平方根a 电文中给出的电文中给出的GPSGPS卫星轨道卫星轨道参数是对应于参考历元参数是对应于参考历元t toeoe 的，的，对于某观测历元对于某观测历元t t，必须确定其，必须确定其相对于参考
26、历元的时间差值相对于参考历元的时间差值t tk koekttt（2 2）计算归化观测时间）计算归化观测时间t tk k平均角速度计算平均角速度计算归化观测时间归化观测时间平近点角计算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计算n卫星坐标计算卫星坐标计算4.3 GPS卫星星历真近点角计算真近点角计算GPS Principles and Applications t toe oe 星历表参考历元（秒），星历表参考历元（秒），IODEIODE（AODEAODE）星历表数据龄星历表数据龄期（期（N N），），MM0 0按参考历元按参考历元toetoe计算的平近点计算的平近点角（弧度），
27、角（弧度），nn由精密星历计算得到的卫星平由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），平均角速度之差（弧度），e e轨道第一偏心率（轨道第一偏心率（N N），），轨道长半径的平方根轨道长半径的平方根a（3 3）计算观测时刻的卫星平近点角）计算观测时刻的卫星平近点角 kkntMM0MZ春分点春分点0M升交点升交点S近地点近地点参考时刻参考时刻kntn卫星坐标计算卫星坐标计算真近点角计算真近点角计算4.3 GPS卫星星历平均角速度计算平均角速度计算归化观测时间归化观测时间平近点角计算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
28、近点角计算GPS Principles and Applications toetoe星历表参考历元（秒），星历表参考历元（秒），IODEIODE（AODEAODE）星历表数据龄期星历表数据龄期（N N），），MM0 0按参考历元按参考历元toetoe计算的平近点角计算的平近点角（弧度），（弧度），nn由精密星历计算得到的卫星平由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），平均角速度之差（弧度），e e轨道第一偏心率（轨道第一偏心率（N N），），轨道长半径的平方根轨道长半径的平方根a按迭代方法进行解算按迭代方法进行解算 kkkE
29、eMEsin（4 4）计算观测时刻的卫星偏近点角）计算观测时刻的卫星偏近点角 n卫星坐标计算卫星坐标计算4.3 GPS卫星星历平均角速度计算平均角速度计算归化观测时间归化观测时间平近点角计算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计算真近点角计算真近点角计算GPS Principles and Applications toetoe星历表参考历元（秒），星历表参考历元（秒），IODEIODE（AODEAODE）星历表数据龄星历表数据龄期（期（N N），），MM0 0按参考历元按参考历元toetoe计算的平近点计算的平近点角（弧度），角（弧度），nn由精密星历计算得到的卫星平由精
30、密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），平均角速度之差（弧度），e e轨道第一偏心率（轨道第一偏心率（N N），），轨道长半径的平方根轨道长半径的平方根a（5 5）计算观测时刻的卫星真近点角）计算观测时刻的卫星真近点角 )2/11(2kktgEeearctgfcoscos1coskkfeEef平均角速度计算平均角速度计算归化观测时间归化观测时间平近点角计算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计算4.3 GPS卫星星历真近点角计算真近点角计算n卫星坐标计算卫星坐标计算GPS Principles and App
31、lications 4.3 GPS卫星星历n卫星坐标计算卫星坐标计算0sincossssssffrssssRiRRzyx)()()(13zyxGASTRZYX)(3卫星轨道坐标确定卫星轨道坐标确定卫星天球坐标确定卫星天球坐标确定卫星地球坐标确定卫星地球坐标确定卫星坐标计算卫星坐标计算卫星地球卫星地球坐标确定坐标确定卫星轨道卫星轨道坐标确定坐标确定轨道摄动轨道摄动参数确定参数确定)2sin()2cos()2sin()2cos()2sin()2cos(kiskicikrskrcrkuskucuCCCCCC升交点角升交点角距确定距确定?sf真近点角计算真近点角计算GPS Principles and
32、 Applications 0 0按参考历元按参考历元toetoe计算的升计算的升交点赤径（弧度），交点赤径（弧度），i i0 0按参考历元按参考历元toetoe计算的轨道计算的轨道倾角（弧度），倾角（弧度），近地点角距（弧度），近地点角距（弧度），升交点赤径变化率（弧度升交点赤径变化率（弧度/秒），秒），轨道倾角变化率（弧度轨道倾角变化率（弧度/秒秒i（6 6）计算升交距角）计算升交距角 kkfMZ春分点春分点kf升交点升交点参考时刻参考时刻近地点近地点观测时刻观测时刻4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计算n卫星坐标计算卫星坐标计算卫星地球卫星地球坐标确定坐标确定卫星轨道卫星轨道坐标
33、确定坐标确定轨道摄动轨道摄动参数确定参数确定升交点角升交点角距确定距确定GPS Principles and Applications CucCuc升交矩角的余弦调和项升交矩角的余弦调和项改正的振幅（弧度），改正的振幅（弧度），CusCus升交矩角的正弦调和项升交矩角的正弦调和项改正的振幅（弧度），改正的振幅（弧度），CrcCrc卫星矢径的余弦调和项卫星矢径的余弦调和项改正的振幅（米），改正的振幅（米），CrsCrs卫星矢径的正弦调和项卫星矢径的正弦调和项改正的振幅（米），改正的振幅（米），CicCic轨道倾角的余弦调和项轨道倾角的余弦调和项改正的振幅（弧度），改正的振幅（弧度），CisCis
34、轨道倾角的正弦调和项轨道倾角的正弦调和项改正的振幅（弧度）改正的振幅（弧度）（7 7）计算摄动改正项）计算摄动改正项)2sin()2cos()2sin()2cos()2sin()2cos(kiskicikrskrcrkuskucuCCCCCC u u、r r、i i分别表分别表示升角距角、卫星矢径和示升角距角、卫星矢径和轨道面倾角的摄动改正轨道面倾角的摄动改正卫星地球卫星地球坐标确定坐标确定卫星轨道卫星轨道坐标确定坐标确定轨道摄动轨道摄动参数确定参数确定升交点角升交点角距确定距确定4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计算n卫星坐标计算卫星坐标计算GPS Principles and Ap
35、plications 2(1)1coskaerefcoscos1coskkfeEef1coskraeE（8 8）计算经摄动改正的升交距角、卫星矢径、轨道倾角）计算经摄动改正的升交距角、卫星矢径、轨道倾角 0 0按参考历元按参考历元toetoe计算的升计算的升交点赤径（弧度），交点赤径（弧度），i i0 0按参考历元按参考历元toetoe计算的轨道计算的轨道倾角（弧度），倾角（弧度），近地点角距（弧度），近地点角距（弧度），升交点赤径变化率（弧度升交点赤径变化率（弧度/秒），秒），轨道倾角变化率（弧度轨道倾角变化率（弧度/秒秒i开普勒第一定律ukkurkkEearcos1kiktiii04.3
36、GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计算n卫星坐标计算卫星坐标计算卫星地球卫星地球坐标确定坐标确定卫星轨道卫星轨道坐标确定坐标确定轨道摄动轨道摄动参数确定参数确定升交点角升交点角距确定距确定GPS Principles and Applications cossin0kkkkkkxyrz（9 9）计算卫星在轨道坐标系中的位置）计算卫星在轨道坐标系中的位置 yrkx升交点升交点近地点近地点k kkfxkyk4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计算n卫星坐标计算卫星坐标计算卫星地球卫星地球坐标确定坐标确定卫星轨道卫星轨道坐标确定坐标确定轨道摄动轨道摄动参数确定参数确定升交点角升交点角距确定距确
37、定 若设该轨道坐标系的x轴指向升交点，则卫星在该坐标系统中的极角为升交距角k,GPS Principles and Applications 4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计算n卫星坐标计算卫星坐标计算卫星地球卫星地球坐标确定坐标确定卫星轨道卫星轨道坐标确定坐标确定轨道摄动轨道摄动参数确定参数确定升交点角升交点角距确定距确定（1010）计算观测时刻升交点经度）计算观测时刻升交点经度 升交点升交点GXxzLkGAST 观测时刻t的升交点经度LK,为该时刻的升交点赤经 与格林泥治恒星时GAST之差，即GASTLkkoet 和GAST为观测时刻t的对应值 0e0e按参考历元按参考历元t
38、toeoe计算的升交计算的升交点赤径（弧度），点赤径（弧度），升交点赤径变化率（弧度升交点赤径变化率（弧度 /秒），秒），tGASTGASTeGPS时间原点时间原点t（t的零时刻，周六午夜的零时刻，周六午夜/周日子夜的交换时刻）的格林尼治恒星时周日子夜的交换时刻）的格林尼治恒星时地球自转的角速率，为地球自转的角速率，为7.29211510-15（rad/s）GPS Principles and Applications GASTLkkoettGASTGASTetGASTtLekoek0oeGAST 令ttLekk0oeekekttL)(0oekttt4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计
39、算n卫星坐标计算卫星坐标计算（1010）计算观测时刻升交点经度）计算观测时刻升交点经度 卫星地球卫星地球坐标确定坐标确定卫星轨道卫星轨道坐标确定坐标确定轨道摄动轨道摄动参数确定参数确定升交点角升交点角距确定距确定春分点春分点t时的时的零子午面零子午面0et0e时的时的升交点升交点GAST0准经度准经度GPS Principles and Applications kkkZYXkkkzyxkzLR（1111）计算卫星在瞬时地球坐标系的位置）计算卫星在瞬时地球坐标系的位置 ZGX升交点升交点xzLk 由轨道直角坐标系o-xyz变换到瞬时地球坐标系O-XYZ，kxiR=然后绕Z（z）轴顺转角度Lk，
40、使X轴与x轴重合。应先绕轨道x轴顺转角度ik，使Z（z）轴重合，4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计算n卫星坐标计算卫星坐标计算卫星地球卫星地球坐标确定坐标确定卫星轨道卫星轨道坐标确定坐标确定轨道摄动轨道摄动参数确定参数确定升交点角升交点角距确定距确定GPS Principles and Applications(12)(12)计算卫星在协议地球坐标系的位置计算卫星在协议地球坐标系的位置kkkkkkCTSXXYM YZZGPSGPS采用的协议地球坐标系为采用的协议地球坐标系为WGS-84WGS-84坐标系坐标系4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计算n卫星坐标计算卫星坐标计算卫星
41、地球卫星地球坐标确定坐标确定卫星轨道卫星轨道坐标确定坐标确定轨道摄动轨道摄动参数确定参数确定升交点角升交点角距确定距确定GPS Principles and Applications n载波信号及其意义载波信号及其意义4.4 GPS载波信号测距码（1.023Mbit/s）、导航电文（10.23Mbit/s）和导航电文（50Mbit/s）属于低频信号，难以传输解决办法是发射一高频信号（载波），加载测距码和导航电文（调制信号），形成调制波。GPS卫星采用L频带的两种不同频率的电磁波作为高频信号，分别称为L1载波和L2载波。GPS Principles and Applications 载波，载波，
42、便于把便于把卫星信卫星信号发送号发送到地面到地面n载波信号组成载波信号组成4.4 GPS载波信号GPS Principles and Applications GPS测距信号测距码载波C/A码P码L1L2频率f0.1f0f0154 f0120 f0码宽/波长293.1m29.3m19.03cm24.42cm测距误差29.3-2.9m2.93-0.29m1.9-0.19cm2.4-0.24cm特征粗码、开放、二值精码、保密、二值正弦波、连续正弦波、连续nGPSGPS卫星信号分量的波形特征指标汇总卫星信号分量的波形特征指标汇总4.4 GPS载波信号GPS Principles and Applic
43、ations 当载波与码状态当载波与码状态+1+1相乘时，其相位不变，而与码状态相乘时，其相位不变，而与码状态-1-1相乘时，相乘时，其相位改变其相位改变180180。所以当码值从。所以当码值从0 0变变1 1或从或从1 1变为变为0 0时，都将使载时，都将使载波相位改变波相位改变180180。n信号调制信号调制4.4 GPS载波信号l调制信号的表达形式调制信号的表达形式信号序列信号序列u 码值码值 0 1信号波形信号波形u(t)码状态码状态 +1 -1l相位跃迁相位跃迁GPS Principles and Applications 11cos()t22cos()t22()()cos()iiP
44、 tD ttL1载波C/A码电文P码L2载波振荡器+=90+()iC t()iD t()iP t11sin()t11()()sin()iiC tD tt()()iiP tDt()()iiC tD t11()()cos()iiP tD tt22()()cos()iiP tD tt1111()()cos()()()sin()iiiiP t D ttC t D tt+模二加法器信号调制器信号合成器L1调制波L2调制波n信号调制信号调制4.4 GPS载波信号GPS Principles and Applications 4.5 美国的GPS政策n原则保障美国的国家利益不受损害统一的时间基准和坐标系统为
45、战略武器与空间防御提供测绘保障海、陆、空三军的协同作战导弹与飞机制导能力统一的导航系统GPS Principles and Applications 4.5 美国的GPS政策n制定限制政策pSelective Availability技术对卫星轨道参数加干扰（低频 长周期，慢变化）对卫星基准频率加干扰（高频，短周期，快变化）pAnti-Spoofing反电子欺骗 技术GPS Principles and Applications 性能数据性能数据PPSPPSSPSSPS水平位置水平位置21m21m100m100m垂直位置垂直位置29m29m140m140m速速 度度0.2m/s0.2m/s无规定无规定时时 间间200ns200ns340ns340ns4.5 美国的GPS政策nSA技术对定位的影响降低单点位精度降低长距离相对定位的精度对高精度相对定位数据处理有影响PPS：精密定位业务SPS：标准定位业务双用途服务SA技术的影响GPS Principles and Applications 4.5 美国的GPS政策nGPS用户的反限制措施建立GPS卫星测轨系统发展本国和区域性卫星定位系统研究GPS定位方法
