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1、一、GPS卫星的星历,卫星的星历是描述有关卫星运行轨道的信息。利用GPS进行定位，就是根据已知的卫星轨道信息和用户的观测资料，通过数据处理来确定接收机的位置及其载体的运动速度。所以，精确的轨道信息是精密定位的基础。GPS卫星星历的提供方式有2种：一种是预报星历，又称广播星历；另一种是后处理星历，又称精密星历。,1 预报星历,所谓预报星历就是卫星GPS将含有轨道信息的导航电文发送给用户接收机，然后经过解码获得的卫星星历。所以，这种星历也称为广播星历。预报星历通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数以及必要的轨道摄动改正项参数。,对应于某参考历元的卫星开普勒轨道参数，也叫参考星历，它是根据GPS监
2、测站约一周的观测资料推算的。参考星历只代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数（也称为密切轨道参数），但是在摄动力的影响下，卫星的实际轨道，随后将偏离其参考轨道，偏离的程度主要决定于观测历元与所选参考历元间的时间差。一般而言，用轨道参数的摄动项对已知的卫星参考星历加以改正，就可以外推出任意观测历元的卫星星历。,不难理解，若观测历元与所选参考历元的时间差很大，为了保障外推的轨道参数具有必要的精度，就必须采用更严密的摄动力模型和考虑更多的摄动因素。实际上，为了保持卫星预报星历的必要精度，一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法。,为此，GPS跟踪站每天都利用其观测资料，更新用以确定卫星参考星历的数据，以计算
3、每天卫星轨道参数的更新值，并按时将其注入相应的卫星加以储存和发送。事实上，GPS卫星发射的广播星历每小时更新一次，以供用户使用。,若将上述计算参考星历的参考历元 选在2次更新星历的中央时刻，则外推的时间间隔最大将不会超过0.5h，从而可以在采用同样摄动力模型的情况下有效地保持外推轨道参数的精度。目前，预报星历的精度一般估计为20m40m。由于预报星历每小时更新一次，因此，在数据更新前后，各表达式之间将会产生小的跳跃，其值可达数分米。对此，一般可利用适当的拟合技术（切比雪夫多项式）予以平滑。,GPS用户通过卫星广播星历，可以获得16个卫星星历参数。其中，1个参考时刻，6个相应参考时刻的开普勒轨道
4、参数和9个摄动力影响的参数。这些参数的定义如表所列。其中AODE表示从最后一次注入电文起外推星历时的外推时间间隔，它反映了外推星历的可靠程度。有关卫星实际轨道的描述如图所示。根据上述数据，便可外推出观测时刻t的轨道参数，从而可计算卫星在不同参考系中的相应坐标。,星历参数详解,星历参数详解,星历参数详解,星历参数详解,星历参数详解,星历参数详解,AODC：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。式中：tOC为第一数据块的参考时间；tL为计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间（预报星历测量的最后观测时间）。,星历参数详解,2 后处理星历,卫星的预报星历具有实时获取的特点，这
5、对于导航或实时定位是非常重要的。但是，对于某些精密定位工作的用户来说，其精度尚难以满足要求，尤其当预报星历受到人为干预而降低精度时，就更难以保障精密定位工作的要求。后处理星历，是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法计算的卫星星历。它可以向用户提供在用户观测时间的卫星星历，避免了预报星历外推的误差。,由于这种星历通常是在事后向用户提供的在其观测时间的卫星精密轨道信息，因此，称为后处理星历或精密星历。该星历的精度，目前可达分米级。后处理星历一般不是通过卫星的无线电信号向用户传递的，而是利用磁盘或通过电传通信等方式，有偿地为所需要的用户服务。但是，
6、建立和维持一个独立的跟踪系统，其技术比较复杂，投资也比较大。所以，利用GPS的预报星历进行精密定位工作，仍是目前一个重要的研究和开发领域。,二、GPS卫星信号,GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其载波处于L频段，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码。GPS卫星向广大用户发送的导航电文，是一种二进制码组成的编码脉冲串，称之为数据码D（t），其速率为50b/s，换言之，D码的码率fd=50HZ。对于距离地面2万余公里且电能紧张的GPS卫星，如何有效地将低码率导航电文发送给用户，是关系到GPS系统成败与否的大问题。一种有效地发送方法是：用低码率的数据作二级调制。,第一级
7、调制，用50HZ的D码调制一个伪噪声码，如调制一个被叫做P码的伪噪声码，后者的码率高达10.23MHZ。D码调制P码的结果是形成一个组合码，致使D码信号的频带宽度从50HZ扩展到了10.23MHZ，也就是说，GPS卫星原拟发送50b/s的D码，转变为发送10.23Mb/s的组合码P(t)D(t)。,根据信息论的香农定理，在噪声干扰条件下，通信系统容量为：C=Blog2（1+S/N）（1）式中：B为通信系统的频带宽度（HZ）；S是信号的平均功率；N为噪声功率。式（1）表明，当系统容量C一定时，增大频带宽度B，可以减小信噪比S/N。例如，在上述情况下，C=10.23Mb/s。当信号功率S为噪声功率
8、N的1.5倍（常用SN，甚至SN）时，通信系统的带宽为,若信号功率仅为噪声功率的1/10，即信号深深地淹没在噪声之中，此时按式（1）算得带宽B为74.40MHZ。由此可见，我们可以用增大系统带宽的方法降低所要求的信噪比，即用很小的发射功率，便可实现遥远的卫星通信。这对于电能紧张的GPS卫星，是极为有益的。,信号深埋在噪声之中，不易被他人捕获，因而具有极好的保密性。由此可知，GPS卫星采用伪噪声码传递导航电文的目的在于：节省卫星的电能，增强GPS信号的抗干扰性，实现保密的信息传送。,在D码调制伪噪声码以后，再用它们的组合码去调制L频段的载波，实现D码的第二级调制，从而形成向用户发送的已调波，如图
9、所示。每颗GPS卫星向用户发送2种已调波。,GPS信号包括2种载波L1、L2和2种调制波P(t)D(t)、G(t)D(t)，后者表示GPS卫星向用户发送的C/A易捕获码、P精码和D导航数据码。这些信号都源于一个公共的10.23MHZ的基准信号。它们的频率不仅与基准频率10.23MHZ有一定的比例关系，而且相互之间也存在比例关系，其值如表所示。这对卫星发送和用户接收GPS信号，都是很有益处的。,GPS卫星的基准频率 f0,由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频,三、GPS卫星的导航电文,导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星
10、钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A转换到捕获P码的信息等导航信息的数据码（或D码），是利用GPS进行定位的数据基础。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每一数据帧的长度为1500b it，播送速度为50b/s，所以播送1帧电文的时间需要30s。每帧电文含有5个子帧（如图），而每子帧分别含有10字码，每字码占30bit，故每一子帧共占300bit，其持续播送的时间为6s。,为了记录多达25颗卫星的星历，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3与子帧4、5的每一页均构成1个主帧，在每一个主帧的帧与帧之间，子帧1、2、3的内容每小时更新1次，而子帧4、5的内容仅在给卫星注
11、入新的导航数据后才得以更新。一帧完整的电文共有37500bit，要750s才能够传送完,用时长达12.5min。,1 遥测码,每个子帧的第1字码都是遥测码（TLW），其主要作用是指明卫星注入数据的状态。遥测码的第1bit8 bit是同步码（10001001），作为识别电文内容的先兆，致使用户易于解释导航电文；第9bit22bit为遥测电文，它包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息，以此指示用户是否选用该颗卫星。第23bit和第24bit是无意义的连接比特；第25bit第30bit为奇偶检验码，它用于发现错误，纠正个别错误，确保正确的传送导航电文。,2 转换码,每个子帧的第2字
12、码都是转换码（HOW），其主要作用是帮助用户从所捕获的C/A码转换到P码的捕获。转换码的第1bit17bit表示所谓的Z计数，即表示，P码子码X1的自星期日0时至星期六24时的周期（1.5S）重复数，所以Z的计数的量程是0403200。因此，若已知Z计数，便可较快的捕获到P码。转换码的第18bit表明卫星注入电文后是否发生滚动动量矩缺载现象；第19bit用于指示数据帧的时间是否与子码X1的钟信号同步；第20bit第22bit是子帧识别标志；第23bit和第24bit是无意义的连接比特；第25bit第30bit是奇偶校验码。,3 第1数据块,第1子帧的第3字码第10字码称为第一数据块，其主要内容
13、是：标识码，它指明载波的调制波类型、星期序号、卫星的健康状况等；数据龄期；卫星时钟改正系数。现对有关参数予以说明。,（1）传输参数N,第3字码的第13bit第16bit给出传输参数N，它向非特许用户指明，当用该颗GPS卫星作导航定位测量时，可能达到的测距精度URA，且知URA2N（m）按规定，当N=1111（即为15）时，表示缺乏精度的预估值，非特许用户若用该颗卫星进行导航定位测量，由他们自己承当风险，即不能确保能否获得令人满意的导航定位精度。即使传输参数小于9时，非特许用户也不宜用该颗卫星作导航定位测量。,（2）时延差改正Tgd,第7字码的第17bit第24bit表示载波L1、L2电离层时延
14、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，从而提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。,（3）数据龄期AODC,第3字码的第23bit和第24bit，以及第8字码的第1bit8bit，均表示卫星时钟的数据龄期AODC。GPS实验卫星的AODC只占8bit，而GPS工作卫星却扩展到了10bit。AODC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 式中：tOC为第一数据块的参考时间；tL为计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间（预报星历测量的最后观测时间）。,（4）卫星时钟改正,GPS采用了GPS星期和GPS
15、时间（时系）：WN表示从1980年1月6日子夜0时（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。GPS时系是以地面监控系统主控站的主原子钟为基准的持续时间尺度，由于UTC时间的跳秒和主控站主钟的不稳定性，GPS时间和UTC时间之间存在着变化差值。它由地面监控系统予以监测，其大小用导航电文播发给广大用户。1990年6月，GPS时间较UTC时间提前了6S左右。,卫星时钟改正，是每一颗GPS卫星的时钟相对于GPS时系的差值。由于相对论效应，卫星时钟比地面时钟走得快，每天相差3.8710-5S。所差时间需要加以改正，这便是卫星时钟改正。星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）,4.第二数据块,第
16、二子帧和第三子帧共同构成第二数据块，表示GPS卫星的星历。这是GPS卫星为导航定位应用发送的主要电文，且以下述三类参数描述卫星的运行及其轨道。如图（1）开普勒六参数（2）轨道摄动九参数（3）时间第二参数,第二数据块第2、3子帧的第310个字内容该发送信号卫星的星历 广播星历星历参数,5.第3数据块,第3数据块由第4子帧和第5子帧构成，提供GPS卫星的历书数据，是第1数据块和第2数据块的简略形式。当接收机捕获到某颗GPS卫星后，利用第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星工作状态等数据，用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，以致它们能够构成理想的空间几何图形，并且依据已知的
17、码分地址能够较快的捕获所选择的待测卫星。,1）第4子帧,第2页第5页和第7页第10页提供第25颗第32颗卫星的历书。第18页给出电离层改正模型和UTC数据。第25页给出32颗卫星的防电子对抗特征符和卫星型号，以及第25颗32颗卫星的健康状况。第17页提供专用电文。第1页、第6页、第11页、第12页、第16页及第19页第24页作备用。第13页第15页为空闲页。,2）第5子帧,第1页第24页提供的第1颗第24颗卫星的历书。第25页给出第1颗第24颗卫星的健康状况和星期编号，当指示卫星状况的6bit全部是1时，则表示该颗卫星工作不正常，而不能用于导航定位测量。,在第三数据块中，第4和第5子帧的每个页
18、面的第3字码，其开始的8个bit是识别字符，且分成两种形式：第1和第2比特为电文识别；第38bit为卫星识别。,所谓扩频通信，可简单表述如下：它是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。,1.很强的抗干扰能力,由于将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。对干扰信号而言，由于与扩频伪随机码不相关，则被扩展到一很宽的频带上，使进入信号通频带内的干扰功率大大降低，相应的增加了相关器的输出信号/干扰比，因此
19、具有很强的抗干扰能力。其抗干扰能力与其频带的扩展倍数成正比，频谱扩展得越宽，抗干扰的能力越强。,2.可进行多址通信,扩频通信本身就是一种多址通信方式，称为扩频多址（SSMASpread Spectrum Multipe Access），实际上是码分多址（CDMA）的一种，用不同的扩频码组成不同的网。虽然扩频系统占用了很宽的频带，但由于各网可在同一时刻共用同一频段，其频谱利用率甚至比单路单载波系统还要高。CDMA是未来全球个人通信的一种主要的多址通信方式。,3.安全保密,由于扩频系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去，其功率密度随频谱的展宽而降低，甚至可以将信号淹没在噪声中。因此，其保密性很强，要
20、截获或窃听、侦察这样的信号是非常困难的，除非采用与发送端所用的扩频码且与之同步后进行相关检测，否则对扩频信号是无能为力的。由于扩频信号功率谱密度很低，在许多国家，如美、日、欧洲等国家对专用频段、如ISM频段，只要功率谱密度满足一定的要求，就可以不经批准使用该频段,4.抗多径干扰,在移动通信、室内通信等通信环境下，多径干扰是非常严重的，系统必须具有很强的抗干扰能力，才能保证通信的畅通。扩频技术具有很强的抗多径能力，它是利用扩频所用的扩频码的相关特性来达到抗多径干扰，甚至可利用多径能量来提高系统的性能。,载波,作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1 频率：154f0=1575.43MH
21、z；波长：19.03cmL2 频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5 频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm,载波,特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标,轨道平面坐标系,轨道参数,全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位
22、置的计算,全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角,全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续）计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径,全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续）计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置,全球定位系统的组成及
23、信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续）计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标,全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算,伪随机噪声码最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码。许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。理想的
24、传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，用它们代表两种信号，其差别性就最大。,由于C/A码的码长较短，易于捕获，P码的码长较大，不易获取，所以如果仍按搜索C/A码的方法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当速度为每秒50码元时，那将是无法实现的（约14155）。因此一般都是先获取C/A码，然后根据导航电文中给出的信息，便于获取P码。,2001年2月24日，在步入新世纪仅仅2个月之后，当代最伟大的数学家和贝尔实验室最杰出的科学家之一，香农（Claude Elwood Shannon）博士在与疾病顽强搏斗了5年之后不幸与世长辞，享年84岁。香农博士于1916年4月30日出生在美国密执安州；1936年毕业于密执安大学获数学和电子工程学士学位；1940年获得麻省理工学院数学博士学位和电子工程硕士学位。1948年6月和10月，由贝尔实验室出版的科技界著名杂志“贝尔系统技术（Bell System Tech）”连载了香农博士的文章“通讯的数学原理”（A mathematica lTheory of Communication）”，从而奠定了信息基本理论的基础。,
