衛星定位原理與應用第四章第一頁，共25頁。4.2GPS衛星信號4.2.1概述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。包括：載波信號測距嗎（C/A碼，P碼）數據碼（衛星電文）第二頁，共25頁。4.2.1概述注：GPS衛星信號的產生、構成與復制，涉及到現代數字通信理論和技術方面的復雜問題，對于我們來說，可以不去深入研究，但要了解基本概念，有利于理解GPS的定位原理。第三頁，共25頁。4.2.1概述載波作用搭載其它調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現代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm第四頁，共25頁。4.2.1概述載波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）第五頁，共25頁。4.2.1概述補充：碼的概念及特點在現代數字通信中，廣泛使用二進制數（0和1）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一比特。比特為碼和信息量的度量單位。如果將各種信息例如聲音、圖象和文字等通過量化，并按某種預定規則，表示成二進制數的組合形式，則這一過程稱為編碼。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bit/s。第六頁，共25頁。4.2.1概述碼及碼的特點（1）二進制數與碼碼：用以表示各種不同信息的二進制數及其組合比特：一個二進制數數碼率：在數字化信息傳輸中的每秒鐘傳輸的比特數（2）隨機噪聲碼隨機噪聲碼：碼元的出現無規律，不能復制第七頁，共25頁。測距碼作用測距性質為偽隨機噪聲碼（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14.2.1概述第八頁，共25頁。4.2.1概述類型目前C/A碼（Coarse/AcquisitionCode）–粗碼/捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數：1023；碼元寬度：293.05m；僅被調制在L1上P（Y）碼（PreciseCode）–精碼；碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數：60；碼元寬度：29.30m；被調制在L1和L2上現代化后在L2上調制C/A碼在L1和L2增加調制M碼第九頁，共25頁。4.2.1概述調制：為有效傳播信息，將頻率較低的信號加載到頻率較高的載波上，這個過程即為調制。然后，載波攜帶有用信號傳送出去，到達用戶接收機。碼值為0，相應的碼狀態為+1；碼值為1，相應的碼狀態為-1；載波與相應碼狀態的相乘便可實現載波的調制。第十頁，共25頁。4.2.2偽隨機噪聲碼的產生和特征補充：模二和（模二相加）運算規則二進制信號：“1”表示二進制“0”，“-1”表示二進制“1”，則第十一頁，共25頁。4.2.2偽隨機噪聲碼的產生和特征補充：隨機噪聲碼碼：二進制的數據序列可表達為0和1的幅度的時間函數。設一組碼序列u（t），碼元0，1完全隨機，而概率為1/2。這種碼元幅度的取值完全無規律的碼序列，稱為隨機序列碼（隨機噪聲碼）。第十二頁，共25頁。4.2.2偽隨機噪聲碼的產生和特征隨機噪聲碼：非周期性序列，無法復制。自相關性自相關系數：R(t)=(A-B)/(A+B)其中，A為m序列與其j次移位序列一個周期中對應元素相同的數目;B為m序列與其j次移位序列一個周期中對應元素不相同的數目。當平移碼元數j=0時，即B=0，R(t)=1；當平移碼元數j不為0時，若j趨向于無窮，則A約為B，R(t)約為0.第十三頁，共25頁。4.2.2偽隨機噪聲碼的產生和特征對于GPS信號，衛星發射的是一個隨機噪聲碼序列u(t)，由于傳播時間的延遲，使得接收到的u’(t)與u(t)間平移，即相應的碼元錯開了，因此R(t)約為0；若通過時間延遲器來調整u’(t)，使之與u(t)的碼元相互完全對齊，即使得R(t)=1，那么就可以從GPS接收機時間延遲器中，測出衛星到接收機的準確傳播時間，從而可準確確定P。然而，u(t)為非周期的，不服從任何編碼規則，實際上無法復制和利用，所以引入偽隨機噪聲碼。第十四頁，共25頁。4.2.2偽隨機噪聲碼的產生和特征移位寄存器以四級反饋移位寄存器為例：假設初始狀態為（a3,a2,a1,a0）=(1,0,0,0),每次移位時a3和a0模二相加，輸出端會產生一個隨機碼：1001思考題？第十五頁，共25頁。C/A碼C/A碼是由兩個10級反饋移位寄存器相組合而產生的.ShandongUniversityofscienceandtechnology第十六頁，共25頁。4.3GPS衛星位置的計算-根據廣播星歷計算衛星位置①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，求出衛星在地固系下的坐標軌道平面坐標系軌道參數第十七頁，共25頁。第十八頁，共25頁。4.3GPS衛星位置的計算-根據廣播星歷計算衛星位置③計算過程計算衛星運行的平均角速度計算t時刻衛星的平近點角計算偏近點角第十九頁，共25頁。4.3GPS衛星位置的計算-根據廣播星歷計算衛星位置④計算過程（續）計算真近點角計算升交距角（未經改正的）計算衛星向徑第二十頁，共25頁。4.3GPS衛星位置的計算-根據廣播星歷計算衛星位置⑤計算過程（續）計算攝動改正項進行攝動改正計算衛星在軌道平面坐標系中的位置第二十一頁，共25頁。4.3GPS衛星位置的計算-根據廣播星歷計算衛星位置⑥計算過程（續）計算升交點經度計算衛星在地固坐標系下的坐標第二十二頁，共25頁。精密星歷 按一定時間間隔給出衛星在地固坐標系下的三維位置、三維速度和鐘差*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918