課程內容GPS衛星技術的發展概況；GPS系統的組成；衛星運行軌道及GPS星歷；GPS衛星的導航電文和衛星信號；GPS衛星定位基本原理；GPS測量的誤差來源及其影響；坐標系統和時間系統；GPS測量的設計與實施；GPS測量數據處理；GPS實時動態定位原理；GPS應用。什么是GPS？GPS的英文全稱是

NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem

簡稱GPS，有時也被稱作NAVSTARGPS。其意為“導航衛星測時與測距全球定位系統”，或簡稱全球定位系統。項目一：GPS測量技術概述任務一：衛星導航定位系統任務二：GPS系統概述1-2-1GPS系統組成1-2-2GPS衛星運行及其軌道1-2-3GPS衛星星歷及衛星位置的計算1-2-4GPS衛星信號及信號接收機任務一：衛星導航定位系統常規定位方法及其局限性衛星定位技術概況衛星導航定位系統美國的GPS政策及各國的應對措施我國的國家GPS大地控制網1.1常規定位方法及其局限性近、現代的常規定位方法采用的儀器設備尺：銦鋼尺光學儀器：經緯儀，水準儀電磁波或激光儀器：測距儀綜合多種技術的儀器：全站儀觀測值角度或方向觀測距離觀測天文觀測方法

常規定位方法的局限性測站間需保持通視需要修建覘標邊長受到限制作業難度大效率低：無用的中間過渡點無法同時精確確定點的三維坐標觀測受氣候、環境條件限制受系統誤差影響大，如地球旁折光難以建立地心坐標需事先布設大量控制點/地面站1.2衛星定位技術概況1.2.1衛星定位技術的產生標志：1957年，蘇聯成功發射世界上第一顆人造衛星。背景：衛星定位技術提供精確的地心坐標提供全球統一的坐標能在長距離上進行高精度定位的技術全天候的，更為快捷、精確、簡便的定位技術技術基礎：衛星定位技術空間技術現代通信技術現代電子技術計算機技術1.2.2衛星定位技術

早期的衛星定位技術是利用人造地球衛星進行點位測量的。僅僅將衛星作為空間測量目標，后來發展到了把衛星作為動態已知點的高級階段。早期衛星定位技術子午衛星導航系統（NNSS）全球定位系統（GPS）衛星激光測距(SCR)(SatelliteLaserRanging)在ABC三個已知點上同時測定至衛星S1的三個距離，可以計算出S1的空間坐標；同理可測定S2、S3的坐標。在未知點D上和ABC三點同步觀測衛星S1、S2、S3的距離值，同樣可以計算出D點的坐標。

測距及相對定位精度可達厘米級。

儀器構成：激光發射、接收望遠鏡，衛星跟蹤望遠鏡，光電轉換器件，計數器，驅動機構，控制部分等。

測程：50M~8000KM

測距精度：厘米級衛星定位技術的優點：測站間無須通視；

既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網的良好結構，這一直是經典測量技術在實踐方面的困難問題之一。衛星定位技術不要求觀測站之間相互通視，因而不再需要建造覘標，這一優點既可大大減少測量工作的經費和時間，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。數學模型簡單且能同時確定點的三維坐標；待定點的三維坐標只要兩組方程就可以求得，不涉及重力場、橢球面上的復雜運算。易于實現全天候的觀測。

GPS觀測工作，可以在任何地點，任何時間連續地進行，一般也不受天氣狀況的影響。在長距離上仍可獲得高精度的定位結果。利用空間技術進行相對定位時，其觀測值的精度與測站間的間距基本無關，即使在數千公里的長邊上仍能獲得厘米級甚至毫米級的定位精度。子午衛星系統（衛星多普勒系統）系統簡介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海軍導航衛星系統），由于其衛星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛星系統）采用利用多普勒效應進行導航定位，也被稱為多普勒定位系統美國研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午衛星子午衛星星座系統組成空間部分衛星：發送導航定位信號（信號：4.9996MHz30=149.988MHz；4.9996MHz80=399.968MHz；星歷）衛星星座–由6顆衛星構成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺用戶部分多普勒接收機大地測量多普勒接收機-1（MX1502）大地測量多普勒接收機-2（CMA751）應用領域海上船舶的定位大地測量精度單點定位：15次合格衛星通過（兩次通過之間的時間間隔為0.8h~1.6h），精度約為10m聯測定位：各站共同觀測17次合格衛星通過，精度約為0.5m子午衛星系統局限性系統缺陷衛星少，觀測時間和間隔時間長，無法提供實時導航定位服務導航定位精度低衛星信號頻率低，不利于補償電離層折射效應的影響衛星軌道低，難以進行精密定軌1.3衛星導航定位系統GPSGLONASSGalileo北斗衛星導航定位系統1.3.1GPS1973年批準研制GPS系統；1974~1993先后經歷了方案論證、系統論證、生產試驗三個階段。GPS的發展簡史——方案論證階段1973年12月，美國國防部批準研制GPS。1978年2月22日，第1顆GPS試驗衛星發射成功。從1973年到1979年，共發射了4顆試驗衛星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網。GPS的發展簡史——全面研制和試驗階段從1979年到1987年，又陸續發射了7顆試驗衛星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。22GPS的發展簡史——實用組網階段1989年2月14日，第1顆GPS工作衛星發射成功。1991年，在海灣戰爭中，GPS首次大規模用于實戰。1993年底實用的GPS網，即（21+3）GPS星座已經建成，今后將根據計劃更換失效的衛星。

1995年7月17日，GPS達到FOC–完全運行能力（FullOperationalCapability）。23GPS衛星星座GPS衛星

GPS衛星星座24顆衛星，衛星軌道面個數6個，衛星高度20200KM，軌道傾角55度，運行周期11小時58分，載波頻率為1575和1227MHZ，GPS衛星在軌重量為843.68KG，設計壽命七年半。

GPS技術的特點全球地面連續覆蓋

GPS衛星數目較多，且分布合理，地球上任何地點，均可連續同步觀測到4顆衛星，實現了全球、全天候連續實時地三維定位。功能多，精度高GPS可為各類用戶連續地提供動態目標的三維位置、三維速度和時間信息。實時定位應用廣泛GPS系統廣泛應用于大地測量、工程測量、變形測量、地籍測量、航空攝影測量和海上測繪等。1.3.2GLONASSGLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球導航衛星系統）開發者俄羅斯（前蘇聯）系統構成衛星星座地面控制部分用戶設備GLONASS衛星運行狀況

從1982年10月12日發射第一顆GLONASS衛星起，至1995年12月14日共發射了73顆衛星。由于衛星壽命過短，加之俄羅斯前一段時間經濟狀況欠佳，無法及時補充新衛星，故該系統不能維持正常工作。到目前為止（2010年）,GLONASS系統共有26顆衛星在軌。其中有21顆衛星處于工作狀態，2顆備用，3顆維護。目前，GLONASS系統新發射衛星上新增CDMA信號，提高其與其它系統的互操作性。近十年來GLONASS在軌衛星數目變化情況GLONASSconstellationGLONASSsatelliteP24GLONASSconstellationGLONASS與GPS的比較參數GLONASSNAVSTARGPS系統中的衛星數21＋321＋3軌道平面數36軌道傾角64.8°55°軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min12h衛星信號的區分FDMACDMAL1頻率1602~1615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率1246~1256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHzGLONASS系統和GPS系統的比較一是衛星發射頻率不同。GPS的衛星信號采用碼分多址體制。而GLONASS采用頻分多址體制，GLONASS可以防止整個衛星導航系統同時被敵方干擾，因而，具有更強的抗干擾能力。二是坐標系不同。GPS使用世界大地坐標系（WGS-84），而GLONASS使用前蘇聯地心坐標系（PE-90）。三是時間標準不同。GPS系統時與世界協調時相關聯，而GLONASS則與莫斯科標準時相關聯。31GLONASS系統的問題目前GLONASS工作不穩定，衛星工作壽命短；GLONASS用戶設備發展緩慢，生產廠家少，設備體積大而笨重；由于GLONASS采用的是FDMA，所以用戶接收機中頻率綜合器復雜；對GPS/GLONASS兼容接收機，需解決兩系統的時間和坐標系統問題。1.3.3Galileo伽俐略（Galileo）衛星導航定位系統進展2002年3月24日歐盟決定研制組建自己的民用衛星導航定位系統——Galileo系統2005年12月28日第一顆Galileo試驗衛星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功進入高度為2.3萬Km的預定軌道。2006年1月12日，GlOVE-A已開始向地面發送信號。這標志著總投資為34億歐元（約合41億美元）的計劃已進入實施階段。預計到2015年歐洲將發射30顆服役期約為20年的正式衛星，完成伽利略衛星星座的部署工作。Galileo系統概況Galileo衛星星座將由27顆工作衛星和3顆備用衛星組成，這30顆衛星將均勻分布在3個軌道平面上，衛星高度為23616km，軌道傾角為56°。Galileo系統是一種多功能的衛星導航定位系統，具有公開服務、安全服務、商業服務和政府服務等功能，但只有前兩種服務是自由公開的，后兩種服務則需經過批準后才能使用。伽利略系統建成后，美歐兩大相互兼容的導航定位系統將大大有助于提供導航定位的精度和可靠性。GIOVEAGIOVEBtheGIOVESatelliteP29GIOVESatelliteGIOVE的主要目標:

頻率信號測試；驗證一些關鍵技術（比如銣原子鐘、氫原子鐘）；軌道環境特征測試；并行2或3通道信號傳輸測試。中歐導航系統之爭“伽利略”衛星導航系統目前已陷入困境，不僅經費難以為繼，連頻率也被“北斗二代”優先占用。

中國的“北斗”衛星依照“誰先用誰先得”的原則，已使用了原本“伽利略”系統計劃使用的頻率。“伽利略”計劃排擠中國自己反被排擠

36中歐衛星導航系統頻率爭奪歷程蜜月期（2003年-2004年）中歐優勢互補反對單極世界轉折期（2005年-2007年）歐洲政治轉向聯美排擠中國競爭期（2008年-2009年）“北斗”橫空出世技壓“歐系”衛星371.3.4北斗衛星導航系統我國自行研制的兩顆北斗導航試驗衛星分別于2000年10月31日和12月20日從西昌衛星發射中心升空并準確進入預定的地球同步軌道（東經80o和140o的赤道上空）另一顆備用衛星也被送入預定軌道（東經110.5o的赤道上空），標志著我國擁有了自己的第一代衛星導航系統——BD–1。北斗1代衛星導航系統組成圖P32“北斗衛星導航系統”系統是由空間衛星、地面控制中心站和北斗用戶終端三部分構成。空間部分包括兩顆地球同步軌道衛星（GEO）組成。衛星上帶有信號轉發裝置，完成地面控制中心站和用戶終端之間的雙向無線電信號的中繼任務。定位原理“北斗一號”衛星定位系出用戶到第一顆衛星的距離，以及用戶到兩顆衛星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛星為球心的一個球面，和以兩顆衛星為焦點的橢球面之間的交線上。另外中心控制系統從存儲在計算機內的數字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶處于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統可最終計算出用戶所在點的三維坐標，這個坐標經加密由出站信號發送給用戶。工作流程北斗衛星的工作流程如圖所示，地面控制中心向衛星I和衛星II同時發送詢問信號，經衛星轉發器向服務區內的用戶廣播。用戶響應其中一顆衛星的詢問信號，并同時向兩顆衛星發送響應信號，經衛星轉發回中心控制系統。中心控制系統接收并解調用戶發來的信號，然后根據用戶申請的服務內容進行相應的數據處理。工作流程圖工作流程對定位申請，中心控制系統測出兩個時間延遲：一是從中心控制系統發出詢問信號，經某一顆衛星轉發到達用戶，用戶發出定位響應信號，經同一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲；二是從中心控制系統發出詢問信號，經上述同一衛星到達用戶，用戶發出響應信號，經另一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲。由于中心控制系統和兩顆衛星的位置均是已知的，可以由上述兩個延遲量計算出用戶到第一顆衛星的距離，以及用戶到兩顆衛星距離之和。時間延遲示意圖用戶終端分為定位通信終端集團用戶管理站終端差分終端校時終端等與其它衛星導航系統比較與GPS系統不同，所有用戶終端位置的計算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗終端用戶機的位置及時間信息。同時，地面控制中心站還負責整個系統的監控管理。與GPS、GLONASS、Galileo等國外的衛星導航系統相比，BD–1有自己的優點。如投資少，組建快；具有通信功能；捕獲信號快等。但也存在著明顯的不足和差距，如用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數量受限制；用戶的設備體積大、重量重、能耗大等。BD–2為了使我國的衛星導航定位系統的性能有實質性的提高，中央已決定研制組建第二代北斗衛星導航定位系統（BD–2）。從導航體制、測距方法、衛星星座、信號結構及接收機等方面進行全面改進。衛星星座計劃由GEO衛星，IGSO衛星和MEO衛星組成。中國航天部門于2006年年底公布了“北斗”系統的未來藍圖。據信，預計在“十一五”期間全面啟動的第二期工程，整個系統的主要技術參數將有全面提高。尤其是在戰時生存能力方面，此項工作將成為”十一五”期間的一項重要工作。1.4美國的GPS政策及各國的應對措施SPS與PPSSPS–標準定位服務使用C/A碼，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS時間=340nsPPS–精密定位服務可使用P碼，軍用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS時間=200ns1.4.1美國政府的GPS政策SA技術（1990.3.25~2000.5.1）SelectiveAvailability–選擇可用性人為降低普通用戶的測量精度。方法:ε技術：降低星歷精度（加入隨機變化）δ技術：衛星鐘加高頻抖動 （短周期，快變化）AS技術（1994.1.31~至今）Anti-Spoofing–反電子欺騙P碼加密，P+WY1.4.2應對GPS限制政策的措施改進GPS精密定位方法及軟件，削弱SA和AS技術的影響我國已建立中國的GPS廣域差分系統，可以使受SA干擾的GPS民用碼接收機的定位精度由百米級修正到數米級，可以更好的促進GPS在民間的利用。建立獨立的GPS衛星測軌系統使用能同時接受GPS和GLONASS信號的接收機建立獨立的衛星導航定位系統1.5我國的國家GPS控制網我國A級和B級GPS大地控制網分別于1996年和1997年完成意義：①改善和加強了我國傳統天文大地網（克服傳統天文大地網精度不均勻、系統誤差大的缺點）；②建立起了地心參考框架和我國國家大地坐標系的轉換關系；③提高我國大地水準面的精度。任務二：GPS系統概述

1-2-1GPS系統組成1-2-2GPS衛星運行及其軌道1-2-3GPS衛星星歷及衛星位置的計算1-2-4GPS衛星信號及信號接收機1-2-1GPS系統的組成GPS定位系統的三大部分：空間星座部分——GPS衛星星座

地面監控部分——地面監控系統

用戶部分——GPS接收機和用戶1.1空間星座部分GPS空間星座的組成：GPS衛星星座24顆衛星（21顆工作衛星+3顆在軌備用衛星）；6個軌道面；軌道平均高度20200km（衛星距離地球表面高度）；軌道傾角55°，各軌道面之間相距60°；軌道周期約為12恒星時（11小時58分）；位于地平線以上衛星顆數4-11顆。GPS衛星編號方式按衛星發射的先后順序編號；根據GPS衛星所采用的偽隨機噪聲碼PRN編號；根據美國和加拿大聯合組成的北美空軍指揮部給定的內部距離操作碼IRON編號；根據美國航空航天局在其序列文件中編的NASA編號；根據衛星發射年代與該年代中的發射序列編的識別號。編號用于導航定位識別碼用于供用戶查詢衛星有關數據衛星空間布局GPS衛星的空間布局和運行速度決定了地面觀測者具備下列觀測條件：（1）同一衛星每天可提前四分鐘出現，其在地平線以上的可見運行時間為五小時。（2）由于觀測者所處的位置和時間的不同，可同時觀測的衛星個數也各異，但最少能觀測到4顆衛星，最多可觀測到11顆。（3）GPS定位精度與被觀測衛星的位置分布有關。對于只能觀測到4顆衛星的情況，因在這一時間段內別無選擇，其定位精度一般較差，這個短暫的時間段稱為“時間間隙段”。在時間間隙段內須用新型的GPS/GLONASS集成式接收機同時接收GPS信號和GLONASS信號才能消除“間隙段”的影響。“間隙段”僅出現在極少數地區，而廣大范圍內不會出現這種情況。工作衛星之所以采用二萬公里高近于圓形的軌道，一方面是為了增大覆蓋面積，另一方面是為了使覆蓋均勻，從而達到信號強度均勻、接收時間也均勻的目的。

GPS衛星的主要作用：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他信號；接收地面主控站通過注入站發送到衛星的調度命令，修正其在軌運行偏差及啟用備用時鐘等；用L波段兩個無線載波(19cm波段和20cm波段)連續不斷的向廣大用戶發送導航定位信息，并用導航電文的形式提供衛星自身的現勢位置與其他在軌衛星的概略位置，以便用戶接收使用。57GPS衛星主要設備太陽能電池板原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘）信號生成與發射裝置類型

試驗衛星：BlockⅠ工作衛星：BlockⅡBlockⅡ：存儲星歷能力為14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）：衛星間可相互通訊，存儲星歷能力為180天，SV35和SV36帶有激光反射棱鏡BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：衛星間可相互跟蹤相互通訊BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS衛星,增設第三民用頻率

改善衛星BlockⅢ（計劃在2014年要發射

）58GPS衛星改進GPS衛星（試驗衛星）60BlockⅠ衛星BlockⅠ試驗衛星也稱原型衛星，衛星重774KG，設計壽命為5年。GPS衛星（工作衛星BLOCKⅡ,BLOCKⅡA,BLOCKⅡR,BLOCKⅡF）61BlockⅡ衛星BLOCKⅡ衛星重約1.5T，設計壽命為7.5年，平均使用時間預期為6年。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)五個監測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)地面監控站的分布組成1.2地面監控部分一個主控站：科羅拉多?斯必靈司（ColoradoSprings）三個注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個監測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷（Hawaii)主控站主控站設在美國本土科羅拉多州斯平土（ColoradoSprings）作用：收集數據：收集各監測站監測獲得的偽距和積分多普勒觀測值、衛星時鐘和工作狀態數據、氣象、監測站自身狀態以及參考星歷等數據。數據處理：根據收集的數據計算各衛星的星歷、衛星狀態、時鐘改正、大氣傳播改正等，將這些數據按一定格式編制成導航電文，并將導航電文傳送給注入站。監測與協調：一是承擔控制和協調各監測站和注入站的工作；二是監測整個地面監控系統是否正常，檢查注入衛星的電文是否正確，監控衛星是否按預定狀態將電文發送給用戶。調度衛星：修正衛星的運行軌道，調用備用衛星去接替失效衛星的工作。監控站監控站設備：一臺雙頻接收機；一臺高精度原子鐘；一臺計算機；若干臺環境數據傳感器；監控站監控站是無人值守的數據自動采集中心，其位置經精密測定其主要作用是接收衛星信號、監測衛星的工作狀態。監控站根據其接收到的衛星擴頻信號求出相對于其原子鐘的偽距和偽距差，檢測出所測衛星的導航定位數據。利用環境傳感器測出當地的氣象數據。監控站的作用

監控站偽距導航數據氣象數據衛星狀態數據主控站測量傳送

注入站設有3.66m拋物面天線，1臺C波段發射機和一臺電子計算機。其主要作用是將主控站需傳輸給衛星的資料以既定的方式注入到衛星存儲器中，供衛星向用戶發送。

整個地面監控部分，除主控站外均無人值守。

地面監控系統的工作程序方框圖如右圖所示。監控系統工作程序

注入站地面監控系統工作流程

1.3用戶設備部分

用戶設備部分用戶接收部分的基本設備，就是GPS信號接收機，其作用是接收、跟蹤、變換和測量GPS衛星所發射的GPS信號，以達到導航和定位的目的。GPS信號接收機用戶設備數據后處理軟件GPS接收機一般包括主機、天線單元和電源。天線單元：由天線和前置放大器組成，靈敏度高，抗干擾性強。接收機主機由變頻器、信號通道、微處理器、存儲器及顯示器組成。電源:分為外接和內接電池（12V），機內還有一鋰電池。GPS接收機天線前置放大器GPS信號接收機射電部分微處理器電源部分數據存器顯示控制器供電信號信息命令數據供電，控制供電數據控制GPS接收機GPS軟件軟件部分是構成現代GPS測量系統的重要組成部分之一。一般來說，軟件包括內軟件和外軟件。內軟件是指裝在存儲器內的自測試軟件、衛星預報軟件、導航電文解碼軟件、GPS單點定位軟件或固化在中央處理器中的自動操作程序等。這類軟件已和接收機融為一體。而外軟件主要是指GPS觀測數據后處理軟件包。GPS儀器廠家目前生產GPS測量儀器的廠家有幾十家，產品有幾百種，但擁有較為成熟產品的不外乎幾家，在我國測繪市場占有份額較大的有Trimble（天寶）、Leica（萊卡）、Ashtech（阿什泰克）、Javad（Topcon）、Thales（DSNP）加拿大諾瓦太（NoVAteL）等。圖片：Trimble接收機圖片：徠卡(Leica)接收機圖片：

Ashtech、JAVAD、Thales

接收機按用途按接收機結構分類

按接收機作業模式按載波頻率

GPS分類分體式接收機、整體式接收機、手持式接收機圖片：大地型GPS接收機單頻機L1雙頻機L1+L2圖片：導航型GPS機手持型GPS機圖片：GPS與GLONASS兼容的接收機84水上測量/導航用GPS系統85個人旅游休閑及戶外運動用GPS產品86帶電子地圖的導航型GPS接收機知識點回顧GPS系統組成；GPS系統組成及基本參數；GPS衛星的作用；GPS地面監控部分的組成；地面監控系統各部分的功能。1-2-2GPS衛星運行及其軌道主要內容：

二體問題的運動方程開普勒定律衛星無攝運動的軌道參數

真近點角V的計算

衛星的受攝運動概述（一）問題的提出

①研究GPS軌道運動理論是運用GPS衛星定位的必須條件；

②描述衛星空間運行軌跡需要衛星軌道參數；

③軌道參數取決于衛星所受各種力的作用。

因此，研究衛星的受力是研究衛星運動軌跡的基礎。（二）衛星的受力：衛星受到的各種具體作用力：地球對衛星的引力日月對衛星的引力大氣阻力太陽光壓地球潮汐力等可將作用力歸納分為兩類：地球質心引力（中心引力）；地球非中心引力—攝動力（與地球質心引力相比，僅為10e-3量級）。（三）衛星的運動：二體問題--僅考慮地球質心引力的衛星運動稱為二體問題。受攝運動—考慮到攝動力的作用的衛星運動。二體運動求解衛星相對地球的位置基于萬有引力的分析解衛星相對地球的真實位置考慮攝動力的影響（四）GPS定位對軌道精度的要求：

利用GPS衛星進行定位，要求達到目10-7的相對定位精度，則要求GPS衛星定軌的精度達到2m。交付民用的廣播星歷軌道誤差為30m，對GPS基線測量的影響為1.2×10-6。對于高精度定位，必須提高衛星定軌精密。對于衛星的精密定位來說，在只考慮地球質心引力的情況下計算衛星的運動狀態是不能滿足精度要求的，必須考慮攝動力對衛星運動狀態的影響。下面通過二體問題的研究，學習衛星軌道是如何獲取的？2.1衛星的無攝運動

所謂衛星的無攝運動是將地球視作勻質球體，且不顧其他攝動力的影響，衛星只是在地區質心引力作用下二運動。研究意義：

衛星運動的第一近似描述；唯一能得到嚴密分析解的運動；全部作用下的衛星運動更精確解的基礎。2.1.1衛星的無攝運動—二體問題二體問題（無攝運動）

（1）將地球和衛星當作兩個質點在萬有引力作用下的運動稱為二體運動；（2）開普勒定律確定了衛星的運行軌道；（3）采用開普勒軌道參數（軌道根數）描述衛星軌道與地球赤道的相對位置關系及衛星的位置。yxz軌道春分點升交點近地點衛星地心赤道iv二體問題下衛星的運動方程前提：在忽略攝動力的影響因素下，衛星和地球可看成質量集中于質心的質點。研究內容：研究二個質點在萬有引力作用下的運動規律問題

依據萬有引力定律，衛星和地球之間存在相互作用力。

地球受衛星引力可由下式表示：

②根據牛頓第三定律，可得衛星受到的作用力

③根據牛頓第二定律F=ma,可得地球及衛星的運動方程：

④由上式相減，得到二體意義下衛星相對物體的運動方程：開普勒定律開普勒（JohannesKepler）國籍:

德國生卒日期:

1571.12.27－1630.11.15主要成就:

發現了行星運動三定律衛星在地球引力場中的無攝運動成為開普勒運動，其規律顆用開普勒三要素描述。

①開普勒第一定律衛星運行的軌道為一橢圓，該橢圓有固定的形狀和大小，橢圓的一個焦點與地球質心重合。此定律闡明了衛星運行軌道的基本形態及其與地心的關系。由萬有引力定律可得衛星繞地球質心運動的軌道方程。r為衛星的地心距離，a為開普勒橢圓的長半徑，e為開普勒橢圓的偏心率；v為真近點角，它描述了任意時刻衛星在軌道上相對近地點的位置，是時間的函數。abMms近地點遠地點Vr

②開普勒第二定律衛星的地心向徑在單位時間內所掃過的面積相等。

依據能量守恒定理，衛星運動過程中動能和勢能為一常量，由此表明衛星在橢圓軌道上的運行速度是不斷變化的，在近地點處速度最大，在遠地點處速度最小。近地點地心遠地點

③開普勒第三定律

衛星運行周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量，等于GM的倒數。假設衛星運動的平均角速度為n，則n=2/T，可得

當開普勒橢圓的長半徑確定后，衛星運行的平均角速度也隨之確定，且保持不變。2.1.2衛星無攝運動的軌道參數a為軌道的長半徑,e為軌道橢圓偏心率，這兩個參數確定了開普勒橢圓的形狀和大小。為升交點赤經：即地球赤道面上升交點與春分點之間的地心夾角。i為軌道面傾角：即衛星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。這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。yxz軌道春分點升交點近地點衛星地心赤道ivyxz軌道春分點升交點近地點衛星地心赤道iv為近地點角距：即在軌道平面上，升交點與近地點之間的地心夾角，表達了開普勒橢圓在軌道平面上的定向。v為衛星的真近點角：即軌道平面上衛星與近地點之間的地心角距。該參數為時間的函數，確定衛星在軌道上的瞬時位置。由上述6個參數所構成的坐標系統稱為軌道坐標系，廣泛用于描述衛星運動。真近點角V當衛星處于軌道上任一點m時，衛星的在軌位置便取決于mMP角，這個角就被稱為真近點角，以V表示。偏近點角E

若以長半軸a做輔助圓，衛星m在該輔助圓上的相應點為m″，圓弧m″P所對的圓心角稱為偏近點角，以E表示。平近點角M0按若衛星的平均角速度，則平近點角為1052.1.3真近點角V的計算m″m′m

aMrab真近點角V的計算6個開普勒軌道參數中，只有真近點角V是時間的函數，其余參數均為常數。所以確定衛星的瞬時位置的關鍵是在于確定參數V。106根據開普勒方程，偏近點角與平近點角的關系為：

已知時，可以采用迭代法按上式計算。迭代計算時先令，因偏心率僅為0.01左右，所以迭代兩次便可求得偏近點角。偏近點角E與平近點角有一下重要關系：其次，為了計算衛星的瞬時位置，還需要確定真近點角V與偏近點角之間的關系。于是將上式代入軌道方程（2.5），則得由式上可得真近點角V與偏近點角E之關系：

衛星運動的攝動力地球的非中心引力太陽的引力和月球的引力太陽的直接與間接輻射壓力太陽的阻力地球的潮汐作用磁力等2.2衛星的受攝運動在攝動力的作用下，衛星的運動稱為受攝運動，相應的衛星軌道稱為受攝軌道。衛星受到的攝動力地球引力場攝動力影響約為10-3量級，其他攝動力影響大多小于或接近于10-6量級。地球非球形引力的攝動北凸南凹的梨形地球

在地球引力場攝動力的作用下，升交點將沿地球赤道產生緩慢的運動，使升交點赤經產生周期性變化，設其變化速率為,時升交點赤經為Ω，對于任一時刻t的升交點位置表示為112

事實上，衛星的升交點還同時受到其他攝動力的影響，所以升交點赤經的變化率也不是常量。

2.2.1地球非球形引力的攝動對衛星軌道的影響

在引力場攝動力的作用下，近地點將在軌道面內轉動，使近地點角距發生緩慢變化。若取近距點角距的變率為，則任一時刻t的近距點角距為113同樣在引力場攝動力的作用下，衛星軌道平近點角也隨時間變化，任一時刻t的平近點角為若設，則對GPS衛星可得。2.2.2地球非球形引力的攝動對衛星軌道的影響引起軌道面在空間的旋轉使升交點沿地球赤道產生緩慢的移動，進而使升交點的赤經產生周期性變化。引起近地點在軌道面內旋轉使得開普勒橢圓在軌道面內定向改變，引起軌道近地點角距的緩慢變化。引起平近點角的變化日月引力又稱第三體引力不僅影響衛星的運行，而且影響地球自轉，因此，日月引力攝動應為日月引力對衛星軌道及其對地球作用之差對衛星產生的攝動加速度約為510-6m/s2太陽引力的影響，僅約為月球引力的0.46倍2.2.3日月引力的攝動太陽輻射壓力2.2.4太陽光壓的影響入射作用力發射作用力反照壓力（被地球反射的太陽光產生的壓力，為輻射壓力的1%，可忽略）太陽光壓對衛星產生的加速度，約為10-7m/s2量級地球固體潮在日月引力作用下，地球產生的如潮汐般的變形。海潮大氣潮2.2.5地球潮汐攝動力地球潮汐攝動力，對于在36000km高度的衛星（GPS衛星高度為20200km），攝動量約為110-10，故常被忽略。對低軌道衛星影響較大對于GPS衛星（高度為20200km）的影響可忽略2.2.6大氣阻力攝動力對衛星的影響地球的實際運動受到攝動力作用的影響，結果是開普勒軌參數不再是常數而成為時間的函數。1、地球形狀不規則，質量分布不均勻的影響：衛星的運動軌道并不在一個平面上，而是在空間劃出一條螺旋狀曲線；2、日月引力影響：日月引力影響對衛星軌道的影響是長周期的，主要影響來自月球，太陽的影響力大略是月球的46％，在3h的軌道弧段上，大略會造成50－150m的位置誤差；3、太陽光壓的影響：太陽光壓的影響大略會使衛星在在3h的軌道弧段上，產生5－10m的位置誤差；4、其他攝動力影響：大氣的攝動影響、固體潮及海洋潮汐的影響對于一般的GPS用戶，可以忽略不計。120知識點回顧衛星運動軌道基本參數真近點角的計算1-2-3GPS衛星星歷及衛星位置計算GPS衛星星歷GPS衛星在軌道平面內位置的計算3.1

GPS衛星星歷衛星星歷是描述衛星運動軌道的信息。衛星星歷描述某一時刻的衛星運動軌道參數及其變率。根據衛星星歷，可以計算出任一時刻的衛星位置及其速度。精確的軌道信息是得到衛星瞬時位置的必要條件，也是精密定位的基礎。123GPS衛星星歷GPS衛星星歷可以分為：預報星歷（廣播星歷，broadcastephemeris）；后處理星歷（精密星歷，preciseephemeris）。1243.1.1預報星歷預報星歷，通過衛星發射的、含有軌道信息的導航電文傳遞給用戶,用戶使用接收機接收到信號后，經過解碼便可獲得所需要的衛星星歷。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項改正參數。125參考歷元的衛星開普勒軌道參數稱為參考星歷（或密切軌道參數），是根據GPS監測站約1周的監測資料推算的。參考星歷只代表衛星在參考歷元的瞬時軌道參數。在攝動力的影響下，衛星的實際軌道將偏離其參考軌道。偏離的程度主要取決于:觀測歷元與所選參考歷元間的時間差。一般來說，如果用軌道參數的攝動項對已知的衛星參考星歷加以改正，可以外推出任意觀測歷元的衛星星歷。如果觀測歷元與所選參考歷元間的時間差很大（外推時間較長），為了保障外推軌道參數具有必要的精度，就必須采用更嚴密的攝動力模型和考慮更多的攝動因素，由此帶來了建立更嚴格攝動力模型的困難，因而可能降低預報軌道參數的精度。只要保證外推時間間隔不太長，可以保證衛星預報星歷的精度。為了保證衛星預報星歷的必要精度，一般采用限制預報星歷外推時間間隔的方法。衛星導航電文的獲取是通過地面的監控站時刻觀測衛星的運行軌道、主控站每天更新衛星的參考星歷、注入站每天向衛星注入新的參考星歷。GPS跟蹤站每天利用觀測資料，更新用以確定衛星參考星歷的數據，計算每天衛星軌道參數的更新值，每天按時將其注入相應的衛星并存儲。據此GPS衛星發播的廣播星歷每小時更新一次。128如果將計算參考星歷的參考歷元toe選在兩次更新星歷的中央時刻，則外推時間間隔最大不會超過0.5小時，從而可以在采用同樣攝動力模型的情況下，有效地保持外推軌道參數的精度。預報星歷的精度，目前一般估計為20-40m。

由于預報星歷每小時更新一次，在數據更新前后，各表達式之間將會產生小的跳躍，其值可達數分米，一般可利用適當的擬合技術（如切比雪夫多項式）予以平滑。GPS用戶通過衛星廣播星歷可以獲得的有關衛星星歷參數共17個，其中包括:2個參考時刻;6個相應參考時刻的開普勒軌道參數;9個反映攝動力影響的參數。3.1.2GPS衛星的后處理星歷后處理星歷預報星歷包含外推誤差，且由于SA技術的影響，廣播星歷的精度被人為降低，其精度不能滿足某些需要精密定位服務的用戶要求。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，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精密衛星星歷，精度可達米級，以后將達到分米級。131后處理星歷是一些國家的某些部門根據各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測資料，應用與確定預報星歷相似的方法，計算的衛星星歷。這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀測時的衛星精密軌道信息，因此稱后處理星歷或精密星歷。該星歷的精度目前可達分米。后處理星歷不是通過衛星廣播的。需要通過無線電、網絡等通信方式向用戶傳遞。是有償服務。1323.2GPS衛星位置的計算

-根據廣播星歷計算衛星位置計算思路首先計算衛星在軌道平面坐標系下的坐標然后將上述坐標分別繞X軸旋轉-i角、繞Z軸旋轉-k角，求出衛星在地心系下的坐標軌道平面坐標系軌道參數衛星在其軌道平面內的位置計算

計算真近點角Vk計算衛星運行的平均角速度n計算歸化時間tk計算升交距角u0計算經過攝動改正的升交距角、衛星的地心距離及軌道傾角計算衛星的軌道平面直角坐標計算軌道平面1：計算衛星運行的平均角速度n

計算過程計算衛星運行的平均角速度

〉GPS系統及其信號>GPS衛星在軌位置的計算軌道平面2：計算歸化時刻tk

〉GPS系統及其信號>GPS衛星在軌位置的計算軌道平面3：計算觀測時刻的平近點角Mk

4：計算偏近點角Ek

5：衛星向徑r0計算t時刻衛星的平近點角計算偏近點角計算衛星向徑（未加攝動改正）

〉GPS系統及其信號>GPS衛星在軌位置的計算軌道平面6：計算計算衛星真近點角Vk、升交點角距u07：計算攝動改正項δu、δr、δi

計算真近點角計算升交距角計算攝動改正項MωVkrk衛星k軌道平面9：計算經過攝動改正的升交距角Uk

、衛星的地心距離rk和軌道傾角ik

10：計算衛星在軌道平面上的位置進行攝動改正計算衛星在軌道平面坐標系中的位置衛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經度ΩK計算衛星在地心空間直角坐標系中的坐標

計算地心坐標1：計算觀測時刻的升交點經度k觀測時刻的升交點經度k為該時刻升交點赤經（春分點和升交點間角距）與格林尼治恒星時GAST（春分點和格林尼治起始子午線間角距）之差，即：k=-GAST觀測時刻t時的升交點赤經：=oe-（t-

toe）

由電文中可求式中，

oe

為toe的升交點赤經；為變率；電文中每小時更新一次toe和

〉GPS系統及其信號>GPS衛星在軌位置的計算地心坐標2：計算觀測時刻的升交點經度k

〉GPS系統及其信號>GPS衛星在軌位置的計算

GAST隨地球自轉而增加，其增值速率為地球自轉速率，設一個星期開始時刻的格林尼治恒星時為GAST，則導航電文給我們提供的不是時的升交點赤經，而是始于格林尼治起始子午線到升交點的準經度，它們之間的關系是將式（2.30）、（2.31）、（2.32）一并代入式（2.29），則得升交點的經度為：

計算衛星在地心空間直角坐標系中的坐標

由式（2.28）可求出衛星在其軌道平面直角坐標系中的坐標，在該坐標系統中衛星的空間位置可表示為：

此時軸過地心指向軌道平面的垂直方向。地心坐標3：衛星在地心坐標系中的位置地心坐標3：衛星在地心坐標系中的位置續

〉GPS系統及其信號>GPS衛星在軌位置的計算

根據衛星在軌道平面上的直角坐標->地心坐標系：

沿地心—升交點軸旋轉i角，使軌道平面與赤道平面重合。沿Z軸旋轉k角，使升交點與格林尼治子午線重合。這樣，便得到衛星在地心坐標系中的直角坐標（X、Y、Z）。其數學表達式如：1-2-4GPS衛星信號及信號接收機GPS信號的內容、結構GPS測距碼GPS的導航電文GPS信號接收機4.1GPS衛星信號的內容、結構GPS衛星信號是GPS衛星向廣大用戶發送的用于導航定位的調制波。GPS衛星發射的信號包含：載波信號、測距碼、導航電文。4.1.1載波信號

可運載調制信號的高頻震蕩波為載波GPS發射位于L波段的兩種頻率的載波信號：L1載波：fL1=154×f0=1575.42MHZ，波長λ1=19.032cm；L2載波：fL2=120×f0=1227.6MHZ，波長λ2=24.42cm；GPS衛星信號的調制將頻率較低的信號加載在頻率較高的載波上的過程稱為調制被加載的頻率較低的信號稱為調制信號GPS衛星的L1和L2載波上攜帶測距信號和導航電文GPS衛星的測距碼和導航電文是采用調相技術調制到載波上的，由于偽隨機碼只有“1”和“0”兩種狀態。當碼值取0時，對應的碼狀態為＋1，而碼值取1時，對應的碼狀態為－1。在載波和相應的碼狀態相乘后便實現了載波的調制，此時碼信號被加載到載波上，經過播發可供用戶接收。

當碼的波型為”1”時，與載波相乘，不會改變載波的相位；當碼的波型為”-1”時，與載波相乘，載波相位改變180度。當碼值(調制信號)從1變成0，或從0變成1時，將使載波相位改變180度。調制以后的衛星信號經由衛發射天線向用戶播發。載波信號的作用：攜帶測距信號和導航電文傳送給用戶；在載波相位測量中用作測距信號（其測距精度比偽距測量的精度高2~3數量級）；精確測定多普勒頻移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延遲影響（電離層折射延遲與信號的頻率有關）選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層延遲作用測距性質為偽隨機噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）特點確定的編碼規則可復制性周期性自相關性4.1.2測距碼產生若干多級反饋移位寄存器所產生的m序列經復雜處理后形成包含C/A碼、P（Y）碼測量原理隨機碼序列與復制的隨機碼序列通過平移碼元素，相應碼元素相互對其不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數為0或1/n（n為碼元數）對齊的同一組碼間的相關系數為1有關碼的基本概念表達不同信息的二進制數（“0”和“1”）及其組合，稱為碼在二進制中，一位二進制數稱為一個碼元或比特（bit，被取為碼的度量單位）將各種信息，如聲音、文字和圖像等，按某種預定的規則，表示為二進制數的組合形式，這個過程稱為編碼例如：兩位二進制數的不同組合11,10,01,00，這些組合形式被稱為碼，其中每個碼含有兩個碼元

偽隨機噪聲碼又叫偽隨機碼或者偽噪聲碼，簡稱：PRN，是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。他不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相關特性，而且具有某種確定的編碼規則。具有周期性、易被復制等特性。GPS信號中使用了偽隨機碼技術，識別和分離各顆衛星信號，并提供無模糊度的測距數據。偽隨機噪聲碼的產生方式很多。GPS技術采用m序列，即產生于最長線性反饋移位寄存器。4.2GPS衛星信號偽隨機噪聲碼偽隨機碼的產生--M序列線性反饋移位寄存器M序列的特性:1.均衡性：一周中1與0基本相等。1比0多1個。不允許全0。2.游程分布：相同碼元連在一起為一游程。左圖4級M序列為8個游程：長度為1的4個，長度為2的2個，長度為3的1個，長度4的1個。3.移位相加特性：一個M序列與其移位后另一M序列相加仍是M序列。4級M序列的周期m=154.自相關特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m5.偽噪聲特性：M序列為偽隨機碼或人工復制噪聲碼。a3a2a1a0初始10001100111011110111…………4級M序列的產生方框圖輸出M序列:000111101011001輸出m序列偽隨機噪聲碼的自相關特性對齊時：000111101011001未對齊時：000111101011001000111101011001100011110101100A=15,D=0,R=（A-D）/m=1A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15

每顆衛星都發射一系列無線電信號(基準頻率?)

兩種載波(L1和L2)

兩種碼信號(C/A碼和P碼)

一組導航電文(信息碼，D碼)GPS衛星導航電文是用戶用來定位和導航的數據基礎。主要包括：衛星星歷時鐘改正衛星工作狀態信息電離層延遲修正參數這些信息按照一定的數據幀格式播發給用戶，成為數據碼（D碼）。4.1.3GPS導航電文導航信息被調制在L1載波上發送，頻率為50HZ用戶利用導航信息計算某一時刻衛星在軌道上的位置，因此導航信息也被稱為廣播星歷導航電文亦是二進制數碼，依規定的格式組成，按幀向外播送，每幀電文的長度為1500bit，播送速率為50bit/s。導航電文的組成每25幀構成一個主幀25顆衛星的星歷4.2.1C/A碼定義粗捕獲碼，即用于進行粗略測距和捕獲精碼的測距碼屬于偽隨機噪聲碼（PRN碼）頻率C/A碼頻率f1=1/10×f0=1.023MHZ，僅被調制在L1載波上特征公開明碼、民用、測距精度±（2~3）m4.2GPS測距碼C/A碼特征：C/A碼是由兩個10級反饋移位寄存器相組合而產生碼長Nu=210-1=1023比特碼元寬tu=1/f1≈0.977752μs

空間失距=293.1m（碼元寬與C的乘積）

周期Tu=Nutu=1ms

數碼率=1.023Mbit/sC/A碼特性易于捕獲C/A碼碼長較短(周期小于1ms)，對C/A碼進行逐個搜索，用時短，易于捕獲；通過捕獲的C/A碼得到的GPS衛星導航信息，又可方便的捕獲P碼，因此C/A碼被通稱為捕獲碼測距誤差大C/A碼的碼元寬度和空間矢距較大，若兩序列的碼元對其誤差為碼元寬度的1/10~1/100，則對應的測距誤差可達2.9~29.3m；

由于C/A碼的測距精度低，因此也被稱為粗捕獲碼4.2.2P碼定義精碼，即用于精確測定從GPS衛星至接收機距離的測距碼屬于偽隨機噪聲碼（PRN碼）頻率C/A碼頻率f1=f0=10.23MHZ，被調制在L1和L2載波上特征保密Y碼、軍用、測距精度高P碼特征：碼長Nu≈2.35*1014比特碼元寬度tu≈0.0977752μs

空間失距=29.3m

周期Tu=Nutu≈267d

數碼率=10.23Mbit/sP碼特性常規方法不易捕獲，需借助于C/A碼信息P碼碼長較長(周期小于1ms)，對P碼進行逐個搜索，用時長，不易捕獲；通過捕獲的C/A碼得到的GPS衛星導航信息，可方便的捕獲P碼。測距精度高C/A碼的碼元寬度較C/A碼小，空間矢距較大，若兩序列的碼元對其誤差為碼元寬度的1/10~1/100，則對應的測距誤差可達0.293~2.93m；P碼的測距誤差僅為C/A碼的1/10。C/A碼和P碼主要特征指標特征指標C/A碼P碼產生物理單元10級反饋移位寄存器12級反饋移位寄存器碼長Nu=2r-11023bit2.35×1014bit頻率f0.1f0（1.023MHz）f0（10.23MHz）碼寬tu=1/f0.97752μs0.097752μs周期=Nu×tu1ms267d碼寬等效距離λ=c×tu293.1m29.3m測距誤差(1/10-1/100碼寬)29.3-2.9m2.93-0.29m特征粗碼、開放、二值精碼、保密、二值4.2.3L2C碼L2C碼稱為城市碼，被調制在L2載波上；包括2個PRN碼，CM碼和CL碼；L2C碼可以提供高質量（低相噪、高靈敏度）的數據來進行導航定位；增設L2C碼可以用于解決C/A碼只調制在L1載波，無法精確消除電離層延遲的問題。4.2.4GPS信號的傳播擴頻：將原擬發送的幾十比特的速率的電文變換成發送幾兆甚至上十兆比特速率的由電文和偽隨機噪聲碼組成的組合。GPS采用信號擴頻調制，把窄帶信號擴展到一個很寬的頻帶上發出。高斯白噪聲干擾下，通信系統信息容量為：由上述公式可以得出：在信息容量一定時，增大頻帶寬度B,可以減少信噪比S/N。信噪比，即SNR（SignaltoNoiseRatio）又稱為訊噪比，狹義來講是指放大器的輸出信號的電壓與同時輸出的噪聲電壓的比，常常用分貝數表示。信噪比越大表示輸出信息越大，噪聲越小。一組不包含我們想要的有用信息的量稱為噪聲擴頻技術的作用省電（解決發射功率問題）保密（信噪比低，不易被捕獲）有抗干擾作用4.3GPS導航電文第一數據塊第二數據塊第三數據塊4.3.1遙測碼（telemetryword,TLW）遙測碼位于每個子幀的開頭，用于表明衛星注入數據的狀態。第1～8bit是同步碼（10001001），為各子幀編碼脈沖提供一個同步起點。第9～22bit是遙測電文，包括地面監控系統注入數據時的狀態信息、診斷信息等。第22、24bit是連接碼。第25～30bit是奇偶校驗碼。奇偶校驗碼一個字碼（30bit）包含6bit奇偶校驗碼。每一個bit的奇偶校驗碼對應前面24bit的數據碼。例如：111001011101000110111010101110數據碼文校驗碼文1110101010110110001110111101004.3.2轉換碼（handoverword,HOW）轉換碼位于每個子幀的第二個子碼。作用：提供用戶從捕獲的C/A碼轉換到捕獲P碼的Z計數。Z計數位于轉換碼的第1～17bit，從每周六/周日零時起算的時間計數。通過Z計數，可以知道觀測瞬間在P碼周期中所處的準確位置，以便迅速捕獲P碼。轉換碼的第25～30bit為奇偶校驗碼。4.3.3第一數據塊第一數據塊位于第1子幀的第3～10字碼。主要包括標識碼、時延差改正、星期序號、衛星的健康狀況、數據齡期及衛星時鐘改正系數等。時延差改正Tgd電離層會使GPS在L1、L2上的信號發生時延。Tgd改正觀測結果，提高定位精度。數據齡期AODC數據齡期是時鐘改正數的外推時間間隔，表明衛星時鐘改正數的置信度。AODC=t0c-tt其中t0c是第一數據塊的參考時刻，tt是計算時鐘改正參數所用數據的最后觀測時刻。星期序號WNWN是從1980年1月6日子夜零時（UTC）起算的星期數，是GPS星期數。衛星時鐘改正GPS時間系統以地面主控站的原子鐘為基準。GPS時間和UTC時間存在差值，導航電文把差值播發給廣大用戶。4.3.4第二數據塊導航電文的第2和第3子幀組成第二數據塊，內容為GPS衛星星歷。內容包括：開普勒軌道6參數；軌道攝動9參數；時間參數。GPS衛星軌道參數4.3.5第三數據塊第三數據塊包括4、5兩個子幀，內容包括了所有GPS衛星的歷書數據。當接收機捕獲到某顆GPS衛星信號后，根據第三數據塊提供的其它衛星的概略星歷、時鐘改正、衛星工作狀態等數據，用戶可以選擇工作正常、位置適當的衛星，并較快地捕獲到所選擇的衛星。GPS衛星信號的構成作業1、試標出GPS衛星無攝運動軌道參數，并概述各參數的概念或含義2、GPS系統由哪幾部分組成，簡述各部分作用1-2-4GPS衛星信號及信號接收機GPS信號的內容、結構GPS測距碼GPS的導航電文GPS信號接收機4.1GPS衛星信號的內容、結構GPS衛星信號是GPS衛星向廣大用戶發送的用于導航定位的調制波。GPS衛星發射的信號包含：載波信號、測距碼、導航電文。4.1.1載波信號

可運載調制信號的高頻震蕩波為載波GPS發射位于L波段的兩種頻率的載波信號：L1載波：fL1=154×f0=1575.42MHZ，波長λ1=19.032cm；L2載波：fL2=120×f0=1227.6MHZ，波長λ2=24.42cm；GPS衛星信號的調制將頻率較低的信號加載在頻率較高的載波上的過程稱為調制被加載的頻率較低的信號稱為調制信號GPS衛星的L1和L2載波上攜帶測距信號和導航電文GPS衛星的測距碼和導航電文是采用調相技術調制到載波上的，由于偽隨機碼只有“1”和“0”兩種狀態。當碼值取0時，對應的碼狀態為＋1，而碼值取1時，對應的碼狀態為－1。在載波和相應的碼狀態相乘后便實現了載波的調制，此時碼信號被加載到載波上，經過播發可供用戶接收。

當碼的波型為”1”時，與載波相乘，不會改變載波的相位；當碼的波型為”-1”時，與載波相乘，載波相位改變180度。當碼值(調制信號)從1變成0，或從0變成1時，將使載波相位改變180度。調制以后的衛星信號經由衛發射天線向用戶播發。載波信號的作用：攜帶測距信號和導航電文傳送給用戶；在載波相位測量中用作測距信號（其測距精度比偽距測量的精度高2~3數量級）；精確測定多普勒頻移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延遲影響（電離層折射延遲與信號的頻率有關）選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層延遲作用測距性質為偽隨機噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）特點確定的編碼規則可復制性周期性自相關性4.1.2測距碼產生若干多級反饋移位寄存器所產生的m序列經復雜處理后形成包含C/A碼、P（Y）碼測量原理隨機碼序列與復制的隨機碼序列通過平移碼元素，相應碼元素相互對其不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數為0或1/n（n為碼元數）對齊的同一組碼間的相關系數為1有關碼的基本概念表達不同信息的二進制數（“0”和“1”）及其組合，稱為碼在二進制中，一位二進制數稱為一個碼元或比特（bit，被取為碼的度量單位）將各種信息，如聲音、文字和圖像等，按某種預定的規則，表示為二進制數的組合形式，這個過程稱為編碼例如：兩位二進制數的不同組合11,10,01,00，這些組合形式被稱為碼，其中每個碼含有兩個碼元

偽隨機噪聲碼又叫偽隨機碼或者偽噪聲碼，簡稱：PRN，是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。他不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相關特性，而且具有某種確定的編碼規則。具有周期性、易被復制等特性。GPS信號中使用了偽隨機碼技術，識別和分離各顆衛星信號，并提供無模糊度的測距數據。偽隨機噪聲碼的產生方式很多。GPS技術采用m序列，即產生于最長線性反饋移位寄存器。4.2GPS衛星信號偽隨機噪聲碼偽隨機碼的產生--M序列線性反饋移位寄存器M序列的特性:1.均衡性：一周中1與0基本相等。1比0多1個。不允許全0。2.游程分布：相同碼元連在一起為一游程。左圖4級M序列為8個游程：長度為1的4個，長度為2的2個，長度為3的1個，長度4的1個。3.移位相加特性：一個M序列與其移位后另一M序列相加仍是M序列。4級M序列的周期m=154.自相關特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m5.偽噪聲特性：M序列為偽隨機碼或人工復制噪聲碼。a3a2a1a0初始10001100111011110