1、1主要內容主要內容5.1 5.1 概述概述5.2 GPS5.2 GPS衛星導航系統衛星導航系統5.3 GPS5.3 GPS衛星導航定位原理衛星導航定位原理5.4 GPS5.4 GPS衛星導航儀衛星導航儀5.5 5.5 差分差分GPSGPS衛星導航系統衛星導航系統25.1 5.1 概述概述.1 .1 衛星導航系統（衛星導航系統（Satellite Navigation SystemSatellite Navigation System）19571957年年1010月月4 4日原蘇聯發射了世界上第一顆人造地球衛星。日原蘇聯發射了世界上第一顆人造地球衛星。（1 1）NNSSNNSS衛星導航系統衛星導

2、航系統 海軍導航衛星系統（海軍導航衛星系統（Navy Navigation Satellite Navy Navigation Satellite SystemSystem）, , 用于美國北極星導彈潛艇導航。用于美國北極星導彈潛艇導航。19581958年年1212月月 開始研制開始研制19591959年年發射第一顆試驗性衛星發射第一顆試驗性衛星19601960年年4 4月月 發射第一顆導航衛星發射第一顆導航衛星19641964年年 建成并投入使用建成并投入使用19671967年年 民用民用19971997年末年末 終止運作終止運作3組成：組成：衛星衛星6 6顆；顆；軌道：軌道：1100km1

3、100km，傾角，傾角9090，6 6顆衛星分布在顆衛星分布在3 3個軌個軌 道平面內；運行周期道平面內；運行周期106min106min；NNSSNNSS衛星導航系統衛星導航系統4.1 .1 衛星導航系統衛星導航系統（1 1）NNSSNNSS衛星導航系統衛星導航系統 運行規律：運行規律：每顆衛星通過地球上任一點上空約每顆衛星通過地球上任一點上空約4 4次，次，6 6顆衛星通過地球上任一點上空約顆衛星通過地球上任一點上空約2424次；赤道上次；赤道上觀測衛星的最長時間為觀測衛星的最長時間為18min18min，緯度越高，觀測衛星，緯度越高，觀測衛星次數越多，可以實現全球、全天候二維定位。次數越

4、多，可以實現全球、全天候二維定位。 缺點：缺點：定位時間長、不連續，不能三維定位。定位時間長、不連續，不能三維定位。發射頻率：發射頻率：399.968MHz399.968MHz和和149.988MHz149.988MHz；定位精度：定位精度：0.10.10.3nmile0.3nmile；隨著隨著GPSGPS衛星導航系統的投入運行，衛星導航系統的投入運行，19971997年年NNSSNNSS關閉。關閉。5.1 .1 衛星導航系統衛星導航系統（2 2）GPSGPS衛星導航系統衛星導航系統 運行規律：運行規律：全球任何地方，在地平線全球任何地方，在地平線7.57.5以上以上至少可以看到至少可以看到4

5、 4顆衛星。能提供全球、全天候、高精顆衛星。能提供全球、全天候、高精度、連續、實時的三維定位與導航。度、連續、實時的三維定位與導航。 導航星全球定位系統（導航星全球定位系統（Navistar Global Positioning Navistar Global Positioning SystemSystem）于）于19731973年開始研制，年開始研制，19951995年年1010越投入全部運作，歷越投入全部運作，歷時時2222年。年。發射頻率：發射頻率：1575.42MHz1575.42MHz和和1227.60MHz1227.60MHz；定位精度：定位精度：1m 1m 30m 30m 10

6、0m100m；組成：組成：工作衛星工作衛星2121顆，備用衛星顆，備用衛星3 3顆，共顆，共2424顆；顆；軌道：軌道：20183km20183km，傾角，傾角5555，2424顆衛星分布在顆衛星分布在6 6個軌個軌 道平面內；運行周期道平面內；運行周期717.98min717.98min（12h12h）；）；6GPSGPS衛星系統組成衛星系統組成 NAVSTAR NAVSTAR全球全球定位系統（定位系統（GPSGPS）是一個空基全天侯是一個空基全天侯導航系統，它由美導航系統，它由美國國防部開發，用國國防部開發，用以滿足軍方在地面以滿足軍方在地面或近地空間內獲取或近地空間內獲取在一個通用參照系

7、在一個通用參照系中的位置、速度和中的位置、速度和時間信息的要求。時間信息的要求。7.1 .1 衛星導航系統衛星導航系統（3 3）GLONASSGLONASS衛星導航系統衛星導航系統 運行規律：運行規律：能提供全球、全天候、高精度、連續、能提供全球、全天候、高精度、連續、實時的三維定位與導航。實時的三維定位與導航。 原蘇聯于原蘇聯于19781978年研制年研制GLONASSGLONASS（GLObal Navigation GLObal Navigation Satellite SystemSatellite System）系統，于）系統，于19951995年完成計劃，是年完成計劃，是GPSGP

8、S的等的等同系統。同系統。發射頻率：發射頻率： 1602.56251602.56251615.5MHz1615.5MHz 1246.43751246.43751256.5MHz1256.5MHz；定位精度：定位精度：水平誤差水平誤差16m16m，垂直誤差，垂直誤差25m25m；組成：組成：工作衛星工作衛星2424顆，備用衛星顆，備用衛星1 1顆，共顆，共2525顆；顆；軌道：軌道：19100km19100km，傾角，傾角6464，2525顆衛星分布在顆衛星分布在3 3個軌個軌 道平面內；運行周期道平面內；運行周期11h15min11h15min；8項目項目GPSGPS系統系統GLONASSGL

9、ONASS系統系統星座衛星數星座衛星數24242424軌道面個數軌道面個數6 63 3軌道高度軌道高度2018320183公里公里1910019100公里公里運行周期運行周期1111小時小時5858分分1111小時小時1515分分軌道傾角軌道傾角5555度度6565度度載波頻率載波頻率L1:1575.42MHzL1:1575.42MHzL1:1602.56-1615.50MHzL1:1602.56-1615.50MHzL2:1227.60MHzL2:1227.60MHzL2:1246.44-1256.50MHzL2:1246.44-1256.50MHz傳輸方式傳輸方式碼分多址碼分多址頻分多址頻

10、分多址調制碼調制碼C/A-C/A-碼和碼和P-P-碼碼S S碼和碼和P P碼碼時間系統時間系統UTCUTCUTCUTC坐標系統坐標系統WGS-84WGS-84SGS-E90SGS-E90SASA20002000年年5 5月月1 1日取消日取消無無ASAS有有無無GPSGPS與與GLONASSGLONASS衛星導航系統的比較衛星導航系統的比較9.1 .1 衛星導航系統衛星導航系統（4 4）GNSSGNSS衛星導航系統衛星導航系統 19921992年年5 5月國際民航組織（月國際民航組織（ICAOICAO）決定建立一個全球）決定建立一個全球性的位置和時間測定系統。到性的位置和時間測定系統。到200

11、02000年將年將GPSGPS、GLONASSGLONASS、INMARSATINMARSAT、GAITGAIT及及RAIMRAIM組合成一個混合衛星導航系統。組合成一個混合衛星導航系統。GAITGAIT為地面增強和完好性監視系統，為地面增強和完好性監視系統，RAIMRAIM為機載獨立完為機載獨立完善監控系統。善監控系統。組成：組成：3030顆中高度衛星，顆中高度衛星，6 68 8顆靜止衛星；顆靜止衛星；軌道：軌道：8 8個個1 11.51.5萬公里的圓形軌道和萬公里的圓形軌道和1 1個橢圓軌道個橢圓軌道 平面內；運行周期平面內；運行周期11h15min11h15min； GNSS GNSS不

12、僅能提供不僅能提供GPSGPS、GLONASSGLONASS類似的定位導航功類似的定位導航功能，還具有全球衛星移動通信的功能，打破超級大國能，還具有全球衛星移動通信的功能，打破超級大國獨霸衛星導航的局面，有利于實現衛星導航系統所有獨霸衛星導航的局面，有利于實現衛星導航系統所有權、控制權的國際化。權、控制權的國際化。10.1 .1 衛星導航系統衛星導航系統（5 5）中國）中國“北斗北斗”衛星導航系統衛星導航系統 “北斗北斗”導航衛星系統是一種全天侯、全天時提供導航衛星系統是一種全天侯、全天時提供衛星導航信息的區域性導航系統，通過雙星定位方式衛星導航信息的區域性導航系統，通過雙星定位方式工作。用兩

13、顆衛星組建導航系統是我國著名科學家陳工作。用兩顆衛星組建導航系統是我國著名科學家陳芳允院士與美國吉奧星公司同時提出的，而中國首先芳允院士與美國吉奧星公司同時提出的，而中國首先實現了雙星的區域性導航定位。實現了雙星的區域性導航定位。 組成：組成：2 2顆工作衛星（地球靜止衛星）顆工作衛星（地球靜止衛星） 1 1顆備用衛星；顆備用衛星；軌道：地球同步軌道軌道：地球同步軌道 2003 2003年年5 5月月2525日發射的日發射的“北斗北斗-3-3”導航衛星，作為導航衛星，作為備份星服役。第三顆備份星服役。第三顆“北斗北斗” 衛星與前兩顆衛星與前兩顆“北斗北斗”工作衛星組成了完整的具有中國特色的衛星

14、導航定位工作衛星組成了完整的具有中國特色的衛星導航定位系統，它們將在太空運行系統，它們將在太空運行8 8年。年。 11.1 .1 衛星導航系統衛星導航系統（6 6）“伽利略伽利略”衛星導航系統衛星導航系統 歐盟為了減少對美國歐盟為了減少對美國GPSGPS系統的依賴，同時也為了占據系統的依賴，同時也為了占據未來的衛星導航定位市場，決定發展全球衛星定位系統。經未來的衛星導航定位市場，決定發展全球衛星定位系統。經過長達過長達3 3年的論證，年的論證，20022002年年3 3月，歐盟月，歐盟1515國交通部長會議一致國交通部長會議一致決定，啟動決定，啟動“伽利略伽利略”導航衛星計劃。導航衛星計劃。

15、“伽利略伽利略”系統與系統與GPSGPS類似，可以向全球任何地點提供類似，可以向全球任何地點提供精確定位信號。由于該系統主要針對民用市場，因此在設計精確定位信號。由于該系統主要針對民用市場，因此在設計之初，把為民用領域提供高精度的定位放在了首要位置。之初，把為民用領域提供高精度的定位放在了首要位置。 定位精度：定位精度：米級；米級；組成：組成：工作衛星工作衛星2727顆，備用衛星顆，備用衛星3 3顆，共顆，共3030顆；顆；軌道：軌道：23616km23616km，傾角，傾角5656，3030顆衛星分布在顆衛星分布在3 3個軌個軌 道平面內；運行周期道平面內；運行周期14h14h；每個軌道有；

16、每個軌道有1 1顆備顆備 用衛星。用衛星。12伽利略系統體系結構伽利略系統體系結構13伽利略計劃的組織實施伽利略計劃的組織實施145.1 5.1 概述概述.2 .2 衛星導航系統的特點與分類衛星導航系統的特點與分類（1 1）衛星導航系統的特點）衛星導航系統的特點不受地理、氣象、時間等條件的限制，可不受地理、氣象、時間等條件的限制，可全天候導航全天候導航；少數衛星即可少數衛星即可覆蓋全球覆蓋全球；衛星數目多，可優化選擇，提高衛星數目多，可優化選擇，提高定位精度定位精度；可隨時顯示船舶的經度、緯度和其他數據，可隨時顯示船舶的經度、緯度和其他數據，使用方便使用方便；全方位導航全方位導航：地面、水面、

17、水下以及近地、外層空間；：地面、水面、水下以及近地、外層空間；衛星發射功率小、抗干擾性好、保密性強；衛星發射功率小、抗干擾性好、保密性強；衛星軌道有漂移，需增加擾動補償系統；衛星軌道有漂移，需增加擾動補償系統；地面工程龐大、設備昂貴；地面工程龐大、設備昂貴；衛星壽命短衛星壽命短；衛星導航系統容易受到少數國家的衛星導航系統容易受到少數國家的壟斷和控制壟斷和控制。155.1 5.1 概述概述.2 .2 衛星導航系統的特點與分類衛星導航系統的特點與分類（2 2）衛星導航系統的分類）衛星導航系統的分類 按照測量的導航定位參量：測角、按照測量的導航定位參量：測角、測距、測速測距、測速系統；系統； 按照工

18、作方式：按照工作方式： 無源系統無源系統：用戶只能接收而不發射無線電信號，對接：用戶只能接收而不發射無線電信號，對接收到的信號進行處理后用以導航和定位；收到的信號進行處理后用以導航和定位； 有源系統：用戶可以接收和轉發信號。有源系統：用戶可以接收和轉發信號。 按照衛星運行的軌道高低：按照衛星運行的軌道高低： 低軌道：低軌道：9009002700km2700km； 中軌道：中軌道：130001300020000km20000km； 同步軌道同步軌道：200002000048000km48000km；16.2 .2 衛星導航系統的特點與分類衛星導航系統的特點與分類（2 2）衛星導航系統的分類）衛星

19、導航系統的分類 同步軌道同步軌道：衛星圍繞地球公轉的速度（或周期）與地：衛星圍繞地球公轉的速度（或周期）與地球自轉的速度（或周期）同步的軌道；球自轉的速度（或周期）同步的軌道； 靜止衛星靜止衛星：同步軌道和地球赤道面重合時，軌道上的：同步軌道和地球赤道面重合時，軌道上的衛星相對于地球是不動的，運轉周期衛星相對于地球是不動的，運轉周期23h56min4.091s23h56min4.091s。 同步衛星高度同步衛星高度：35786.04km35786.04km； 靜止衛星速度靜止衛星速度：3074.662m/s3074.662m/s； 靜止衛星軌道上單位弧長靜止衛星軌道上單位弧長：735.904k

20、m735.904km； 軌道傾角軌道傾角：0 017.2 .2 衛星導航系統的特點與分類衛星導航系統的特點與分類（2 2）衛星導航系統的分類）衛星導航系統的分類 按照工作區域：按照工作區域：全球覆蓋全球覆蓋和區域覆蓋；和區域覆蓋； 按照工作原理：多普勒型、距離型、按照工作原理：多普勒型、距離型、混合型混合型。185.1 5.1 概述概述.3 .3 衛星軌道參數衛星軌道參數（1 1）開普勒定律）開普勒定律 衛星圍繞地球運動的軌道是一個橢圓，地球的質心位衛星圍繞地球運動的軌道是一個橢圓，地球的質心位于這個橢圓的一個焦點上；于這個橢圓的一個焦點上； 在衛星運行的軌道上，衛星與地心的連線即向徑，在在衛

21、星運行的軌道上，衛星與地心的連線即向徑，在相同的時間內，衛星向徑所掃過的面積相等；相同的時間內，衛星向徑所掃過的面積相等； 衛星運行周期的平方和其軌道長半徑的立方成正比。衛星運行周期的平方和其軌道長半徑的立方成正比。19S SO O北半球北半球南半球南半球赤道赤道P PN NP PS SP PA A遠地點遠地點近地點近地點N NP PA AN NR R.3 .3 衛星軌道參數衛星軌道參數衛星無攝運動衛星無攝運動升交點赤經：升交點赤經：RONRON軌道傾角：軌道傾角：POQPOQQ Q極軌道、赤道軌道極軌道、赤道軌道近地點幅角：近地點幅角：PONPON軌道長半徑：軌道長半徑：AP/2AP/2軌道

22、偏心率軌道偏心率平近點角平近點角S S開普勒方程開普勒方程20天球的基本概念天球的基本概念天球天球天軸、天極天軸、天極天球赤道天球赤道天球子午面天球子午面黃道黃道春分點春分點秋分點秋分點21N NR R地心直角坐標系地心直角坐標系X XY YZ Z黃道黃道太陽的天球運動軌跡太陽的天球運動軌跡天赤道天赤道衛星軌道衛星軌道春分點春分點R R秋分點秋分點升交點升交點N N22地心直角坐標系地心直角坐標系23地心直角坐標系地心直角坐標系24.4 .4 衛星覆蓋區衛星覆蓋區衛星可見的地球表面稱為衛星覆蓋區域或可見區。衛星可見的地球表面稱為衛星覆蓋區域或可見區。25GPSGPS衛星衛星P PA AB BO

23、 OH HR RHRRcos衛星覆蓋區衛星覆蓋區kmR6371kmH201837626GPSGPS衛星衛星P PA AB BO OH HR RHRRcos)cos(衛星覆蓋區衛星覆蓋區5U U275.2 GPS5.2 GPS衛星導航系統衛星導航系統GPSGPS衛星導航系統由地面站、導航衛星網和用戶設備構成。衛星導航系統由地面站、導航衛星網和用戶設備構成。2829.1 GPS.1 GPS地面站地面站（1 1）跟蹤站）跟蹤站 設置：夏威夷、科羅拉多的斯普林斯、阿森松島設置：夏威夷、科羅拉多的斯普林斯、阿森松島（南大西洋）、迭戈加西亞島（印度洋）、馬紹爾群島（南大西洋）、迭戈加西亞島（印度洋）、馬紹

24、爾群島的夸賈林環礁（北太平洋）共的夸賈林環礁（北太平洋）共5 5個跟蹤站；個跟蹤站； 功能：利用精確原子鐘和多功能功能：利用精確原子鐘和多功能GPSGPS接收機，對衛接收機，對衛星信息、電離層和氣象等環境數據進行測定，并傳送到星信息、電離層和氣象等環境數據進行測定，并傳送到主控站。主控站。GPSGPS地面站由跟蹤站、主控站和注入站組成。地面站由跟蹤站、主控站和注入站組成。 GPS GPS地面站功能：地面站功能：跟蹤所有的衛星，測量衛星軌道跟蹤所有的衛星，測量衛星軌道參數和衛星鐘誤差，預測修正模型參數，星鐘同步和參數和衛星鐘誤差，預測修正模型參數，星鐘同步和向衛星注入新的信息。向衛星注入新的信息

25、。30.1 GPS.1 GPS地面站地面站31.1 GPS.1 GPS地面站地面站（2 2）主控站）主控站 設置：科羅拉多州斯普林斯的福爾肯空軍基地的設置：科羅拉多州斯普林斯的福爾肯空軍基地的聯合空間工作中心。聯合空間工作中心。 功能：從各跟蹤站收集跟蹤數據，對衛星的軌道功能：從各跟蹤站收集跟蹤數據，對衛星的軌道參數、時間偏差進行評價，計算出各衛星原子鐘的校正參數、時間偏差進行評價，計算出各衛星原子鐘的校正參量、衛星歷書、衛星星歷、系統狀態，再編制成導航參量、衛星歷書、衛星星歷、系統狀態，再編制成導航信息碼，送到注入站。信息碼，送到注入站。32 地面監控系統地面監控系統.1 GPS.1 GPS

26、地面站地面站33.1 GPS.1 GPS地面站地面站（3 3）注入站）注入站 設置：阿森松島（南大西洋）、迭戈加西亞島設置：阿森松島（南大西洋）、迭戈加西亞島（印度洋）、馬紹爾群島的夸賈林環礁（北太平洋）共（印度洋）、馬紹爾群島的夸賈林環礁（北太平洋）共3 3個注入站；個注入站； 功能：將導航信息注入衛星，每天功能：將導航信息注入衛星，每天1 12 2次。次。34.2 GPS.2 GPS導航衛星網導航衛星網衛星組成衛星組成軌道高度軌道高度軌道傾角軌道傾角運行周期運行周期發射頻率發射頻率35.2 GPS.2 GPS導航衛星網導航衛星網衛星的設備組成：衛星的設備組成： 原子鐘（衛星鐘）：原子鐘（衛

27、星鐘）：提供定時標準；基準時鐘提供定時標準；基準時鐘頻率為頻率為10.23MHz10.23MHz；穩定度；穩定度1010-13-13s/ds/d；。；。 導航電文存儲器：導航電文存儲器：存儲注入站發送的信息；存儲注入站發送的信息； 偽碼發生器：偽碼發生器：產生用于測距的偽隨機序列碼；產生用于測距的偽隨機序列碼； 接收機、發射機：接收機、發射機：接收地面站用接收地面站用S S波段發送來的波段發送來的各種數據資料；使用各種數據資料；使用220022002300MHz2300MHz的工作頻率將遙的工作頻率將遙測數據發送到地面。測數據發送到地面。 微處理器微處理器 核爆炸監測傳感器核爆炸監測傳感器 衛

28、星應急通信轉發器衛星應急通信轉發器 36.3 GPS.3 GPS導航衛星電文導航衛星電文 衛星電文：衛星電文：是導航衛星預報未來若干小時內衛星是導航衛星預報未來若干小時內衛星位置等信息的電文。位置等信息的電文。 GPSGPS衛星所發射的信號包括載波信號、衛星所發射的信號包括載波信號、P P碼（或碼（或Y Y碼）、碼）、C/AC/A碼和數據碼（或碼和數據碼（或D D碼）等多種信號分量。碼）等多種信號分量。 GPS GPS衛星導航電文：衛星導航電文：是衛星向用戶提供的導航基準信是衛星向用戶提供的導航基準信息，用戶通過相關接收技術接收這些信號，從中解調出息，用戶通過相關接收技術接收這些信號，從中解調

29、出CACA碼、碼、P P碼和導航數據（碼和導航數據（D D碼）。碼）。 主要包括：衛星星歷，時鐘改正，電離層時延改正主要包括：衛星星歷，時鐘改正，電離層時延改正，衛星工作狀態信息以及由，衛星工作狀態信息以及由C/AC/A碼轉換到捕獲碼轉換到捕獲P P碼的相關碼的相關信息等。信息等。37.3 GPS.3 GPS導航衛星電文導航衛星電文 CA CA碼和碼和P P碼：碼：主要用于識別衛星和測量導航信號主要用于識別衛星和測量導航信號的傳輸時間，統稱為測距碼。的傳輸時間，統稱為測距碼。 導航數據：導航數據：主要用于計算衛星的位置。主要用于計算衛星的位置。38.3 GPS.3 GPS導航衛星電文導航衛星電

30、文 （1 1）P P碼（碼（Precision CodePrecision Code） P P碼是一種連續、快速、長周期的偽隨即二進制序碼是一種連續、快速、長周期的偽隨即二進制序列碼，碼率為列碼，碼率為10.23MHz10.23MHz，碼周期為，碼周期為7d7d。 P P碼具有精確的時間和距離測量能力。碼具有精確的時間和距離測量能力。 （2 2）C/AC/A碼（碼（Clear / Acquisition CodeClear / Acquisition Code） C/AC/A碼是一低速、短周期的偽隨即二進制序列碼，碼是一低速、短周期的偽隨即二進制序列碼，碼率為碼率為P P碼的碼的1/101/1

31、0，即，即1.023MHz1.023MHz，碼周期為，碼周期為1ms1ms。 C/AC/A碼的距離測量精度較低，具有協助獲得碼的距離測量精度較低，具有協助獲得P P碼的碼的能力，因為能力，因為C/AC/A碼周期短、碼元速率低，容易匹配鎖定。碼周期短、碼元速率低，容易匹配鎖定。39.3 GPS.3 GPS導航衛星電文導航衛星電文 （3 3）導航電文）導航電文 內容：內容：P P碼系統工作狀態、系統時間、衛星鐘偏差碼系統工作狀態、系統時間、衛星鐘偏差校正量、衛星星歷、衛星歷數數據、衛星識別標志以及校正量、衛星星歷、衛星歷數數據、衛星識別標志以及與衛星導航有關的其他信息。與衛星導航有關的其他信息。

32、格式：格式： 導航電文采用不歸零的二進制碼；導航電文采用不歸零的二進制碼； 連續發射連續發射50bit/s50bit/s，每個二進制碼，每個二進制碼20ms20ms； 以幀為單元，由以幀為單元，由5 5個子幀組成一個數據幀，由個子幀組成一個數據幀，由2525幀幀組成一份完整的歷書；組成一份完整的歷書； 每幀電文需時每幀電文需時30s30s，接收時間為，接收時間為12.5min12.5min。401234530s6s0.02s0.6s25頁10個字30比特12345678910GPSGPS導航衛星電文的格式導航衛星電文的格式41 每幀導航電文長每幀導航電文長1500bit1500bit，平均分成

33、，平均分成5 5個子幀，每個子幀，每個子幀分別含有個子幀分別含有1010個字，每個字個字，每個字30bit30bit，故每個子幀，故每個子幀共共300bit300bit電文。電文的播發速率為每秒電文。電文的播發速率為每秒50bit50bit，所以，所以播發一幀電文的時間需要播發一幀電文的時間需要30s30s，而一子幀電文的持續，而一子幀電文的持續播發時間為播發時間為6s6s。GPSGPS導航衛星電文的格式導航衛星電文的格式 為記載多達為記載多達2525顆衛星的星歷，子幀顆衛星的星歷，子幀4 4、5 5各含有各含有2525頁。子幀頁。子幀1 1、2 2、3 3和子幀和子幀4 4、5 5的每一頁構

34、成一幀，每的每一頁構成一幀，每2525幀電文組成一個主幀。主幀中幀電文組成一個主幀。主幀中1 1、2 2、3 3的內容每的內容每30s30s重復一次，每小時更新一次，重復一次，每小時更新一次，4 4、5 5的內容僅當給衛星的內容僅當給衛星注入新的導航電文后才得以更新。注入新的導航電文后才得以更新。42TLM HOW數據塊1時鐘修正參數TLM HOW數據塊2星歷表TLM HOW數據塊2星歷表繼續TLM HOW數據塊3衛星歷書等TLM HOW數據塊3衛星歷書等12345一個子幀6s長，10個字，每字30比特1幀30s1500比特GPSGPS導航衛星電文的格式導航衛星電文的格式TMLTML（Tele

35、metry WordTelemetry Word）：同步）：同步/ /遙測字遙測字HOWHOW（Hand Over WordHand Over Word）：轉換字）：轉換字30b30b8 8個字個字43GPSGPS的偽隨機測距碼的偽隨機測距碼 （1 1）碼的概念）碼的概念 在現代數字通信中，廣泛使用二進制數（在現代數字通信中，廣泛使用二進制數（0 0和和1 1）及其組合，來表示各種信息。表達不同信息的二進制及其組合，來表示各種信息。表達不同信息的二進制數及其組合，稱為碼。一位二進制數叫一個碼元或比數及其組合，稱為碼。一位二進制數叫一個碼元或比特。比特為碼的度量單位。特。比特為碼的度量單位。 如

36、果將各種信息如聲音、圖象和文字等量化，并如果將各種信息如聲音、圖象和文字等量化，并按某種預定規則，表示成二進制數的組合形式，則這按某種預定規則，表示成二進制數的組合形式，則這一過程稱為編碼。一過程稱為編碼。 在二進制數字化信息的傳輸中，每秒傳輸的比特在二進制數字化信息的傳輸中，每秒傳輸的比特數稱為數碼率，表示數字化信息的傳輸速度，單位為數稱為數碼率，表示數字化信息的傳輸速度，單位為bit/sbit/s或記為或記為BPSBPS。44GPSGPS的偽隨機測距碼的偽隨機測距碼 （2 2）隨機噪聲碼）隨機噪聲碼 既然碼是用以表達各種信息的二進制數的組合，既然碼是用以表達各種信息的二進制數的組合，是一組

37、二進制的數碼序列，則這一序列就可以表達成是一組二進制的數碼序列，則這一序列就可以表達成以以0 0和和1 1為幅度的時間函數。為幅度的時間函數。 假設一組碼序列假設一組碼序列u(t)u(t)，對某一時刻，對某一時刻t t來說，碼元來說，碼元是是0 0或或1 1完全是隨機的，但出現的概率均為完全是隨機的，但出現的概率均為1/21/2。這種。這種碼元幅度的取值完全無規律的碼序列，稱為隨機碼序碼元幅度的取值完全無規律的碼序列，稱為隨機碼序列（或隨機噪聲碼序列）。列（或隨機噪聲碼序列）。 它是一種非周期序列，無法復制，但其自相關性它是一種非周期序列，無法復制，但其自相關性好。而相關性的好壞，對提高利用好

38、。而相關性的好壞，對提高利用GPSGPS衛星碼信號進衛星碼信號進行測距的精度，極其重要。行測距的精度，極其重要。45GPSGPS的偽隨機測距碼的偽隨機測距碼碼序列碼序列46.1 .1 衛星導航系統；衛星導航系統；.2 .2 衛星軌道參數。衛星軌道參數。5.1 5.1 概述概述5.2 GPS5.2 GPS衛星導航系統衛星導航系統.1 GPS.1 GPS衛星導航系統的組成；衛星導航系統的組成；.2 GPS.2 GPS導航衛星網；導航衛星網；.3 GPS.3 GPS導航衛星電文。導航衛星電文。回顧回顧47思考思考P318P318：1 1、2 2、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9、111

39、1；課后練習題：課后練習題：重點思考問題：重點思考問題：P318P318：1 1、4 4、8 8、9 9。485.3 GPS5.3 GPS衛星導航定位原理衛星導航定位原理 GPS GPS是一種測距定位系統，利用測定高軌道衛星信是一種測距定位系統，利用測定高軌道衛星信號的傳播延時（電波在空間傳播的時間）和多普勒頻號的傳播延時（電波在空間傳播的時間）和多普勒頻移，計算出衛星與用戶之間的距離、距離變化率，以移，計算出衛星與用戶之間的距離、距離變化率，以精確地測定用戶位置（三維）、速度（三維）和時間精確地測定用戶位置（三維）、速度（三維）和時間參數。參數。 測定出用戶到測定出用戶到3 3顆衛星的距離可

40、以得到以衛星為球顆衛星的距離可以得到以衛星為球心，以衛星到用戶的距離為半徑的三個球面，其交點心，以衛星到用戶的距離為半徑的三個球面，其交點就是用戶的三維空間位置。就是用戶的三維空間位置。49.1 .1 衛星定位原理衛星定位原理 GPSGPS衛星導航儀接收其視界內一組衛星信號，從中衛星導航儀接收其視界內一組衛星信號，從中取得衛星星歷、時鐘校正參量、大氣校正參量等數據，取得衛星星歷、時鐘校正參量、大氣校正參量等數據，并且測量衛星信號的傳播延時和多普勒頻移。并且測量衛星信號的傳播延時和多普勒頻移。 根據根據衛星星歷衛星星歷計算出衛星發射信號時的位置；計算出衛星發射信號時的位置； 根據衛星信號的根據衛

41、星信號的傳播延時傳播延時和和光速光速的乘積計算出衛的乘積計算出衛星與用戶之間的星與用戶之間的“距離距離”； 根據衛星信號的根據衛星信號的傳播延時、光速和多普勒頻移傳播延時、光速和多普勒頻移計計算出用戶的三維運行速度。算出用戶的三維運行速度。 若用戶時鐘無偏差，利用若用戶時鐘無偏差，利用3 3顆衛星可以得到以衛星顆衛星可以得到以衛星為球心，以衛星到用戶的距離為半徑的為球心，以衛星到用戶的距離為半徑的3 3個球面，其交個球面，其交點就是用戶的三維空間位置。點就是用戶的三維空間位置。 若用戶時鐘不精確，需要利用第若用戶時鐘不精確，需要利用第4 4顆衛星計算出用顆衛星計算出用戶的戶的時鐘偏差時鐘偏差。

42、50.1 .1 衛星定位原理衛星定位原理 “偽距離偽距離”的概念的概念 由于用戶衛星導航儀時鐘、衛星鐘、電離層以及由于用戶衛星導航儀時鐘、衛星鐘、電離層以及對流層引起的傳播延遲產生的誤差，使得衛星導航儀對流層引起的傳播延遲產生的誤差，使得衛星導航儀測得的不是用戶到衛星的真距離，故稱為測得的不是用戶到衛星的真距離，故稱為“偽距離偽距離”。 誤差的修正誤差的修正 修正衛星時鐘偏差：從衛星的導航信號中提取時修正衛星時鐘偏差：從衛星的導航信號中提取時鐘校正參量；鐘校正參量； 修正對流層折射誤差：從衛星的導航信號中提取修正對流層折射誤差：從衛星的導航信號中提取大氣修正參量；大氣修正參量； 修正電離層折射

43、誤差：利用衛星發射的雙頻信號修正電離層折射誤差：利用衛星發射的雙頻信號（1575.42MHz1575.42MHz和和1227.60MHz1227.60MHz）。）。 GPS GPS是無源式衛星導航系統，用戶不能發射無線電是無源式衛星導航系統，用戶不能發射無線電信號，只處理接收到的信號，只處理接收到的GPSGPS信號進行導航定位。信號進行導航定位。515.3 GPS5.3 GPS衛星導航定位原理衛星導航定位原理.2 .2 偽測距和偽測速偽測距和偽測速)(*SiAiuiittCtC*i 偽距離；偽距離；i4 , 3 , 2 , 1i 用戶到衛星的真距離；用戶到衛星的真距離；ut 用戶時鐘誤差；用戶

44、時鐘誤差；AitSit 衛星信號傳播延時誤差；衛星信號傳播延時誤差； 衛星鐘與衛星鐘與GPSGPS時間誤差；時間誤差；52.2 .2 偽測距和偽測速偽測距和偽測速222)()()(SiSiSiiZZYYXX4 , 3 , 2 , 1i用戶觀測位置：用戶觀測位置：第第i i個衛星位置：個衛星位置：),(SiSiSiZYX),(ZYX)()()()(222*SiAiuSiSiSiittCtCZZYYXX方程中的已知參數：方程中的已知參數：方程中的未知參數：方程中的未知參數： 因此，只要測定因此，只要測定4 4顆衛星的偽距，聯立顆衛星的偽距，聯立4 4個方程個方程求解，獲得用戶三維位置和時鐘偏差。求

45、解，獲得用戶三維位置和時鐘偏差。53.2 .2 偽測距和偽測速偽測距和偽測速測量偽距離差測量偽距離差41*4*142*4*243*4*3 用戶通過測量用戶通過測量4 4顆衛星中的每兩個衛星的距離差，顆衛星中的每兩個衛星的距離差，得到三個獨立方程，即得到三個旋轉雙曲面，此時用得到三個獨立方程，即得到三個旋轉雙曲面，此時用戶不需要精密時鐘就可定位。并且，還可以計算出精戶不需要精密時鐘就可定位。并且，還可以計算出精度和衛星原子中同量級的精密時間。度和衛星原子中同量級的精密時間。54.2 .2 偽測距和偽測速偽測距和偽測速dtdii*對方程進行求導：對方程進行求導：uSiSiSiSiSiSiSiSiS

46、iitCZZYYXXZZZZYYYYXXXX222*)()()()()()(0Ait0Sit55.3 .3 定位計算定位計算O OX XY YZ ZU US Si iSiiu),(ZYXU),(SiSiSiiZYXS56.4 GPS.4 GPS定位過程定位過程 （1 1）GPSGPS衛星導航儀根據其存儲的衛星導航儀根據其存儲的GPSGPS歷書，計算歷書，計算衛星的概略位置。初始啟動時，衛星的概略位置。初始啟動時，GPSGPS衛星導航儀將搜集衛星導航儀將搜集衛星并存貯歷書；衛星并存貯歷書； （2 2）GPSGPS衛星導航儀根據推算船位、時間、精度衛星導航儀根據推算船位、時間、精度幾何因子數值，選

47、擇仰角大于幾何因子數值，選擇仰角大于5 5、幾何配置較好的、幾何配置較好的4 4顆或顆或3 3顆衛星，進行檢測、改選；顆衛星，進行檢測、改選； （3 3）GPSGPS衛星導航儀根據微處理器的指令捕捉衛衛星導航儀根據微處理器的指令捕捉衛星，搜索并同步偽碼，之后檢測并存貯導航電文；星，搜索并同步偽碼，之后檢測并存貯導航電文； （4 4）GPSGPS衛星導航儀根據星歷計算出衛星發射信衛星導航儀根據星歷計算出衛星發射信號時的位置，根據衛星信號的傳播延時和光速計算出號時的位置，根據衛星信號的傳播延時和光速計算出衛星與用戶之間的衛星與用戶之間的“距離距離”；根據衛星信號的傳播延；根據衛星信號的傳播延時、光

48、速和多普勒頻移計算出用戶的三維運行速度。時、光速和多普勒頻移計算出用戶的三維運行速度。根據測得的偽距，計算用戶位置、鐘差及速度等數據根據測得的偽距，計算用戶位置、鐘差及速度等數據。575.4 GPS5.4 GPS衛星導航儀衛星導航儀航海導航通常使用航海導航通常使用C/AC/A碼、單頻碼、單頻GPSGPS衛星導航儀。衛星導航儀。.1 .1 主要技術性能與功能主要技術性能與功能（1 1）主要技術性能）主要技術性能接收頻率：接收頻率：L L1 1：1575.421575.421MHz1MHz；接收通道：必須能跟蹤接收通道：必須能跟蹤4 4顆以上的衛星；顆以上的衛星；接收碼：接收碼：C/AC/A碼；碼

49、；跟蹤速度：跟蹤速度：100kn100kn左右；左右；定位精度：定位定位精度：定位15m15m，速度，速度0.1kn0.1kn。 58.1 .1 主要技術性能與功能主要技術性能與功能（2 2）主要功能）主要功能顯示定位的經度、緯度：分辨力為秒；顯示定位的經度、緯度：分辨力為秒；顯示導航數據：航跡速、航跡向；方向和航程計算；顯示導航數據：航跡速、航跡向；方向和航程計算； 還可顯示流速、流向；還可顯示流速、流向；能存儲航線設計和航路點及其經緯度；能存儲航線設計和航路點及其經緯度；位置更新時間：位置更新時間：1s1s；導航數據更新時間：導航數據更新時間：3 35s;5s;報警功能：偏航、守錨監視、到

50、達轉向點區域、故障；報警功能：偏航、守錨監視、到達轉向點區域、故障；設置參數和變更坐標系；設置參數和變更坐標系；接口功能：按照接口功能：按照NMEANMEA協議提供輸入協議提供輸入/ /輸入接口；輸入接口；衛星信息、星座預報；衛星信息、星座預報；三維定位中，高度的精度允許在三維定位中，高度的精度允許在50m50m內波動。內波動。595.4 GPS5.4 GPS衛星導航儀衛星導航儀.2 GPS.2 GPS衛星導航儀的安裝衛星導航儀的安裝安裝要求：安裝要求：GPSGPS天線避免被大桅、衛星通信天線所遮擋；天線避免被大桅、衛星通信天線所遮擋；不要安裝在雷達垂直波束之內；不要安裝在雷達垂直波束之內；與

51、與DFDF、VHFVHF等天線的距離：等天線的距離： 1m1m；與與DFDF環狀天線的距離：環狀天線的距離：3m3m；與中、高頻天線的距離：與中、高頻天線的距離：4m4m；與衛星通信天線的距離：與衛星通信天線的距離：5m5m；天線接頭包扎防潮，遠離其它發射天線。天線接頭包扎防潮，遠離其它發射天線。GPSGPS衛星導航儀遠離其他無線電設備、接地、保險。衛星導航儀遠離其他無線電設備、接地、保險。605.4 GPS5.4 GPS衛星導航儀衛星導航儀.3 GPS.3 GPS衛星導航儀的一般操作方法衛星導航儀的一般操作方法（1 1）啟動）啟動日常啟動：日常啟動：正常開關機。正常開關機。熱啟動：熱啟動：船

52、位變化不大于船位變化不大于100100英里；英里； 三個月以內進行過通電接收；三個月以內進行過通電接收； GPSGPS導航儀搜集歷書后啟動。導航儀搜集歷書后啟動。冷啟動：冷啟動：船位變化大于船位變化大于100100英里；英里； 三個月以上沒有通電接收；三個月以上沒有通電接收； GPSGPS導航儀搜集歷書后啟動。導航儀搜集歷書后啟動。 第一次安裝第一次安裝GPSGPS導航儀；導航儀；GPSGPS歷書陳舊或所有數據被清除。歷書陳舊或所有數據被清除。61.3 GPS.3 GPS衛星導航儀的一般操作方法衛星導航儀的一般操作方法（1 1）啟動）啟動冷啟動時的初始化輸入：冷啟動時的初始化輸入：日期與時間輸入：誤差不超過日期與時間輸入：誤差不超過15min15min；船位經度、緯度：誤差不超過船位經度、緯度：誤差不超過1 1；設置設置HDOPHDOP（水平方向精度幾何因子）值：（水平方向精度幾何因子）值：1010；輸入天線高度；輸入天線