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1、GPS定位与导航,测绘工程学院,上一节内容回顾,1.开普勒三定律2.卫星无摄运动（6个轨道根数）3.卫星受摄运动,GPS导航定位原理GPS信号,GPS的信号结构,载波,测距码,导航电文,码的基本概念,用于导航定位的GPS信号由三部分组成：载波（L1和L2）导航电文测距码（C/A码和P(Y)码）,GPS卫星信号的产生与构成是比较复杂的，考虑了以下几方面的要求:,适应多用户系统的要求,满足实时定位的要求,满足高精度定位的需求,满足军事保密的要求,载波,载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）,类型目前L1：频率：1575.43MHz，波长：19cmL2：频率：1227.60MHz，波长：24c
2、m现代化后增加L5：1176.45MHz，波长：26cm,导航电文,方波 码速：50bps,导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。它包含该卫星的星历、工作状况、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正以及由C/A码捕获P码等导航信息，也是由卫星信号中解调出来的数据码D(t)。这些信息以50bit/s的数据流调制在载频上，数据采用不归零制（NRZ）的二进制码。,GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用
3、来定位和导航的数据基础。,它的基本单位是长1500bit的一个主帧（如图4-1所示），传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。,遥测字(TLMTelemetry Word)，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了个同步的起点，使用户便于解释电文数据。,交接字(HOWHand Over Word），紧接着各子帧开头的遥测字，主
4、要是向用户提供用于捕获P码的Z计数。所谓Z计数是从每星期六星期日子夜零时起算的时间计数它表示下一子帧开始瞬间的GPS时。但为了实用方便，Z计数一般表示为从每星期六星期日子夜零时开始发播的子帧数。因为每一子帧播送延续的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬时即为6x Z。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获P码。,1时延差改正Tgd 第7字码的第1724比特表示载波L1、L2的电离层时延差改正Tgd。当使用单频接收机时，用Tgd改正所观测的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。,第一数据块，含有关于卫星钟改正参数
5、及其数据龄期、星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。现对其中的主要内容介绍于下：,AODCtoc-tl 式中:toc为第一数据块的参考时刻，tl是计算时钟参数所作测量的最后观测时间。,2数据龄期AODC 第3字码的第23、和第24比特,以及第8字码的第18比特，均表示卫星时钟的数据龄期AODC。GPS试验卫星的AODC只占8个比特，而GPS工作卫星却扩展到了10个比特。A0DC是时钟改正数的外推时间间隔，它向用户指明对卫星时钟改正数的置信度，且知,3.星期序号WN。表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。,4.卫星钟改正参数：a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟
6、差、钟速及钟速的变化率。当巳知这些参数后，便可按下式计算任意时刻t的钟改正数t ta0十a1(ttoc)十a2(ttoc)2,第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星坐标位置的信息。描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类。,测距码,方波伪随机噪声码 PRN码,两种测距码：C/A码-粗码码速：1.023MHz码元长度：300mP(Y)码-精码码速：10.23MHz码元长度：30m,C/A码,C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的.,码长Nu=210-1=1023比特码元宽tu=1/f10.977752s(相应距离 为293.1m)周
7、期Tu=Nu tu=1ms数码率=1.023Mbit/s,C/A码的码长易于捕获，且通过C/A码提供的信息，又可方便的捕获P码。C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差，为码元宽度的1/100，则相应的测距误差达2.9m，以因此也称粗码。,P码,P码产生的基本原理与C/A码相似，但其发生电路，是采用两种各由两个12级反馈移位寄存器构成的，情况更为复杂。线路设计细节均是保密的。,码长Nu 2.35*1014比特码元宽度tu 0.0977752s(相应距离 为29.3m)周期Tu=Nu tu 267数码率=10.23Mbit/s,P码周期被分为38部分（7天/每一部分周期，码长约为6.1
8、9*1012比特），其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星。这样，每颗卫星所使用的P码不同部分，便都具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的码长较长，无法采用C/A码逐个进行搜索。一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，捕获P码。,由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元的对齐精度仍为码元宽度的1/100，则由此引起的相应距离误差为0.29m，仅为C/A码的1/10。所以P码定位精度高，故也称为精码。,测距码的调制（双相调制）,GPS信号的生成,二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则,模二和运算规则,二进制信号的相位调制,GPS卫星信号的调制框图,卫星信号的调制原理,
