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第三章 GPS 系统的组成与 GPS 信号

第三章 GPS 系统的组成与 GPS 信号. 第三章 GPS 系统的组成与 GPS 信号. 学习目标：. 了解 GPS 信号的结构，测距码是怎样产生的，导航电文的内容，天线的作用与分类。 理解监控系统的作用，投入的可用 GPS 卫星状况，用户接收机的用途，卫星的运动及其轨道。 掌握 GPS 定位系统的组成共三部分：①地面监控部分。②空间卫星部分。③用户接收部分。. 第三章 GPS 系统的组成与 GPS 信号. 第一节 GPS 定位系统的组成 第二节 卫星的运行及其轨道 第三节 卫星星历与卫星位置计算

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第三章 GPS 系统的组成与 GPS 信号

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Presentation Transcript

  1. 第三章 GPS系统的组成与GPS信号 GPS测量定位技术精品课程

  2. 第三章 GPS系统的组成与GPS信号 学习目标： • 了解GPS信号的结构，测距码是怎样产生的，导航电文的内容，天线的作用与分类。 • 理解监控系统的作用，投入的可用GPS卫星状况，用户接收机的用途，卫星的运动及其轨道。 • 掌握GPS定位系统的组成共三部分：①地面监控部分。②空间卫星部分。③用户接收部分。 GPS测量定位技术精品课程

  3. 第三章 GPS系统的组成与GPS信号 第一节 GPS定位系统的组成 第二节 卫星的运行及其轨道 第三节 卫星星历与卫星位置计算 第四节 GPS卫星信号 第五节 GPS信号的接收 GPS测量定位技术精品课程

  4. 第三章 GPS系统的组成与GPS信号 GPS系统包括地面监控部分，空间卫星部分，用户接收部分等三大部分。三大部分之间还要用数字通信技术联络传达各种信号信息，靠各种计算软件处理繁复的数据，最后由用户接收信号来解决导航定位问题。 GPS测量定位技术精品课程

  5. 第一节 GPS定位系统的组成 GPS定位系统包括三大部分：（1）地面监控部分；（2）空间卫星部分；（3）用户接收部分。 GPS测量定位技术精品课程

  6. 第一节 GPS定位系统的组成 一、地面监控部分 1. 地面监控站的分布 一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii) 组成 如下页图所示 GPS测量定位技术精品课程

  7. Colorado springs kwajalein Hawaii Ascencion Diego Garcia 55 第一节 GPS定位系统的组成 一、地面监控部分 GPS测量定位技术精品课程

  8. 第一节 GPS定位系统的组成 一、地面监控部分 2.监控系统的作用 （1）主控站的作用 收集数据 数据处理 主控站的作用 监测与协调 控制卫星 GPS测量定位技术精品课程

  9. 第一节 GPS定位系统的组成 一、地面监控部分 2.监控系统的作用 （2）监控站的作用 伪距 导航数据 测 传送 监控站 主控站 气象数据 卫星状态数据 GPS测量定位技术精品课程

  10. 第一节 GPS定位系统的组成 一、地面监控部分 2.监控系统的作用 （3）注入站的作用 注入站的主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。 GPS测量定位技术精品课程

  11. 第一节 GPS定位系统的组成 二、空间卫星部分 • 24颗卫星(21+3) • 6个轨道平面 • 55º轨道倾角 • 2万km轨道高度(地面高度) • 12小时(恒星时)轨道周期 • 5个多小时出现在地平线以上(每颗星) GPS测量定位技术精品课程

  12. 第一节 GPS定位系统的组成 三、用户接收部分 GPS信号接收机 天线 前置放大器 信号 供电 射电部分 数据 供电，控制 命令 显示控制器 数据存器 微处理器 信息 数据 控制 供电 电源部分 GPS测量定位技术精品课程

  13. 导航型、测地型和授时型 GPS信号接收机分类 袖珍式、背负式、车载式、 舰用式、空（飞机）载式、 弹载式和星载式 码接收机和无码接收机 单频接收机和双频接收机 第一节 GPS定位系统的组成 三、用户接收部分 按用途 按携带形式 按工作原理 按载波频率 GPS测量定位技术精品课程

  14. 第二节 卫星的运行及其轨道 一、理想情况下的卫星运动 所谓理想情况下的卫星运动，是将地球视作匀质球体，且不顾及其它摄动力的影响，卫星只是在地球质心引力作用下而运动。 它是卫星运动的第一近似描述 研究意义 它是至今唯一能得到的严密分析解的运动 它是全部作用力下的卫星运动更精确解的基础 GPS测量定位技术精品课程

  15. 第二节 卫星的运行及其轨道 一、理想情况下的卫星运动 根据牛顿万有引力定律，在上述理想情况下，卫星相对于地球的引力加速度为： 式中 ——G地球引力常数； ——M地球质量； ——m卫星质量； ——r卫星的地心向径。 GPS测量定位技术精品课程

  16. 第二节 卫星的运行及其轨道 一、理想情况下的卫星运动 开普勒第一定律——卫星运行的轨道是一个椭圆，地球质心位居椭圆的一个焦点上。 卫星运行轨道椭圆 该定律表明，卫星相对于地球质心的运动轨道是一个椭圆，该椭圆有着固定的形状和大小，椭圆上距离地球质心最远的一点称为远地点，距离地球质心最近的一点称为近地点。 GPS测量定位技术精品课程

  17. 第二节 卫星的运行及其轨道 一、理想情况下的卫星运动 开普勒第二定律——卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。 开普勒第二定律表明，卫星沿轨道椭圆的运行速度在不断变化，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。 相等时间地心向径扫过的面积 GPS测量定位技术精品课程

  18. 第二节 卫星的运行及其轨道 一、理想情况下的卫星运动 开普勒第三定律——卫星围绕地球运行的周期的平方与轨道椭圆长半径的立方成正比，其比值等于地球引力常数的倒数。 开普勒第三定律的数学形式为： 式中——T为卫星运动的周期 GPS测量定位技术精品课程

  19. 第二节 卫星的运行及其轨道 二、卫星运行的轨道 待解问题 轨道椭圆的形状和大小 轨道平面与地球体的相关位置 轨道椭圆在轨道平面上的方位 卫星在轨道上的瞬时位置 卫星轨道参数 GPS测量定位技术精品课程

  20. 第二节 卫星的运行及其轨道 三、摄动力对卫星运行轨道的影响 地球体不规则及质量分布不 均匀而引起的作用力 太阳和月球的引力 摄动力的影响 太阳的直接与间接辐射压力 大气的阻力 地球潮汐的作用力、磁力 GPS测量定位技术精品课程

  21. 广播星历（预报星历） GPS卫星星历 实测星历（精密星历） 第三节 卫星星历与卫星位置计算 一、GPS卫星星历 卫星的星历就是一组对应某一时刻的轨道参数值，它是计算卫星瞬时位置的依据。 GPS测量定位技术精品课程

  22. 第三节 卫星星历与卫星位置计算 一、GPS卫星星历 1. 广播星历 卫星将地面监测站注入的有关卫星轨道的信息，通过发射导航电文传递给用户，用户接收到这些信号进行解码即可获得所需要的卫星星历，即广播星历。 GPS用户所接收到的卫星广播星历中，包括17个卫星星历参数和2个时间参数。 广播星历参数 GPS测量定位技术精品课程

  23. 第三节 卫星星历与卫星位置计算 一、GPS卫星星历 2.实测星历 实测星历是一些国家根据自己的卫星跟踪站观测资料，经过事后处理直接计算的卫星星历，它向广大用户提供有偿服务，所以大大提高了卫星星历的精度。 GPS测量定位技术精品课程

  24. 第三节 卫星星历与卫星位置计算 二、卫星在其轨道平面内的位置计算 计算卫星运行的平均角速度n 计算归化时间tk 计算真近点角Vk 计算 计算升交距角u0 计算经过摄动改正的升交距角、 卫星的地心距离及轨道倾角 计算卫星的轨道平面直角坐标 GPS测量定位技术精品课程

  25. 第三节 卫星星历与卫星位置计算 三、卫星在地心空间直角坐标系中的位置计算 计算观测时刻的升交点经度ΩK 计算 计算卫星在地心空间直角坐 标系中的坐标 GPS测量定位技术精品课程

  26. 第四节 GPS卫星信号 GPS卫星播发的信号，包含载波信号、测距码、数据码等多种分量，它能满足多用户系统的导航、高精度定位的需要。 GPS信号的产生 GPS测量定位技术精品课程

  27. L1载波 卫星的星历 GPS载波信号 卫星工作状态 GPS 卫 星 信 号 L2载波 时间系统 数据码 卫星钟运行状态 C/A码 轨道摄动改正 GPS的测距码 P码 大气折射改正 第四节 GPS卫星信号 一、GPS卫星信号的内容 GPS测量定位技术精品课程

  28. 第四节 GPS卫星信号 二、GPS信号的结构 GPS卫星信号的构成示意图。图中说明所有信号分量是根据同一基准频率（图中A点）产生的，其中包括载波（B点），（C点），调制在载波上的调相信号C/A码（D点），P码（F点）和数据码（G点），经卫星发射天线（H点）发射的信号分量包括：C/A码信号（J点）， L1—P码信号（K点）和L2—P码信号（L点）。 GPS信号的构成 GPS测量定位技术精品课程

  29. 第四节 GPS卫星信号 三、测距码的产生 P码由两个伪随机噪声码PN1（t）和PN2（t）的乘积构成。P码的码率为10.23MHz，PN1（t）的周期为1.5s， P码的周期约38星期，实际应用中采用7天为一周期。 P码产生原理图 GPS测量定位技术精品课程

  30. 第四节 GPS卫星信号 三、测距码的产生 C/A码码率为1.023MHz，周期为1ms，一周期内有1023个码位。C/A码由两个1023bit的伪随机码和的乘积构成的Gold码。 C/A码形成方框图 GPS测量定位技术精品课程

  31. 第四节 GPS卫星信号 四、GPS信号的传播 GPS采用了信号扩频调制，把窄带信号扩展到一个很宽的频带上发射出去，以达到抗干扰、保密和省电的目的。 在信息理论中我们把一组不包含我们想要的有用信息的量称为噪声。 GPS测量定位技术精品课程

  32. 第四节 GPS卫星信号 五、导航电文 GPS卫星的导航电文主要包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态和C/A码转换到捕获P码的信息。 将这些信息以数据，即以二进制码的形式向用户发送，所以导航电文又称为数据码，即D码。 GPS测量定位技术精品课程

  33. 30s 1 2 3 4 5 6s 10个字 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25页 0.6s 30比特 0.02s 第四节 GPS卫星信号 五、导航电文 导航电文的基本构成 GPS测量定位技术精品课程

  34. 一个子帧6s长，10个字，每字30比特 TLM TLM TLM TLM TLM HOW HOW HOW HOW HOW 数据块—1时钟修正参数 数据块—2星历表 数据块—3卫星历书等 数据块—3卫星历书等 数据块—2星历表继续 1 1帧 30s 1500比特 2 3 4 5 第四节 GPS卫星信号 五、导航电文 电文一主帧结构图 GPS测量定位技术精品课程

  35. 第五节 GPS信号的接收 GPS卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。所以用户需要一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，也就是GPS信号接收机。 GPS测量定位技术精品课程

  36. 第五节 GPS信号的接收 一、信号接收设备的组成 GPS信号接收系统的结构 GPS测量定位技术精品课程

  37. 第五节 GPS信号的接收 二、天线单元 GPS信号接收机的天线单元为接收设备的前置部分。天线单元包含接收天线和前置放大器两部分。其中天线部分可能是全向振子天线或小型螺旋天线或微带天线，但从发展趋势来看，以微带天线用的最广、最有前途。 GPS测量定位技术精品课程

  38. 第五节 GPS信号的接收 三、接收单元 相关型通道 信号通道 平方型通道 码相位通道 接 收 单 元 存储器 微处理机 电源 GPS测量定位技术精品课程

  39. 本章小结 地面监控部分 空间卫星部分 1. GPS定位系统的组成 用户接收部分 理想情况下的卫星运动 2.卫星的运行及其轨道 卫星运行的轨道 摄动力对卫星运行轨道的影响 GPS卫星星历 小 结 3.卫星的星历与卫星位置计算 卫星在其轨道平面内的计算 卫星在地心空间直角坐标系中的位置计算 GPS卫星信号的内容、 GPS信号的结构 测距码的产生、GPS信号的传播 4.GPS卫星信号 导航电文 信号接收设备的组成 天线单元 5.GPS信号的接收 接收单元 GPS测量定位技术精品课程

  40. 思考题与习题 1. 主控站的主要作用有哪几条？ 2. 地面监控部分的工作程序？ 3. GPS工作卫星为什么采用二万公里高近于圆形的轨道？ 4. GPS卫星的主要作用有哪三方面？ 5. GPS卫星的空间布局和运行速度决定了地面观测者具备哪些观测条件？ 6. 什么是时间间隙段？怎样避开时间间隙段对测量定位的影响？ 7. GPS信号接收机按用途可分为哪三种？按携带形式可分为哪七种。 8. 什么是理想情况下的卫星运动？ 9. 广播星历的优缺点？ 10. GPS信号接收设备的结构和作用？ 11. 相关型通道的主要优点有哪些？ 12. 微带天线的优缺点？ 13. 设置机内电池作用有哪三点？ GPS测量定位技术精品课程

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