《GNSS定位測量技術(shù)》 課件 子項目3、4 GPS的組成與GPS的信號、GPS定位的基本原理

GPS測量定位技術(shù)精品課程第二章GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)學習目標：

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。理解監(jiān)控系統(tǒng)的作用，投入的可用GPS衛(wèi)星狀況，用戶接收機的用途，衛(wèi)星的運動及其軌道。掌握GPS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。子項目三GPS衛(wèi)星信號及衛(wèi)星運動任務(wù)一GPS衛(wèi)星的載波信號 任務(wù)二GPS衛(wèi)星的測距碼信號任務(wù)三GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文任務(wù)四GPS衛(wèi)星的無攝運動 任務(wù)五GPS衛(wèi)星的受攝運動 任務(wù)六GPS衛(wèi)星星歷GPS系統(tǒng)包括地面監(jiān)控部分，空間衛(wèi)星部分，用戶接收部分等三大部分。

三大部分之間用數(shù)字通信技術(shù)聯(lián)絡(luò)傳達各種信號信息，靠各種計算軟件處理繁復(fù)的數(shù)據(jù)，最后由用戶接收信號來解決導(dǎo)航定位問題。

任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

任務(wù)一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。

一、空間衛(wèi)星部分

24顆衛(wèi)星(21+3)6個軌道平面

55o軌道傾角

20200km軌道高度(地面高度)12小時(恒星時)軌道周期（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）每顆衛(wèi)星有5個多小時出現(xiàn)在地平線以上

任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

一、空間衛(wèi)星部分

星座的分布保證了地球上任何地點、任何時刻至少可以同時觀測到四顆衛(wèi)星，最多時可以達到11顆。任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成一、空間衛(wèi)星部分GPS衛(wèi)星

作用：接收、存儲導(dǎo)航電文生成用于導(dǎo)航定位的信號（測距碼、載波）發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文）接受地面指令，進行相應(yīng)操作其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設(shè)備太陽能電池板原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘）信號生成與發(fā)射裝置導(dǎo)航電文存儲器GPS衛(wèi)星類型試驗衛(wèi)星：BlockⅠ工作衛(wèi)星：BlockⅡBlockⅡ：存儲星歷能力為14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲星歷能力為180天BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互跟蹤相互通訊BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS衛(wèi)星,增設(shè)第三民用頻率任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同類型的GPS衛(wèi)星任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成二、地面監(jiān)控部分（GroundSegment）組成主控站：1個注入站：3個監(jiān)測站：5個通訊與輔助系統(tǒng)二、地面監(jiān)控部分

一個主控站：科羅拉多?斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia) 卡瓦加蘭(kwajalein)五個監(jiān)測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)1.地面監(jiān)控站的分布

組成如下頁圖所示任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

12卡瓦加蘭（注入站）夏威夷科羅拉多（主控站）狄哥伽西亞（注入站）阿森松島（注入站）地面監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

作用：

a、管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作（監(jiān)測與協(xié)調(diào)

）

b、收集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星（收集數(shù)據(jù)

與數(shù)據(jù)處理）

c、監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令（控制衛(wèi)星）

d、衛(wèi)星維護與異常情況的處理。（維護衛(wèi)星）地點：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地。二、地面監(jiān)控部分2.監(jiān)控系統(tǒng)的作用

（1）主控站二、地面監(jiān)控部分2.監(jiān)控系統(tǒng)的作用

（2）監(jiān)控站監(jiān)控站偽距導(dǎo)航數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)主控站測傳送作用地點：夏威夷、主控站及三個注入站二、地面監(jiān)控部分2.監(jiān)控系統(tǒng)的作用

（3）注入站

注入站的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。

地點：阿松森群島（大西洋）迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）作用16地面監(jiān)控系統(tǒng)流程圖接收機調(diào)制解調(diào)器銫鐘氣象傳感器監(jiān)測站觀測星歷與時鐘主控站計算誤差編算注入導(dǎo)航電文調(diào)制解調(diào)器高功率放大器指令發(fā)生器數(shù)據(jù)存儲器和外部設(shè)備注入站數(shù)據(jù)處理機數(shù)據(jù)處理機L1L2S波段GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

二、地面監(jiān)控部分地面控制部分的作用監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌道運行；跟蹤計算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶；保持各顆衛(wèi)星的時間同步；必要時對衛(wèi)星進行調(diào)度。任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

用戶接收部分GPS接收機接收跟蹤GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，獲得定位信息數(shù)據(jù)處理軟件相應(yīng)的用戶設(shè)備三、用戶接收部分

GPS信號接收機天線前置放大器射電部分微處理器電源部分數(shù)據(jù)存器顯示控制器供電信號信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

射電部分：即信號通道，是接收機中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號的部件，由無線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

三、用戶接收部分

GPS接收機結(jié)構(gòu)天線單元接收單元三、用戶接收部分按用途按攜帶形式

按工作原理

按載波頻率

GPS信號接收機分類

導(dǎo)航型、測地型和授時型

碼接收機和無碼接收機

單頻接收機和雙頻接收機

袖珍式、背負式、車載式、艦用式、空（飛機）載式、彈載式和星載式任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成

任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成天線的作用接收來自衛(wèi)星的信號放大進行頻率變換對信號進行跟蹤、

處理、量測天線基本類型單極天線微帶天線四絲螺旋天線扼流圈天線三、用戶接收部分任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成天線單元單極天線—單頻或雙頻（雙極結(jié)構(gòu)）、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單微帶天線—結(jié)構(gòu)簡單、單頻或雙頻、側(cè)視角低（適合于機載應(yīng)用）、低增益、應(yīng)用最為廣泛錐形（螺旋）天線1）四絲螺旋天線—單頻、難以調(diào)整相位和極化方式、非方位對稱、增益特性好、不需要底板2）空間螺旋天線—雙頻、增益特性好、側(cè)視角高、非方位對稱扼流圈天線

—可有效地抑制多路徑誤差的影響。但體積大，重量重。三、用戶接收部分任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成GPS接收機天線應(yīng)滿足以下要求天線與前置放大器應(yīng)密封為整體，以應(yīng)對惡劣天氣，減小小信號損失；能接收天空任何方向的衛(wèi)星信號；應(yīng)有防護和屏蔽多路徑效應(yīng)的措施；保持天線相位中心高度穩(wěn)定，并與其幾何中心一致。三、用戶接收部分任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成接收單元接收（信號）通道定義：接收機中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號的部件，由無線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。存儲器微處理器輸入輸出設(shè)備電源三、用戶接收部分任務(wù)一GPS定位系統(tǒng)的組成GPS接收機分類按用途分：導(dǎo)航型接收機：精度5~10米測量性接收機：厘米級甚至更高授時型接收機：用于時間頻標的同步測定測量型接收機按載波頻率又分為：單頻接收機：只接收L1載波信號雙頻接收機：同時接收L1，L2載波信號三、用戶接收部分GPS接收機導(dǎo)航型29GPS接收機知名品牌測量型GPS美國天寶30GPS接收機知名品牌瑞士徠卡GPS接收機知名品牌日本拓普康GPS接收機國產(chǎn)品牌中海達33GPS接收機國產(chǎn)品牌南方GPS接收機國產(chǎn)品牌華測任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號用戶接收機接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號來測定測站坐標，那么究竟什么是GPS衛(wèi)星信號呢?任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號

GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號，包含載波信號、測距碼、數(shù)據(jù)碼等多種分量，它能滿足多用戶系統(tǒng)的導(dǎo)航、高精度定位的需要。

GPS信號的產(chǎn)生

GPS衛(wèi)星信號的組成部分載波L1L2測距碼C/A碼（目前只被調(diào)制在L1上）P(Y)碼（被分別調(diào)制在L1和L2上）衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文GPS衛(wèi)星信號的生成關(guān)鍵設(shè)備–原子鐘任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生基準頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻或分頻一、GPS衛(wèi)星信號的生成二、GPS衛(wèi)星信號的內(nèi)容GPS載波信號L1載波GPS的測距碼C/A碼P碼數(shù)據(jù)碼衛(wèi)星的星歷衛(wèi)星工作狀態(tài)時間系統(tǒng)衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)軌道攝動改正大氣折射改正L2載波GPS衛(wèi)星信號任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號三、GPS信號的結(jié)構(gòu)

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)同一基準頻率（圖中A點）產(chǎn)生的，其中包括載波（B點），（C點），調(diào)制在載波上的調(diào)相信號C/A碼（D點），P碼（F點）和數(shù)據(jù)碼（G點），經(jīng)衛(wèi)星發(fā)射天線（H點）發(fā)射的信號分量包括：C/A碼信號（J點），L1—P碼信號（K點）和L2—P碼信號（L點）。GPS信號的構(gòu)成

任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號作用搭載其它調(diào)制信號測距測定多普勒頻移類型目前L1–

頻率：154f0=1575.43MHz；波長：19.03cmL2–

頻率：120f0=1227.60MHz；波長：24.42cm現(xiàn)代化后增加L5–

頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm四、載波任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號特點所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關(guān)）四、載波任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號作用測距性質(zhì)為偽隨機噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1五、測距碼任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號碼表達信息的二進制數(shù)及其組合，是一組二進制的數(shù)碼序列每一個二進制數(shù)稱為一個碼元或一個比特。數(shù)碼率：每分鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)。任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號碼碼可以看作是以0和1為幅度的時間函數(shù)，用u(t)來表示?！ぁぁぁぁぁ01

111101011000100100······信號波形信號序列GPS衛(wèi)星碼信號45任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星的偽隨機測距碼(PRN)周期性二進制序列具有良好相關(guān)特性具有確定的編碼規(guī)則可人工復(fù)制任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號C/A碼碼長較短，易于捕獲；但碼元寬度較大，測距精度較低。

C/A碼的碼長：碼元寬度：一個碼元對應(yīng)的距離：293.1m

周期：數(shù)碼率：

任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號C/A碼特點易捕獲，可用于捕獲P碼，捕獲碼。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碼逐個進行搜索。因為C/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便可達到目的，易捕獲。精度低，粗碼。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。公開的明碼，全球免費使用。只調(diào)制在L1載波上，無法精確消除電離層延遲。任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號P碼P碼即精密測距碼或稱精碼。它的特征是：碼長：碼元寬度：一個碼元對應(yīng)距離：29.3m；周期：數(shù)碼率：50任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號P碼碼長較長，借助C/A碼信息捕獲。P碼的周期被分成38部分，每一部分為7d，其中5部分給地面監(jiān)測站使用，32部分分配給不同的衛(wèi)星，1個部分閑置。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。碼元寬度小，測距精度高。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的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。任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號P碼結(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，所以美國從1994年開始實施AS政策，即將P碼再加密生成Y碼，以防止電子干擾和電子欺騙。測距精度高。P碼同時調(diào)制在L1和L2載波上，可以較完善的消除電離層延遲，測距更為精確。任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號偽碼測距衛(wèi)星依據(jù)自己時鐘（鐘脈沖）發(fā)出測距碼U（t），經(jīng)過△t時的傳播到達GPS接收機。接收機在自己鐘脈沖驅(qū)動下，產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼U‘（t）。通過時延器使之延遲時間τ，對兩碼進相關(guān)比較。直至兩碼完全對齊，相關(guān)系數(shù)R（t）=max=1，則該時間延遲τ即為傳播時間△t（τ=△t）偽距：ρ=c·△t=c·τ六、GPS信號的傳播

GPS采用了信號擴頻調(diào)制，把窄帶信號擴展到一個很寬的頻帶上發(fā)射出去，以達到抗干擾、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。

任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號七、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)和捕獲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。

任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息基本結(jié)構(gòu)七、導(dǎo)航電文七、導(dǎo)航電文123451234567891030s6s0.02s0.6s25頁10個字30比特導(dǎo)航電文的基本構(gòu)成

任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號GPS測量定位技術(shù)精品課程任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號基本內(nèi)容七、導(dǎo)航電文一個子幀6s長，10個字，每字30比特1幀30s1500比特任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號遙測碼（TLM–TelemetryWord）每一子幀的第1個字主要作用是指明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)用作捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)共30bit。其中，1-8bit為同步碼，識別電文內(nèi)容的先兆，使用戶易于解調(diào)導(dǎo)航電文；9-22bit為遙測電文，包括注入數(shù)據(jù)時的狀態(tài)信息、診斷信息和其他信息，指示用戶是否選用該衛(wèi)星；23-24bit為連接作用；25-30bit為奇偶檢驗碼，用于發(fā)現(xiàn)并糾正個別錯誤，確保正確地傳送導(dǎo)航電文。七、導(dǎo)航電文任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換碼（HOW–HandOverWord）每一子幀的第2個字主要內(nèi)容：幫助用戶從獲得的C/A碼換到P碼的捕獲。其中，1-17bit為Z計數(shù)；獲得Z計數(shù)，即知道了觀測瞬間在P碼周期中所處的準確位置，可樣便可順利捕獲P碼。七、導(dǎo)航電文任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號第一數(shù)據(jù)塊第1子幀的第3~10個字內(nèi)容：WN–GPS周L1所調(diào)制測距碼標識符–

“10”表示C/A碼，“01”表示P(Y)碼傳輸參數(shù)N–URATgd–

信號在衛(wèi)星內(nèi)部的時延星鐘數(shù)據(jù)齡期AODC星鐘改正參數(shù)a0（鐘偏），a1（鐘速），a2（鐘漂）七、導(dǎo)航電文任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號第二數(shù)據(jù)塊第2、3子幀的第3~10個字內(nèi)容該發(fā)送信號衛(wèi)星的星歷－廣播星歷星歷參數(shù)

—開普勒軌道六參數(shù)

—軌道攝動九參數(shù)

—時間二參數(shù)七、導(dǎo)航電文任務(wù)二GPS衛(wèi)星信號第三數(shù)據(jù)塊第4、5子幀的第3~10個字內(nèi)容：所有衛(wèi)星歷書（概略星歷）概略星歷時鐘改正衛(wèi)星工作狀態(tài)等第三數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容每12.5分鐘重復(fù)一次七、導(dǎo)航電文GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星運動理論衛(wèi)星運動取決于所受到的各種力的作用：地球引力太陽、月球及其他天體引力大氣阻力、地球潮汐作用力等為了研究衛(wèi)星基本運動規(guī)律，將作用力分為：地球質(zhì)心引力，主要作用力攝動力，非中心引力任務(wù)三衛(wèi)星的運行及其軌道一、理想情況下的衛(wèi)星運動(無攝運動）

攝動力與中心引力相比，僅為10-3

量級。地球引力決定了衛(wèi)星運動的基本規(guī)律。所謂理想情況下的衛(wèi)星運動，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)心引力作用下而運動。

它是衛(wèi)星運動的第一近似描述研究意義它是至今唯一能得到的嚴密分析解的運動它是全部作用力下的衛(wèi)星運動更精確解的基礎(chǔ)GPS測量定位技術(shù)精品課程一、理想情況下的衛(wèi)星運動

開普勒第一定律——衛(wèi)星運行的軌道是一個橢圓，地球質(zhì)心位居橢圓的一個焦點上。

該定律表明，衛(wèi)星相對于地球質(zhì)心的運動軌道是一個橢圓，該橢圓有著固定的形狀和大小，橢圓上距離地球質(zhì)心最遠的一點稱為遠地點，距離地球質(zhì)心最近的一點稱為近地點。

衛(wèi)星運行軌道橢圓任務(wù)三衛(wèi)星的運行及其軌道

GPS測量定位技術(shù)精品課程一、理想情況下的衛(wèi)星運動

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)星沿軌道橢圓的運行速度在不斷變化，在近地點處速度最大，在遠地點處速度最小。

相等時間地心向徑掃過的面積任務(wù)三衛(wèi)星的運行及其軌道

GPS測量定位技術(shù)精品課程一、理想情況下的衛(wèi)星運動

開普勒第三定律——衛(wèi)星圍繞地球運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)學形式為：

式中——

T為衛(wèi)星運動的周期

任務(wù)三衛(wèi)星的運行及其軌道

GPS測量定位技術(shù)精品課程二、衛(wèi)星運行的軌道

待解問題軌道橢圓的形狀和大小（as,es)軌道平面與地球體的相關(guān)位置(i,Ω)軌道橢圓在軌道平面上的方位（ωs）衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置(ν（fs）)衛(wèi)星軌道參數(shù)

任務(wù)三衛(wèi)星的運行及其軌道

as：長半徑es：軌道偏心率i：軌道面的傾角Ω：升交點赤經(jīng)ωs：近地點角ν（fs）：真近點角GPS測量定位技術(shù)精品課程三、攝動力對衛(wèi)星運行軌道的影響

地球體不規(guī)則及質(zhì)量分布不均勻而引起的作用力太陽和月球的引力太陽的直接與間接輻射壓力大氣的阻力攝動力的影響地球潮汐的作用力、磁力任務(wù)三衛(wèi)星的運行及其軌道

GPS測量定位技術(shù)精品課程任務(wù)四衛(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)。

廣播星歷（預(yù)報星歷）實測星歷（精密星歷）GPS衛(wèi)星星歷GPS測量定位技術(shù)精品課程一、GPS衛(wèi)星星歷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行解碼即可獲得所需要的衛(wèi)星星歷，即廣播星歷。GPS用戶所接收到的衛(wèi)星廣播星歷中，包括15個衛(wèi)星星歷參數(shù)和2個時間參數(shù)。廣播星歷參數(shù)

任務(wù)四衛(wèi)星星歷與衛(wèi)星位置計算

GPS測量定位技術(shù)精品課程一、GPS衛(wèi)星星歷2.實測星歷

實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。

任務(wù)四衛(wèi)星星歷與衛(wèi)星位置計算

GPS測量定位技術(shù)精品課程二、衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置計算

計算真近點角Vk計算衛(wèi)星運行的平均角速度n計算歸化時間tk計算升交距角u0計算經(jīng)過攝動改正的升交距角、衛(wèi)星地心距離及軌道傾角計算衛(wèi)星的軌道平面直角坐標計算任務(wù)四衛(wèi)星星歷與衛(wèi)星位置計算

GPS測量定位技術(shù)精品課程三、衛(wèi)星在地心空間直角坐標系中的位置計算

計算觀測時刻的升交點赤經(jīng)ΩK計算衛(wèi)星在地心空間直角坐標系中的坐標

計算任務(wù)四衛(wèi)星星歷與衛(wèi)星位置計算

GPS測量定位技術(shù)精品課程任務(wù)五GPS信號的接收

GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。所以用戶需要一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備，也就是GPS信號接收機。GPS測量定位技術(shù)精品課程一、信號接收設(shè)備的組成GPS信號接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

任務(wù)五GPS信號的接收GPS測量定位技術(shù)精品課程二、天線單元

GPS信號接收機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。

任務(wù)五GPS信號的接收GPS測量定位技術(shù)精品課程三、接收單元信號通道存儲器微處理機電源相關(guān)型通道平方型通道碼相位通道接收單元任務(wù)五GPS信號的接收GPS測量定位技術(shù)精品課程本章小結(jié)接收單元衛(wèi)星在地心空間直角坐標系中的位置計算小結(jié)1.GPS定位系統(tǒng)的組成

2.衛(wèi)星的運行及其軌道

3.衛(wèi)星的星歷與衛(wèi)星位置計算

地面監(jiān)控部分空間衛(wèi)星部分用戶接收部分理想情況下的衛(wèi)星運動衛(wèi)星運行的軌道攝動力對衛(wèi)星運行軌道的影響GPS衛(wèi)星星歷GPS衛(wèi)星信號的內(nèi)容、GPS信號的結(jié)構(gòu)測距碼的產(chǎn)生、GPS信號的傳播導(dǎo)航電文信號接收設(shè)備的組成天線單元衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的計算4.GPS衛(wèi)星信號5.GPS信號的接收GPS測量定位技術(shù)精品課程思考題與習題

1.主控站的主要作用有哪幾條？2.地面監(jiān)控部分的工作程序？3.GPS工作衛(wèi)星為什么采用二萬公里高近于圓形的軌道？4.GPS衛(wèi)星的主要作用有哪三方面？5.GPS衛(wèi)星的空間布局和運行速度決定了地面觀測者具備哪些觀測條件？6.什么是時間間隙段？怎樣避開時間間隙段對測量定位的影響？7.GPS信號接收機按用途可分為哪三種？按攜帶形式可分為哪七種。8.什么是理想情況下的衛(wèi)星運動？9.廣播星歷的優(yōu)缺點？10.GPS信號接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)和作用？11.相關(guān)型通道的主要優(yōu)點有哪些？12.微帶天線的優(yōu)缺點？子項目四GPS衛(wèi)星定位原理子項目四GPS衛(wèi)星定位原理●了解GPS測速原理和定時原理?！窭斫庵鲃邮綔y距和被動式測距、偽距及測定與計算、動態(tài)定位的特點?！裾莆誈PS定位、靜態(tài)定位、動態(tài)定位、單點定位、相對定位等的基本概念和載波相位測量方法。學習目標子項目四GPS衛(wèi)星定位原理

任務(wù)一

GNSS衛(wèi)星定位原理概況

任務(wù)二

載波相位測量

任務(wù)三

偽距測量

任務(wù)四

GNSS絕對定位

任務(wù)五

GNSS相對定位

本項目小結(jié)子項目四GPS衛(wèi)星定位原理

GPS的定位實質(zhì)：把衛(wèi)星視為“動態(tài)”的控制點，在已知其瞬時坐標的條件下，進行空間距離后方交會，確定用戶接收機天線所處的位置。

子項目四GPS衛(wèi)星定位原理需解決的兩個關(guān)鍵問題如何確定衛(wèi)星的位置如何測量出星站距離？GPS定位方法分類定位模式（1）絕對定位（單點定位）（2）相對定位（3）差分定位定位時接收機天線的運動狀態(tài)（1）靜態(tài)定位－天線相對于地固坐標系靜止（2）動態(tài)定位－天線相對于地固坐標系運動獲得定位結(jié)果的時效（1）事后定位（2）實時定位觀測值類型（1）測碼偽距測量（2）載波相位測量

GPS定位方法分類按參考點的不同位置劃分為：（1）絕對定位（單點定位）：在地球協(xié)議坐標系中，確定觀測站相對地球質(zhì)心的位置。（2）相對定位：在地球協(xié)議坐標系中，確定觀測站與地面某一參考點之間的相對位置。采用兩臺以上的接收機同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定接收機天線間的相互位置關(guān)系的一種方法。GPS定位方法分類相對定位（差分定位）優(yōu)點：獲得較高的精度缺點：增加了外業(yè)組織和實施難度按用戶接收機作業(yè)時所處的狀態(tài)劃分：（1）靜態(tài)定位：在定位過程中，接收機位置靜止不動，是固定的。靜止狀態(tài)只是相對的，在衛(wèi)星大地測量中的靜止狀態(tài)通常是指待定點的位置相對其周圍點位沒有發(fā)生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測期內(nèi)可以忽略。（2）動態(tài)定位：在定位過程中，接收機天線處于運動狀態(tài)。在絕對定位和相對定位中，又都包含靜態(tài)和動態(tài)兩種形式。GPS定位方法分類GPS定位方法分類靜態(tài)定位與動態(tài)定位的不同點靜態(tài)定位可靠性強，定位精度高，在大地測量、工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用，是精密定位中的基本模式。動態(tài)定位可測定一個動點的實時位置、運動載體的狀態(tài)參數(shù)。如速度、時間和方位等。GPS定位方法分類主動式測距（雙程測距）用電磁波測距儀發(fā)射測距信號，通過反射器反射回來，再由測距儀接收。根據(jù)測距信號的傳播時間求解距離ρ。只要求儀器鐘自身能在信號往、返時間段中保持穩(wěn)定，不影響測距精度。GPS定位方法分類主動式測距的優(yōu)點主動式測距的缺點用戶須發(fā)射信號，因而難以隱蔽自己。對軍事用戶十分不利。GPS定位方法分類被動式測距（單程測距）發(fā)射站在規(guī)定時刻內(nèi)準確發(fā)出信號，用戶根據(jù)自己的時鐘記錄信號到達時間，根據(jù)時差Δt求解距離ρ。GPS定位方法分類用戶無需發(fā)射信號，便于隱蔽自己；所需裝置也較簡單，僅接收設(shè)備即可。被動式測距的優(yōu)點被動式測距的缺點接收機鐘和各衛(wèi)星鐘不能與GPS時間系統(tǒng)保持絕對同步，由此所引起的鐘差對測距帶來了影響。GPS觀測量的基本概念無論采取何種GPS定位方法，都是通過觀測GPS衛(wèi)星而獲得某種觀測量來實現(xiàn)的。GPS衛(wèi)星信號含有多種定位信息，根據(jù)不同的要求，可以從中獲得不同的觀測量，主要包括：

（一）衛(wèi)星射電干涉測量（二）多普勒定位法（三）測距碼偽距定位法（四）載波相位測量（一）衛(wèi)星射電干涉測量

利用GPS衛(wèi)星射電信號，由兩個測站同時觀測一顆GPS衛(wèi)星，通過測量這顆衛(wèi)星的射電信號到達兩個測站的時間差，可以求得兩站間距離。干涉法測量時，所需設(shè)備較昂貴，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。（二）多普勒定位法

根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，利用GPS衛(wèi)星較高的發(fā)射頻率，由積分多普勒記數(shù)得出偽距差。采用積分多普勒計數(shù)法進行定位時，所需觀測時間較長，一般數(shù)小時，同時觀測過程中，要求接收機的震蕩器保持高度穩(wěn)定。（三）測距碼偽距定位法

在某一瞬間利用GPS接收機同時測定至少四顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的衛(wèi)星位置和偽距觀測值，采用距離交會法求出接收機的三維坐標和時鐘改正數(shù)。基本原理測距碼偽距定位法的優(yōu)點一次定位的精度并不高，但定位速度快，經(jīng)幾小時的定位也可達到米級。若再增加觀測時間，精度還可以提高。（三）測距碼偽距定位法（四）載波相位測量

把載波作為量測信號，對載波進行相位測量可以達到很高的精度。通過測量載波的相位而求得接收機到GPS衛(wèi)星的距離。

任務(wù)二

測距碼偽距測量導(dǎo)航定位的最基本方法優(yōu)越性速度快、無多值性問題，利用增加觀測時間可以提高定位精度雖然測量定位精度低，但足以滿足部分用戶的需要。

任務(wù)二

測距碼偽距測量一、測定偽距的方法二、偽距法定位的原理三、偽距定位法的應(yīng)用

一、測定偽距的方法將測距碼和數(shù)據(jù)碼調(diào)制到載波上由衛(wèi)星發(fā)射機將調(diào)制信號發(fā)出接收機收到測距碼接收機產(chǎn)生復(fù)制碼測距碼和復(fù)制碼作相關(guān)處理一、測定偽距的方法

由時延器測定出兩信號間的時間延遲。

在理想的情況下，時間延遲τ等于衛(wèi)星信號的傳播時間。將τ乘以光速c，就可以求得衛(wèi)星至接收機的距離ρ。一、測定偽距的方法衛(wèi)星鐘和接收機鐘不完全同步自相關(guān)系數(shù)最大條件下求得的時延τ和真空中光速c的乘積含有誤差，這個乘積就稱為偽距以偽距作基本觀測量定位的方法偽距法定位二、偽距法定位的原理電離層折射延遲改正接收機鐘的改正數(shù)衛(wèi)星鐘的改正數(shù)信號離開衛(wèi)星的時刻（由衛(wèi)星鐘測定）信號到達接收機的時刻（由接收機鐘測定）二、偽距法定位的原理將觀測時得到的偽距改正為衛(wèi)星至接收機之間的實際距離ρ。

—偽距—電離層折射改正—對流層折射改正—衛(wèi)星的鐘差—接收機的鐘差二、偽距法定位的原理列出實際距離與衛(wèi)星坐標和接收機坐標的關(guān)系（x、y、z）（X、Y、Z）—衛(wèi)星坐標—接收機坐標四、測距碼偽距法定位的應(yīng)用

利用測距碼進行測距的優(yōu)點采用的是CDMA（碼分多址）技術(shù)（即每顆衛(wèi)星都采用特定的偽隨機噪聲碼）易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號便于對系統(tǒng)進行控制和管理（如AS）利用測距碼進行測距的缺點精度低第三節(jié)載波相位測量

偽距以測距碼作為量測信號，因測距碼的波長較長，難以達到較高的精度。而載波相位測量不使用測距碼信號，不受測距碼控制，屬于非測距碼測量系統(tǒng)。

載波信號是一種周期性的正弦信號，相位測量只能測定起不足一個波長的小數(shù)部分，無法測定起正波長個數(shù)。因而存在著整周數(shù)的不確定性問題，使得解算過程復(fù)雜化。我們接收到的GPS信號是調(diào)制波，即在載波上搭載著測距碼及導(dǎo)航電文，使得接收到的載波的相位不再連續(xù)，所以在使用載波信號測量之前必須先要進行重建載波的工作第三節(jié)載波相位測量重建載波--將非連續(xù)的載波信號恢復(fù)成連續(xù)的載波信號。載波調(diào)制了導(dǎo)航電文之后變成了非連續(xù)的波重建載波的方法碼相關(guān)法方法將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）與接收機產(chǎn)生的復(fù)制碼相乘。技術(shù)要點衛(wèi)星信號（弱）與接收機信號（強）相乘。特點限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。優(yōu)點：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波長的載波，信號質(zhì)量好（信噪比高）平方法方法將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）自乘。技術(shù)要點衛(wèi)星信號（弱）自乘。特點優(yōu)點：無需了解碼的結(jié)構(gòu)缺點：無法獲得導(dǎo)航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信號質(zhì)量較差（信噪比低，降低了30dB）互相關(guān)（交叉相關(guān)）方法在不同頻率的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）進行相關(guān)處理，獲取兩個頻率間的偽距差和相位差技術(shù)要點不同頻率的衛(wèi)星信號（弱）進行相關(guān)。特點優(yōu)點：無需了解Y碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了27dB）Z跟蹤方法：將衛(wèi)星信號在一個W碼碼元內(nèi)與接收機復(fù)制出的P碼進行相關(guān)處理。在一個W碼碼元內(nèi)進行衛(wèi)星信號（弱）與復(fù)制信號（強）進行相關(guān)。特點優(yōu)點：無需了解Y碼結(jié)構(gòu)，可測定雙頻偽距觀測值，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了14dB）第三節(jié)載波相位測量一、載波相位測量原理二、載波相位測量觀測方程三、載波相位測量的特點一、載波相位測量原理將測距碼和數(shù)據(jù)碼調(diào)制到載波上由衛(wèi)星發(fā)射機將調(diào)制信號發(fā)出接收機解調(diào)出純凈的載波信號接收機產(chǎn)生基準信號載波信號和基準信號求相位差若在t0時刻接收機產(chǎn)生的基準信號的相位是，接收機接收到的載波信號的相位是，若能測定出二者相位之差，則由載波波長λ就可以求出該瞬間從衛(wèi)星至接收機的距離：

一、載波相位測量原理二、載波相位測量觀測方程觀測值整周計數(shù)整周未知數(shù)（整周模糊度）整周未知數(shù)

（整周模糊度Ambiguity）只與開機時間有關(guān)，與衛(wèi)星有關(guān)，開機后，對同一顆衛(wèi)星而言，整周未知數(shù)不變整周未知數(shù)確定整周未知數(shù)N0是載波相位測量的一項重要工作，常用的方法有下列幾種：1、偽距法2、經(jīng)典方法－將整周未知數(shù)作為待定參數(shù)求解3、多普勒法（三差法）4、快速確定整周未知數(shù)法整周未知數(shù)1、偽距法偽距法是在進行載波相位測量的同時又進行了偽距測量，將偽距觀測值減去載波相位測量的實際觀測值（化為以距離為單位）后即可得到λ×N0。但由于偽距測量的精度較低，所以要有較多的觀測值取平均值后才能獲得正確的整波段數(shù)。整周未知數(shù)2、經(jīng)典方法把整周未知數(shù)當作平差計算中的待定參數(shù)來加以估計和確定。分兩種方法：（1）整數(shù)解由于誤差影響，解得得整周未知數(shù)往往不是一個整數(shù)，然后將其固定為整數(shù)，并重新進行平差計算。也稱為固定解（fixedsolution）（2）實數(shù)解當誤差消除得不夠完全時，整周未知數(shù)無法估計很準確，此時直接將實數(shù)解作為最后解。也稱為浮點解（floatingsolution）整周未知數(shù)3、多普勒法（三差法）由于連續(xù)跟蹤的所有載波相位測量觀測值中均含有相同的整周未知數(shù)，所以將相鄰兩個觀測歷元的載波相位相減，就將該未知數(shù)消去，從而直接接觸坐標參數(shù)，這就是多普勒法。由于三差法可以消除許多誤差，所以使用較廣泛。整周未知數(shù)4、快速確定整周位置數(shù)法1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度（即整周未知數(shù)）解算法進行快速定位的方法。采用這種方法進行短基線定位時，利用雙頻接收機只需觀測一分鐘便能成功的確定整周未知數(shù)。整周跳變（周跳–CycleSlips）在某一特定時刻的載波相位觀測值為如果在觀測過程接收機保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤，則整周模糊度將保持不變，整周計數(shù)也將保持連續(xù)，但當由于某種原因使接收機無法保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤時，在衛(wèi)星信號重新被鎖定后，就不會與前面的值保持連續(xù)，這一現(xiàn)象稱為整周跳變。周跳T

產(chǎn)生周跳的原因主要原因就是信號失鎖信號被遮擋，導(dǎo)致衛(wèi)星信號無法被跟蹤儀器故障，導(dǎo)致差頻信號無法產(chǎn)生衛(wèi)星信號信噪比過低，導(dǎo)致整周計數(shù)錯誤接收機在高速動態(tài)的環(huán)境下進行觀測，導(dǎo)致接收機無法正確跟蹤衛(wèi)星信號衛(wèi)星瞬時故障，無法產(chǎn)生信號周跳的特點只影響整周計數(shù)

－周跳為波長的整數(shù)倍將影響從周跳發(fā)生時刻（歷元）之后的所有觀測值周跳T

因周跳而丟失的周數(shù)將使周跳發(fā)生后的所有相位觀測值都含有這個周數(shù)的偏差解決周跳問題的方法探測與修復(fù)設(shè)法找出周跳發(fā)生的時間和大小常用的方法有下列幾種方法：1、屏幕掃描法（也就是手工編輯）2、多項式擬合法3、衛(wèi)星間求差法4、根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復(fù)整周跳變參數(shù)法將周跳標記出來，引入周跳參數(shù)，進行解算三、載波相位測量的特點優(yōu)點精度高，測距精度可達0.1mm量級難點整周未知數(shù)問題整周跳變問題任務(wù)四絕對定位原理定義單獨利用一臺接收機確定待定點在地固坐標系中絕對位置的方法，又叫做單點定位定位結(jié)果

－與所用星歷同屬一坐標系的絕對坐標采用廣播星歷時屬WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星歷時為ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrames（國際地球參考框架）特點優(yōu)點：一臺接收機單獨定位，觀測簡單，可瞬時定位缺點：精度主要受系統(tǒng)性偏差的影響，定位精度低應(yīng)用領(lǐng)域低精度導(dǎo)航、資源普查、軍事、...單點定位的誤差源及應(yīng)對方法衛(wèi)星星歷精密星歷衛(wèi)星鐘差精密鐘差、地面跟蹤電離層延遲雙頻改正對流層延遲模型改正精密單點定位PPP–PrecisePointPositioning特點主要觀測值為載波相位采用精密的衛(wèi)星軌道和鐘數(shù)據(jù)采用復(fù)雜的模型定位精度亞分米級用途全球高精度測量衛(wèi)星定軌定位精度評價——精度衰減因子DOP值DOP（DilutionOfPrecision）值DOP值與定位精度DOP值的性質(zhì)DOP值與單點定位時，所觀測衛(wèi)星的數(shù)量與分布有關(guān)，它所表示的是定位的幾何條件DOP值恒大于1，最高精度為1.DOP值越小，定位的幾何條件越好定位精度評價——精度衰減因子DOP值在實踐中，根據(jù)不同要求，可選用不同的精度評價模型和相應(yīng)的精度因子，通常有：※平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)※高程精度因子VDOP(VerticalDOP)※空間位置精度因子PDOP(PositionDOP)※接收機鐘差精度因子TDOP(TimeDOP)※幾何精度因子GDOP(GeometricDOP)，描述空間位置誤差和時間誤差綜合影響的精度因子任務(wù)五GPS相對定位定義

確定進行同步觀測的接收機之間相對位置的定位方法，稱為相對定位。定位結(jié)果與所用星歷同屬一坐標系的基線向量（坐標差）及其精度信息采用廣播星歷時屬WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星歷時為ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrame基線向量中含有：2個方位基準（一個水平方法，一個垂直方位）和1個尺度基準，不含有位置基準優(yōu)點：定位精度高缺點：多臺接收共同作業(yè)，作業(yè)復(fù)雜；數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；不能直接獲取絕對坐標應(yīng)用高精度測量定位及導(dǎo)航

相對定位也分靜態(tài)定位和動態(tài)定位。安置在基線端點的接收機固定不動，通過連續(xù)觀測，取得充分的多余觀測數(shù)據(jù)，改善定位精度。靜態(tài)相對定位一般均采用載波相位觀測值（或測相偽距）為基本觀測量。靜態(tài)相對定位T1T2S1S2S3S4在兩個觀測站或多個觀測站同步觀測相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等對觀測量的影響具有一定的相關(guān)性，利用這些觀測量的不同組合（求差）進行相對定位，可有效地消除或減弱相關(guān)誤差地影響，從而提高相對定位的精度。靜態(tài)相對定位觀測量的線性組合GPS相對定位是通過觀測量的不同組合求差得到的差分觀測值的定義將相同頻率的GPS載波相位觀測值依據(jù)某種方式求差所獲得的新的組合觀測值（虛擬觀測值）差分觀測值的特點可以消去某些不重要的參數(shù)，或?qū)⒛承Υ_定待定參數(shù)有較大負面影響的因素消去或消弱其