测量原理与应用第四章.pptx
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1、每一子帧都是以一个遥测码每一子帧都是以一个遥测码(TLM)和一个转换和一个转换码码(HOW)开始。开始。如图如图,第一个字码主要是遥测,第一个字码主要是遥测码,其中第码,其中第18比特是同步码,作为识别电文比特是同步码,作为识别电文内容的序文;其余主要是供监测站使用的信息。内容的序文;其余主要是供监测站使用的信息。第二个字码为转换码,完成由第二个字码为转换码,完成由CA码至码至P码的码的转换,转换的作用是帮助用户从捕获的转换,转换的作用是帮助用户从捕获的CA码码转换到对转换到对P码的捕获;并以同步进行锁定。其码的捕获;并以同步进行锁定。其它第三到第十个字码部分为数据块和电文块,它第三到第十个字
2、码部分为数据块和电文块,第一子帧内为数据块第一子帧内为数据块I,第二、三子帧为数据块,第二、三子帧为数据块,第四子帧为电文块,第五子帧为数据块,第四子帧为电文块,第五子帧为数据块。导航电文格式如图导航电文格式如图。GPS测测量量原原理理与与应应用用(一一)数据块数据块I I 数数据据块块I I主主要要是是卫卫星星时时钟钟校校正正和和电电离离层层校校正正信信息息,其其中中包包含含指指明明载载波波L2L2的的调调制制波波类类型型、卫卫星星序序号号、卫卫星星健健康康状状况况等等的的标标识识码码、数数据据龄期、卫星时钟改正系数等。龄期、卫星时钟改正系数等。(二二)数据块数据块 数数据据块块表表示示GP
3、S卫卫星星的的星星历历,是是导导航航定定位位电电文文的的主主要要部部分分,它它分分三三种种共共17个个参参数数描描述述卫卫星星的的运运行行及及其其轨轨道道。具具体体参参数数的的含含义义和和符符号号已如前所述。已如前所述。如图如图GPS测测量量原原理理与与应应用用(三三)电文块电文块 电文块有电文块有25个页面,其分配状况如下:个页面,其分配状况如下:(1)(1)第第2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9、1010页页面面提提供第供第25322532颗卫星的历书;颗卫星的历书;(2)(2)第第1717页面提供专用电文;页面提供专用电文;(3)(3)第第1818页页面面提提
4、供供电电离离层层改改正正模模型型和和协协调调时时UTCUTC数据;数据;(4)(4)第第2525页页面面提提供供船船颗颗卫卫星星的的防防电电子子对对抗抗特特征征符、卫星型号和第符、卫星型号和第25253232颗卫星的健康状况;颗卫星的健康状况;(5(5)第)第1313、1414、1515页面为空页;页面为空页;(6)(6)其余其余11个页面为备用页。个页面为备用页。GPS测测量量原原理理与与应应用用(四四)数据块数据块 (1)(1)第第1 12424页页面面提提供供第第,1 12424颗颗卫卫星星的的历书;历书;(2)第第25页面提供第页面提供第124颗卫星的健康状颗卫星的健康状况和星期编号。
5、况和星期编号。GPS测测量量原原理理与与应应用用卫星电文基本构成图卫星电文基本构成图GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS卫星轨道参数卫星轨道参数GPS测测量量原原理理与与应应用用电文一主帧结构图电文一主帧结构图GPS测测量量原原理理与与应应用用导航电文格式导航电文格式GPS测测量量原原理理与与应应用用4-2 GPS4-2 GPS卫星信号卫星信号 GPS卫星播发的信号,包括卫星播发的信号,包括载波信号、载波信号、测距码、数据码等多种信号分量测距码、数据码等多种信号分量,它能满足,它能满足多用户系统的导航、高精度定位及军事保密多用户系统的导航、高精度定位及军事保密的需要。的需要。GPS信号的产
6、生信号的产生、构成和复制等,、构成和复制等,都涉及到现代数字通讯理论和技术方面的复都涉及到现代数字通讯理论和技术方面的复杂问题,这里不作深入研究,只扼要介绍有杂问题,这里不作深入研究,只扼要介绍有关信号的内容、作用及其特点。关信号的内容、作用及其特点。一、一、GPSGPS卫星信号的内容卫星信号的内容 GPS卫星信号包含载波信号、测距码卫星信号包含载波信号、测距码(包括包括P码、码、CA码码)、数据码、数据码(导航电文,或导航电文,或称称D码码)等等。GPS测测量量原原理理与与应应用用1 1GPSGPS载波信号载波信号 GPS卫星信号取无线电波中卫星信号取无线电波中L波段的两种不波段的两种不同频
7、率的电磁波作为载波,它们的频率和波长分同频率的电磁波作为载波,它们的频率和波长分别为:别为:L L1 1=1575.42 MHZ=1575.42 MHZ,1=19.03 CM=19.03 CM L L2 2=1227.60 MHZ=1227.60 MHZ,2=24.42 CM=24.42 CM 在载波在载波L1上调制有上调制有CA码、码、P码和数据码码和数据码;在载在载波波L2上只调制有上只调制有P码和数据码码和数据码。GPS卫星的测距卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的,且码和数据码是采用调相技术调制到载波上的,且调制码的幅值只取调制码的幅值只取0或或1。GPS测测量量原原理理与
8、与应应用用当码值取当码值取0时,对应的码状态为时,对应的码状态为+1+1,而码值,而码值取取1时,对应的码状态为时,对应的码状态为-1;在载波和相应;在载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制,此的码状态相乘后便实现了载波的调制,此时码信号被加载到载波上,经过播发可供时码信号被加载到载波上,经过播发可供用户接收。用户接收。2.GPS2.GPS的测距码的测距码 现代数字通讯中,普遍使用二进制数现代数字通讯中,普遍使用二进制数(“0”和和“1”)及其组合来表示各种信息,及其组合来表示各种信息,我们称其为我们称其为码码。在二进制中,一位二进制在二进制中,一位二进制数叫做一个码元或一比特数叫做一个码
9、元或一比特(bit),每秒钟传,每秒钟传输的比特数称为数码率。输的比特数称为数码率。GPS测测量量原原理理与与应应用用 GPSGPS卫星所采用的两种测距码,即卫星所采用的两种测距码,即C/AC/A码和码和P P码码(或或Y Y码码)均属于均属于伪随机码伪随机码(PRN)(PRN),这种二进制的数,这种二进制的数码序列不仅具有良好的自相关特性,而且又是一码序列不仅具有良好的自相关特性,而且又是一种结构确定;可以复制的周期性序列。种结构确定;可以复制的周期性序列。(1)C(1)CA A码码 C CA A码码的的码码长长较较短短,易易于于捕捕获获,但但码码元元宽宽度度较较大大,测测距距精精度度较较低
10、低,所所以以C CA A码码又又称称为为捕捕获获码码或粗码或粗码。C CA A码的码长码的码长N Nu u2 21010-l-l1023 bit1023 bit;GPS测测量量原原理理与与应应用用码元宽度码元宽度t tu u0 097752 97752(相应距离相应距离为为2932931m)1m);周期周期u u1 ms1 ms;数码率数码率u1023 Mbits 在在GPS导航和定位中,为了捕获导航和定位中,为了捕获CA码以测码以测定卫星信号传播时间,通常需要对定卫星信号传播时间,通常需要对CA码逐个进码逐个进行搜索。因为行搜索。因为CA码总共只有码总共只有1023个码元,若以个码元,若以每
11、秒每秒50个码元的速度搜索,约需个码元的速度搜索,约需20.5s便可达到目便可达到目的。(初始化,锁定卫星信号的过程)的。(初始化,锁定卫星信号的过程)GPS测测量量原原理理与与应应用用(2)P(2)P码码 P P码码即即精精密密测测距距码码或或称称精精码码。它它是是由由两两个个伪伪随随机码机码PNPN1 1(t)(t)和和PNPN2 2(t)(t)的乘积得到的。它的特征是:的乘积得到的。它的特征是:P P码的码长码的码长Nu2.3514Nu2.351414 14 bitbit;码码元元宽宽度度t tu u00097752 097752(相相应应距距离离为为29293m)3m);周期周期u u
12、267 d267 d;数码率数码率u1023 Mbits 由由于于P码码的的码码长长为为6.191012bit,所所以以采采用用C/A码码的的搜搜索索方方式式是是无无法法实实现现的的。一一般般都都是是先先捕捕获获C/A码码,然然后后根根据据导导航航电电文文给给出出的的有有关关信信息息来来实实现现P码码捕获捕获。GPS测测量量原原理理与与应应用用实际上实际上P码的周期被分成码的周期被分成38部分,每一部分部分,每一部分为为7d(码长约码长约6191012bit),其中,其中1部分闲部分闲置,置,5部分给地面监控站使用,部分给地面监控站使用,32部分分配部分分配给不同的卫星。这样,每颗卫星使用给不
13、同的卫星。这样,每颗卫星使用P码的码的不同部分,码长和周期相同,但结构不同。不同部分,码长和周期相同,但结构不同。由于由于P P码的码元宽度为码的码元宽度为C CA A码的码的l l1010,如果,如果码元的对齐精度仍为码元宽度的码元的对齐精度仍为码元宽度的1 11010l l100100,则由此引起的距离误差约为,则由此引起的距离误差约为2 293930 029m29m,仅为,仅为C CA A码的码的1 11010,所以,所以P P码用于码用于精密的导航和定位。精密的导航和定位。GPS测测量量原原理理与与应应用用3 3数据码数据码(D(D码码)数据码即数据码即导航电文导航电文,它包含着卫星的
14、星历、卫星工作它包含着卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正、由折射改正、由C CA A码捕获码捕获P P码的信息等。码的信息等。导航电文亦是二导航电文亦是二进制数码,依规定的格式组成,按帧向外播送,每帧电文进制数码,依规定的格式组成,按帧向外播送,每帧电文的长度为的长度为1500bit1500bit,播送速率为,播送速率为50bit50bits s。二、卫星信号的结构二、卫星信号的结构 如如图是图是GPSGPS卫星信号的构成示意图。图中说明所有信卫星信号的构成示意图。图中说明所有信号分量都是根据同一基准
15、频率号分量都是根据同一基准频率f f0 0(图中图中A A点点)产生的,其中包产生的,其中包括载波括载波L Ll l(B(B点点),L L2 2(C(C点点),调制在载波上的调相信号,调制在载波上的调相信号C CA A码码(D(D点点),P P码码(F(F点点)和数据码和数据码(G(G点点),经卫星发射天线经卫星发射天线(H(H点点)发射的信号分量包括:发射的信号分量包括:C CA A码信号码信号(J(J点点),L Ll lP P码信号码信号(K(K点点)和和L L2 2P P码信号码信号(L(L点点)。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS卫星信号构成图卫星信号构成图GPS测测量量原原理理
16、与与应应用用三、测距码的产生三、测距码的产生 P码由两个伪随机噪声码码由两个伪随机噪声码PNl(t)和和PN2(t)的乘的乘积构成。积构成。P码的码率为码的码率为1023MHz,PNl(t)的周期的周期为为15s,一周的码位数,一周的码位数Nl为为 Nl10231061515345106 位位P码的周期为码的周期为 T TN/F266N/F26640138 40138 星期星期 P码的产生原理如图所示。码的产生原理如图所示。GPS测测量量原原理理与与应应用用也就是有也就是有l023l023个不同个不同的的C CA A码。加上码。加上PNPNl l、PNPN2 2产生的两个产生的两个m m序序列
17、,共有列,共有10251025个周期个周期为为1ms1ms、码元数为、码元数为10231023的不同结构的的不同结构的C CA A码。码。GPS测测量量原原理理与与应应用用C CA A码码率为码码率为1 1023MHz023MHz,周期为,周期为1ms1ms,一周期内有,一周期内有10231023个码位。个码位。C CA A码由两个码由两个1023bit1023bit的伪随机码的伪随机码PNPNl l(t)(t)和和PNPN2 2(t)(t)的乘积构成的的乘积构成的GoldGold码,即码,即C CA Ai i(t)(t)PNPNl l(t)PN(t)PN2 2(t(tn ni i(10)(1
18、0)式中,式中,n ni i为为PNPNl l和和PNPN2 2 间相位偏置的码元数,间相位偏置的码元数,其偏置量为其偏置量为n ni i10231023,四、四、GPSGPS信号的传播信号的传播 GPSGPS采采用用了了信信号号扩扩频频技技术术,即即将将窄窄带带的的数数据据码码D Di i(t)(t)用用卫卫星星地地址址码码P P码码或或C CA A码码进进行行扩扩频频调调制制,把把窄窄带带信信号号扩扩展展到到一一个个很很宽宽的的频频带带上上发发射射出出去去,以以达达到到抗抗干干扰扰、保保密密和和省省电电的的目目的的。因因为为卫卫星星是是靠靠太太阳阳能能蓄蓄电电池池工工作作的的,不不可可能能
19、用用增增大大发发射射功功率率的的方方法法向向用用户户发发射射信信号号,而而扩扩频频技技术术解解决决了了这这一一问问题题。另另外外,采采用用扩扩频频技技术术后后,信信噪噪比比很很低低,信信号号被被深深深深埋埋在在噪噪声声之之中中,不不易易被被人人捕捕获获,具具有有很很好好的的保保密密性性。再再则则,由由于于接接收收机机接接收收信信号号后后,又又进进行行了了相相关关处处理理,将将宽宽带带大大大大变变窄窄了了,改改变变了了信信噪比。噪比。GPS测测量量原原理理与与应应用用GPS信号的产生信号的产生GPS测测量量原原理理与与应应用用4-3 GPS4-3 GPS卫星位置计算卫星位置计算 为了计算卫星在为
20、了计算卫星在WGS84大地坐标系中大地坐标系中的位置,首先需要计算卫星在其轨道平面的位置,首先需要计算卫星在其轨道平面内的位置。此时定义:内的位置。此时定义:原点与地心原点与地心M相重相重合,合,x轴指向升交点,轴指向升交点,y轴在轨道平面内垂轴在轨道平面内垂直于直于x轴,我们称其为轨道平面直角坐标轴,我们称其为轨道平面直角坐标系,在卫星坐标计算中,它是一种过渡性系,在卫星坐标计算中,它是一种过渡性的坐标系。的坐标系。下面我们讨论观测瞬间下面我们讨论观测瞬间GPSGPS卫卫星在地固坐标系中坐标的计算方法:星在地固坐标系中坐标的计算方法:GPS测测量量原原理理与与应应用用1计算卫星运行的平均角速
21、度计算卫星运行的平均角速度n a为卫星轨道的长半轴,为卫星轨道的长半轴,GM为地球引力为地球引力常数常数(含大气层含大气层),其值为,其值为398600.510398600.5101414m m3 3/s/s2 2它们都有确定值。利用导航电文中给出的摄它们都有确定值。利用导航电文中给出的摄动改正数动改正数n,n,则可算出卫星运行的实际平均则可算出卫星运行的实际平均角速度角速度:n=n0+n GPS测测量量原原理理与与应应用用2计算归化时间计算归化时间tk tkt-t0e 3计算观测瞬间的卫星平近点角从计算观测瞬间的卫星平近点角从M Mk k M Mk kM M0 0+nt+ntk k 4.4.
22、计算偏近点角计算偏近点角E Ek k Ek=Mk+esinEk(Ek,Mk 以弧度计)GPS测测量量原原理理与与应应用用从星期日子夜零时开始从星期日子夜零时开始度量的星历参考历元度量的星历参考历元参考时刻的平近点角参考时刻的平近点角此方程可用迭代解法此方程可用迭代解法进行解算进行解算 5计算真近点角计算真近点角Vk 6 6计算升交距角计算升交距角k kk k=V=Vk k+为卫星电文给出的近地点角距。为卫星电文给出的近地点角距。7 7摄动改正项的计算摄动改正项的计算 GPS测测量量原原理理与与应应用用近地点角距近地点角距8 8计计算算经经过过摄摄动动改改正正的的升升交交距距角角k k、卫卫星星
23、的矢径的矢径r rk k和轨道倾角和轨道倾角i ik kk k=k k+r rk k=a(1-cosE=a(1-cosEk k)+)+r rik=i0+i+itk GPS测测量量原原理理与与应应用用9 9计算卫星在轨道平面直角坐标系的坐标计算卫星在轨道平面直角坐标系的坐标 xk=rk cosk yk=rk sink 10观测时刻升交点经度的计算观测时刻升交点经度的计算=7.2921156710-5rad/s,、toe 可从卫星电文中获取。GPS测测量量原原理理与与应应用用11计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标 12卫星在协议地球坐标系中坐标的计算卫星在协议
24、地球坐标系中坐标的计算 GPS测测量量原原理理与与应应用用4-4 GPS4-4 GPS接收机及工作原理接收机及工作原理一、一、GPSGPS接收机及其分类接收机及其分类(一)、(一)、GPS接收机的基本概念。接收机的基本概念。GPS用户设备主要包括:用户设备主要包括:GPS接收机及其天接收机及其天线线,微处理机及其终端设备以及电源等。而其中微处理机及其终端设备以及电源等。而其中接收机和天线,是用户设备的核心部分,一般习接收机和天线,是用户设备的核心部分,一般习惯上统称为惯上统称为GPS接收机。它的接收机。它的主要功能是接收主要功能是接收GPS卫星发射的信号,并进行处理和量测,以获卫星发射的信号,
25、并进行处理和量测,以获取导航电文及必要的观测量。取导航电文及必要的观测量。GPS接收机的结构,接收机的结构,大体大体如图如图310所示,其主要组成部分包括:所示,其主要组成部分包括:GPS测测量量原原理理与与应应用用 天线天线(带前置放大器带前置放大器);信号处理器,用于信号识别和处理;信号处理器,用于信号识别和处理;微微处处理理器器,用用于于接接收收机机的的控控制制、数数据据采采集集和导航计算;和导航计算;用户信息传输,包括操作板、显示板和数用户信息传输,包括操作板、显示板和数据存贮器;据存贮器;精密振荡器,用以产生标准频率;精密振荡器,用以产生标准频率;电源。电源。GPS测测量量原原理理与
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- 测量 原理 应用 第四
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