1、第二章 GPS衛星定位系統第一節 GPS系統的組成學時：2學時目的、要求：掌握GPS系統的組成部分； 掌握GPS衛星信號的組成； 了解GPS系統組成部分及衛星信號的相關知識 教學內容概述： 一、GPS系統的組成：GPS系統主要由空間星座部分、地面監控部分和用戶設備三大部分組成， (圖21)。1 空間星座部分GPS空間部分是由24顆GPS工作衛星所組成，21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星共同組成了GPS衛星星座。如圖2-2所示，這24顆衛星分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行，各個軌道平面之間相距60°，軌道平均高度20200km 。衛星的運行周期，即繞地球一周的時間約為1

2、2恒星時(11小時58分)。GPS衛星星座的功能主要為（1）用L波段的兩個無線載波(19cm和24cm波)向廣大用戶連續不斷地發送導航定位信號。包括提供精密時間標準、粗略導航定位偽距CA碼、精密測距P碼和反映衛星當前空間位置和衛星工作狀態的導航電文。 （2）在衛星飛越注入站上空時，接收由地面注入站用S波段(10cm波段)發送到衛星的導航電文和其它有關信息，并適時發送給廣大用戶。 （3）接收地面主控站通過注入站發送到衛星的調度命令，適時地調整衛星的姿態，改正衛星運行軌道偏差，啟用備用衛星。 GPS衛星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg，兩側設有兩塊雙葉太陽能板，能自動對日定向，以保

3、證衛星正常供電(圖23)。2 衛星監控部分GPS的控制部分由分布在全球的若干個跟蹤站所組成的監控系統所構成，根據其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監控站和注入站，其分布如圖24所示。2.1 主控站主控站有一個，設在美國本土科羅拉多（Colorado）· 斯平士(Colorado Springs)的聯合空間執行中心CSOC。2.2 監控站現有5個地面站均具有監測站的功能，除了主控站外，其它四個分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星的工作狀態；2.

4、3 注入站 注入站的作用是將主控站計算出的衛星星歷和衛星鐘的改正數等信息注入到衛星中去。注入站現有三個，分別設在印度洋的迭哥加西亞(Diego Garcia)、南大西洋阿松森島Ascencion)和南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。注入站的主要設備包括一臺直徑為3.6m的天線，一臺C波段發射機和一臺計算機。3 用戶部分GPS的用戶部分由GPS接收機、數據處理軟件及相應的用戶設備如計算機及其終端設備、氣象儀器等所組成。而GPS接收機硬件，一般包括主機、天線、控制器和電源，主要功能是接收GPS衛星發射的信號，能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，獲得必

5、要的導航和定位信息及觀測量；對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。并經簡單數據處理而實現實時導航和定位；GPS軟件部分是指各種后處理軟件包，其主要作用是對觀測數據進行精加工，以便獲得精密定位結果。以上這三個部分共同組成了一個完整的GPS系統。二、GPS衛星信號1 GPS衛星信號構成及產生1.1 載波L1、L1由衛星上的原于鐘所產生的基準頻率f01.023MHz倍頻154倍和120倍產生。1.2 測距碼1.3 導航電文導航信息被調制在L1載波上，其信號頻率為5

6、0Hz，包含有GPS衛星的軌道參數、衛星鐘改正數和其它一些系統參數。用戶一般需要利用此導航信息來計算某一時刻GPS衛星在地球軌道上的位置，導航信息也被稱為廣播星歷。2 GPS的測距碼信號測距碼是用于測定從衛星至接收機間距離的二進制碼。 2.1 CA碼(CoarseAcquisition Code) 用于進行粗略測距和捕獲精碼的測距碼稱為粗碼，也稱捕獲碼。CA碼的測距精度一段為±(2-3) m。CA碼是一種結構公開的明碼，供全世界所有的用戶免費使用。2.2 P碼(Precision Code)用于精確測定從GPS衛星至接收機距離的測距碼稱為精碼。2.3 L2C碼3 CPS衛星的載波信號

7、可運載調制信號的高頻振蕩波稱為載波。GPS衛星發射兩種頻率的載波信號，由于它們均位于微波的L波段，故分別稱為L 1載波和L2載波。即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，它們的波長分別為19.03cm和24.42cm，如圖2-6所示。4 GPS導航電文 GPS衛星導航電文是用戶利用GPS定位和導航所必須的基礎數據。它主要提供了衛星在空間的位置、衛星的工作狀態、衛星鐘的修正參數、電離層延遲修正參數等重要信息。這些信息是以二進制碼的形式按規定格式編碼，并按幀發給用戶接收機，因此又稱之為數據碼(D碼)。導航電文的傳輸速率為50bits，以“幀”為單位向外發送。每

8、幀的長度為1500bit，播發完一個主幀需30s。一個主幀包括5個子幀。每個子幀均包含300bit，播發時間為6s。每個子幀又可分為10個字，每個字都由30bit組成。其中第四、五兩個子幀各有25個頁面，需要750s才能將25個頁面全部播發完。第一、 二、三子幀每30s重復一次，其內容每隔2h更新一次。第四、五子幀每30s翻轉一頁，12.5min完整地播發一次，然后再重復。其內容僅在衛星注入新的導航數據后才得以更新。 4.1遙測碼(telemetry word，TLW)4.2轉換碼(hand over word，HOW)4.3第一數據塊第一數據塊是位于第1子幀的第310字碼，它的主要內容包括：

9、 (1)時延差改正Tgd (2)數據齡期AODC (3)星期序號WN (4)衛星時鐘改正 4.4 第二數據塊導航電文的第2和第3子幀組成第二數據塊，其內容為GPS衛星星歷，即描述衛星運行及其軌道參數的信息，提供有關計算衛星運行位置的數據，它是GPS衛星向導航、定位用戶播發的主要電文，描述衛星的運行及其軌道參數包括以下三類： (1)開普勒軌道六參數 (2)軌道攝動九參數(3)時間二參數： 4.5 第三數據塊重點：掌握GPS系統的組成部分； 掌握GPS衛星信號的組成； 了解GPS系統組成部分及衛星信號的相關知識難點：GPS系統的組成部分； GPS衛星信號的組成；思考題（作業）：1、簡述GPS衛星定

10、位系統的組成，并說明各部分的作用。2、簡述GPS衛星信號產生及構成特點。備注（教學組織形式、教學方法與手段等及其它需注明的問題）： 1充分利用多媒體顯示大量的表格和圖片詳細介紹GPS定位系統的三個組成部分，提高學生學習的積極性。 2以簡單的圖表顯示出GPS信號的諸多內容、GPS信號接收系統的結構，使學生從宏觀上掌握GPS信號的組成、GPS接收設備的工作原理。課后記： 講授宜分模塊進行。首先詳細介紹GPS系統的三個組成部分，再從衛星的發射過程談起，逐步過渡GPS信號的內容、結構及傳播。使學生既了解GPS系統的相互關系及運行過程第二章 GPS衛星定位系統第二節 GPS衛星信號第三節 GPS衛星星歷

11、學時：2學時目的、要求：1、理解衛星運動理論基礎； 2、掌握GPS衛星星歷的含義及衛星位置的計算教學內容概述：1 衛星運動理論基礎 GPS衛星的星歷是描述衛星運行及其軌道的參數，它的主要作用是利用GPS衛星系統進行導航定位時，計算衛星在空間的瞬時位置。而研究GPS衛星在協議地球坐標系中的瞬時位置，就是GPS衛星的軌道運動理論。本節首先對衛星運動理論作簡要介紹。 衛星在空間運行的軌跡稱為軌道，描述衛星位置及狀態的參數，稱為衛星軌道參數。為了研究衛星運動的基本規律，一般將衛星受到的作用力分為兩類：一類是地球質心引力；另一類是攝動力。1.1 衛星無攝運動開普勒軌道參數或稱開普勒軌道根數。現將這組參數

12、的慣用符號及其定義，綜合介紹如下： W升交點的赤經，即在地球赤道平面上，升交點與春分點之間的地心夾角(升交點，即當衛星由南向北運行時軌道與地球赤道面的一個交點)。 i軌道面的傾角，即衛星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。 上兩個參數，唯一地確定了衛星軌道平面與地球體之間的相對定向，稱之為軌道平面定向參數。 ws近地點角距，即在軌道平面上，升交點與近地點之間的地心夾角，這一參數表達了開普勒橢圓在軌道面上的定向，稱之為軌道橢圓定向參數。n為觀測時刻衛星的平均角速度。設衛星沿橢圓軌道運動的周期為T，則n=2p/T。t0為第六個積分常數，即t0是衛星過近地點時刻，它給出了輔助參數E與時間t的函數關系。E

13、S為偏近點角。我們得到了以軌道參數表示的六個積分常數參數as、es、W、i、ws和t0。若已知六個軌道參數，就可以唯一地確定衛星的運動狀態。也就是說，已知六個軌道參數可以確定任意時刻的衛星位置及其運動速度。1.2 . 衛星受攝運動在攝動力作用下，衛星的運動稱為受攝運動，相應的衛星軌道稱為受攝軌道。1.2 .1用直角坐標表示的受攝運動方程1.2 .2 用軌道參數表示的受攝運動方程2 GPS衛星星歷 描述某一時刻衛星運動軌道的參數及其變率稱衛星星歷。精確的軌道信息是精密定位的基礎。GPS衛星星歷分為預報星歷(廣播星歷)和后處理星歷(精密星歷)。2.1 預報星歷 是通過衛星發射的含有軌道信息的導航電

14、文傳遞給用戶的，用戶接收機接收到這些信號，經過解碼便可獲得所需要的衛星星歷，所以這種星歷也叫廣播歷。衛星的預報星歷，通常包括相對某一參考歷元的開普勒軌道參數和必要的軌道攝動正項參數。參考歷元的衛星開普勒軌道參數，也叫參考星歷，它是根據GPS監測站約一周的觀測資料推算的。預報星歷的內容包括：參考歷元瞬間的開普勒6個參數，反映攝動力影響的9個參數，以及1個參考時刻和星歷數據齡期，共計17個星歷參數。這些參數通過GPS衛星發射的含有軌道信息的導航電文傳遞給用戶。 2.2 后處理星歷 由于GPS衛星的預報星歷是根據跟蹤站前一段時間的觀測資料，外推的參考軌道參數，并加入軌道的攝動改正后得到的外推星歷。因

15、此，廣播星歷包含外推誤差其精度必然受到限制，不能滿足某些從事精密定位工作的用戶要求。 后處理星歷，是根據地面跟蹤站所獲得的精密觀測資料計算而得到的星歷，它是一種不包含外推誤差的實測星歷，可為用戶提供觀測時刻的衛星精密星歷，其精度可達米級，以后其精度有望進一步提高到分米級。3 GPS衛星位置的計算3.1 用廣播星歷計算衛星位置第一步：計算衛星運動的平均角速度n第二步：計算觀測瞬間衛星的平近點角M第三步：計算偏近點角第四步：計算真近點角第五步：計算升交距角第六步：計算攝動改正項第七步：對升交距角m、衛星矢徑r、軌道傾角i進行攝動改正第八步：計算衛星在軌道面坐標系中的位置 第九步：計算觀測瞬間升交點的經度L第十步：計算衛星在瞬時地球坐標系中的位置第十一步：計算衛星在協議地球坐標系中的位置重點：1、