第2章 GPS卫星运动轨道及卫星定位信号-新.ppt

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1、GPS定位技术与应用 2010.12,第2章 GPS卫星运动轨道及卫星定位信号,卫星在轨定位方法 GPS卫星的载波信号 GPS卫星的测距码信号 GPS卫星的导航电文 GPS卫星星历 GPS卫星位置坐标计算,GPS定位技术与应用 2010.12,2.1.1开普勒（Johannes Kepler）三定律,1、开普勒第一定律 人造地球卫星的运行轨道是一个椭圆，均质地球位于该椭圆的一个焦点上。,卫星绕地球运动的轨道方程：,式中：r卫星的地心距离， as 为开普勒椭圆的长半径， es为开普勒椭圆的偏心率， fs 为真近点角.,2.1 卫星在轨定位方法,GPS定位技术与应用 2010.12,2、开普勒第二

2、定律 卫星向径在相同时间内所扫过的面积相等。,能量守恒定律 开普勒第二定律所包含内容：卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点时卫星的速度为最大，远地点时卫星的速度为最小。,GPS定位技术与应用 2010.12,3、开普勒第三定律 卫星环绕地球运行的周期之平方正比于椭圆轨道长半轴的立方。,平均角速度n 或,GPS定位技术与应用 2010.12,2.1.2 卫星的无摄运动,研究地球和卫星相对运动问题的基本公式-引力加速度公式：,式中G为引力常数，M为地球质量，m为卫星质量，r为地心向径。 引力加速度决定卫星绕地球运动的基本规律。 卫星在地球引力场的无摄运动也称开普勒运动。,GPS定位技术

3、与应用 2010.12,三种近点角,真近点角 当卫星处于轨道上任一点s时，卫星的在轨位置便取决于sop角，这个角就被称为真近点角，以f表示。 偏近点角 若以长半轴a做辅助圆，卫星s在该辅助圆上的相应点为s，连接so， sop角称为偏近点角，以E表示。 平近点角 在轨卫星从过近地点时元tp开始，按平均角速度n0运行到时元t的弧，称为平近点角。以M表示。,A,P,s,S,O,O,D,GPS定位技术与应用 2010.12,真近点角表示的轨道方程 偏近点角表示的轨道方程 真近点角和偏近点角的关系 平近点角表示的轨道方程,tan(f/2) = (1+e/1-e)1/2 tan(E/2),M = E -

4、e sinE = n0(t - tp),GPS定位技术与应用 2010.12,真近点角与偏近点角的关系,r cosf = a cosE ae,sinf =(1-cos2f)1/2,tan(f/2) = (1+e/1-e)1/2 tan(E/2),r = a(1- e cosE),GPS定位技术与应用 2010.12,近点角总结,说明： 在轨卫星从过近地点时元tp开始，按平均角速度n0运行到时元t的弧，称为平近点角。 卫星S在其辅助圆上的相应点S和椭圆轨道中心O的连线OS与椭圆轨道极轴OP延长线之间的岬角，称为偏近点角E。 在椭圆轨道上运行的卫星S，其卫星向径OS与以焦点O指向近地点P的极轴OP

5、的夹角，称为真近点角f。,GPS定位技术与应用 2010.12,卫星轨道六参数,轨道平面倾角（i） 卫星轨道平面与天球赤道平面的夹角； 升交点赤经（） 升交点（N），是由南向北飞行的卫星，其轨道与天球赤道的交点。地球环绕太阳公转的一圈中有一个点（即日历上表示的春分时间），它反映在天球赤道平面上的固定位置，叫做春分点。升交点赤经是春分点轴向东度量到升交点的弧度； 近地点角距（） 是由升交点轴顺着卫星运行方向度量到近地点的弧长； 长半轴（a） 卫星椭圆轨道的长半轴； 偏心率（e） 卫星椭圆轨道的偏心率，是焦距的一半与长半轴的比值； 平近点角（M） 是卫星自近地点以平均速度运行到某时刻的弧长。,E,

6、y,x,H,O,N,f,i,GPS定位技术与应用 2010.12,开普勒轨道六参数,GPS定位技术与应用 2010.12,2.1.3 卫星的受摄运动,1.卫星运动的摄动力 2.各种摄动力的影响,GPS定位技术与应用 2010.12,1. 卫星运动的摄动力,地心引力 地球非球形引力 地球潮汐摄动力 太阳引力 月球引力 大气阻力 太阳辐射压力,GPS定位技术与应用 2010.12,2.各种摄动力的影响,在实际中，地球质量并不均匀分布，地球形状近似于椭球，其长短半轴之差约为21.3公里。地球北极高出椭球面为19米左右，地球南极凹下椭球面26米。 卫星在宇宙空间运行时由于受到地心引力之外的其他各种力的

7、作用，如地球非球形引力，日月引力，太阳辐射压力，大气阻力及潮汐力等的合成作用，使得卫星的实际运行轨道比正常轨道复杂得多，这种实际轨道就叫做摄动轨道。,GPS定位技术与应用 2010.12,（1）地球非球形引力的影响,在各种摄动力中，以地球非球形引力的影响为最大。如在GPS实验卫星的受摄运动中各种参数的在轨位置偏差(m)。,通过地球非球形引力的摄动结果，致使卫星轨道参数不是固定不变的，而是随时间变化的函数。因此导致卫星在轨位置不断偏离正常轨道，这是卫星导航必须重视的一个重大问题。,GPS定位技术与应用 2010.12,综观地球非球形引力对正常轨道的影响，主要产生以下两项较大的摄动。 旋转轨道平面

8、 地球非球形引力导致卫星轨道平面在空间产生旋转，其表现是升交点N沿天球赤道缓慢的进动，以至升交点赤经产生周期性的变化。 轨道平面的旋转方向与卫星东西运动相反否，取决于卫星轨道倾角的余弦。,GPS定位技术与应用 2010.12, 旋转长半轴 地球非球形引力导致卫星轨道椭圆的长半轴在轨道平面内产生旋转，其表现是近地点角距即幅角的缓慢进动。 在地球非球形引力作用下，平近点角也会产生缓慢的进动，导致卫星运行轨道不能够相互重合，而形成一周期又一周期运行轨道的相互偏离。,GPS定位技术与应用 2010.12,由于地球非球形的摄动，还引述下列两种常用的特殊的轨道。 太阳同步轨道 在地球非球形引力作用下，升交

9、点赤经产生变化， 当其变率为每天0.9856度即约每天1度时，使升交点赤经变率等于地球公转的平均角速度，这时的卫星轨道称为太阳同步轨道。 在这种轨道上运行的卫星，经过某一特定位置时，太阳光照条件相同，换言之，卫星经过某一纬度的“地方时”，在一段时间内几乎不发生变化。采用这种轨道的卫星如地球资源卫星、侦察卫星、气象卫星等。,GPS定位技术与应用 2010.12, 地球静止轨道 从地球上 看卫星好象是“静止不动”的，这种轨道叫地球静止轨道。它是一种轨道平面倾角和偏心率均为零的“地球同步轨道”。 所谓“地球同步轨道”，是一种卫星运行周期和地球自转周期相同，方向相同即卫星自西向东顺着地球自转方向而运行

10、的轨道。但是这种“静止”也是表现在一定范围内的。如北斗导航实验卫星就是采用这种轨道。,GPS定位技术与应用 2010.12,（2）月引力的影响 日月引力又称“第三体引力”，它不仅影响卫星的运行，而且影响地球的自转，因此，在考虑日月引力摄动时，应为日月引力对卫星轨道的作用与对地球作用的差值。 （3） 太阳光压（辐射）的影响,GPS定位技术与应用 2010.12, 地球潮汐摄动力 地球不是一个刚体，它在日月引力的作用下会产生形如潮汐般的变形，称之为地球固体潮。此外日月引力还会产生海潮和大气潮，这三种潮汐改变了地球引力场中的摄动力。因此，在地球引力摄动中，附加了一个地球潮汐摄动力，它是日月引力对卫星

11、的间接作用。 对于在1000千米高度运行的卫星，地球潮汐摄动力的量很小，对于36000千米高度运行的卫星，其摄动量常忽略不计。,GPS定位技术与应用 2010.12,GPS卫星信号的构成,GPS卫星信号包括三种信号分量：测距码，载波，数据码。 GPS卫星取L波段两种不同频率电磁波为载波。,2.2 GPS卫星的载波信号,GPS定位技术与应用 2010.12,在L1载波上调制有:C/A码、P码和导航电文(D码); 在L2载波上调制有:P码和导航电文(D码); 到2007年约有2/3的GPS卫星在L2载波上亦调制有C/A码!,GPS定位技术与应用 2010.12,2.2 GPS卫星的载波信号,GPS

12、卫星信号 两种载波: L1载波、L2载波; 两种测距码: C/A码、P码; ( P码 + W码 = Y码! ),GPS定位技术与应用 2010.12,在L1载波上调制有: C/A码、P码和导航电 文(D码); 在L2载波上调制有: P码和导航电文(D码); 到2007年约有2/3的 GPS卫星在L2载波上 亦调制有C/A码!,GPS定位技术与应用 2010.12,载波信号,将基准信号(标准频率:10.23MHZ)分别倍频可 获得L1载波和L2载波; 将其倍频154倍获得L1载波: f1=1575.42MHZ ; 1=19.03Cm 将其倍频120倍获得L2载波: f2=1227.60MHZ ;

13、 2=24.42Cm,GPS定位技术与应用 2010.12,选择L波段的主要原因： 1.为了使信号受电离层折射影响尽量小。 （S = A / f2） 2.为了获得较大的多普勒频移值。 3.为了使信号在传播过程中能量损耗小。 4.为了降低GPS接收机的成本。 5.此波段不那么拥挤。,GPS定位技术与应用 2010.12,2.3 卫星的测距码信号,测距码包括： C/A码：亦称粗码、明码和捕获码， 波长为293m； 对所有用户公开。 P码：亦称精码、保密码， 波长为 29.3m； C/A码和P码都属于伪随机噪声码信号。,GPS定位技术与应用 2010.12,2.3.1 随机噪声码,1、噪声的概念：在

14、信息理论中通常将一组不包含我们想要信息的量称为噪声（白噪声）。 （白）噪声的特点： 1）可以达到最小的测量模糊度。（测距和测速） 2）克服多路径信号干扰（有效通信）的最佳信号。 3）具有良好的自相关特性。,GPS定位技术与应用 2010.12,编码的概念 如果将各种信息，例如声音、图像和文字等通过量化，并按某种预定的规则，表示为二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。 是信息数字化的重要方法之一。,比特（binarydigit）的概念 二进制数，码的度量单位，在二进制中，一位二进制数叫一个码元或一个比特。 数码率（BPS） 在二进制数字化信息传输中，每秒钟传输的比特数称为数码率。,2、比特和码

15、的概念,GPS定位技术与应用 2010.12,码的概念：在现代数字化通信中，广泛使用二进制数（即0和1）及其组合来表示各种信息。这些表达不同信息的二进制数及其组合，便称为码。 码可以看作是以0和1为幅度的时间函数，用u(t)来表示。噪声信号看下图。,GPS定位技术与应用 2010.12,3、随机噪声码的概念 噪声信号可以用随机码序列U（t）来表示。很显然随机码序列U（t）中的每个码元是0或1，从整体来说，其出现的概率各为1/2。但相对于某个时刻t而言，又是完全随机的，而且是全无规律性。所以，这种码元幅值全无规律的数码序列又称为随机噪声码（或称为随机码、噪声码）。表2-1 随机噪声码的特点： 非

16、周期性序列，无法复制，自相关性好。,GPS定位技术与应用 2010.12,4、自相关性,任意两个随机噪声码序列U（t）与V（t）的相关性，可用下式表示 将这两个随机噪声码序列U（t）与V（t）对齐进行比较，在对应的码元中，码值相同（同为0或同为1）的码元个数为A，而码值相异（其一为1、而另一个为0）的码元个数为B。那么两者之差AB与两者之和A+B（即码元总数）的比值，即定义为这两个随机噪声码序列U（t）与V（t）的相关系数，并以符号R（t）表示。,GPS定位技术与应用 2010.12,R（t） 0 的情况,对于两个任意随机噪声码序列U（t）和V（t），在各位置上其幅值为1或0出现的概率各为1/

17、2。那么将两码U（t）与V（t）对齐进行比较，在对应的码元中，两个码值相同（同为1或同为0）的概率和码值相异（其一为1、而另一个为0）的概率各为1/2。即此时A B ，则这两个随机噪声码序列U（t）和V（t）的相关系数R（t） 0 。,GPS定位技术与应用 2010.12,例如对于任意两个噪声码: X（t）：1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 n. Y（t）：1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 n. 比较可知: A = 6, B = 7 , n 时 A = B n / 2 其相关系数 R=（ AB）/（AB） 0,GPS定位技术与应用 2010.12,R（t）=

18、 1（MAX）的情况,对于一个随机噪声码序列U（t），现假设将其复制并与其自身对齐进行比较，现求其相关系数。此时会有A = n（n为随机噪声码序列的码元总数），而B = 0 ；则相关系数R（t）= 1（MAX）。即其相关程度最大。也就是说，随机噪声码序列具有良好的自相关特性。,GPS定位技术与应用 2010.12,若对于同一个噪声码: X（t）：1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 n Y（t）：1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 n 比较可知: A = n ， B = 0 则 R=（ AB）/（AB）=1（MAX）。,GPS定位技术与应用 2010.12,如何利

19、用其良好的自相关特性？,假设：卫星和测站接收机可以产生同一种噪声码(结构完全相同) 。 卫星：测距码 U（t）； 测站；跟踪码 U（t）； 在接收机处:因测距码 U（t） 须经过t 时间的传播到达接 收机,则测距码 U（t）比跟踪 码U（ t）要延迟 t 的时间。,GPS定位技术与应用 2010.12,测距码 U（t）: 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 跟踪码 U（t） : 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 现利用码相关器求两码相关系数: R=0 再利用码延迟器将跟踪码 U （t）延迟1 2 3 的时间，若有： i t 则 R=0 直至： n = t 即:

20、 测距码 U（t）: 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 跟踪码 U（t）: 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 才有 R = 1（MAX） 此时便有：伪距 = C t （或 =C n） 然而假设却无法成立,因为噪声码不能复制!为此必须要产生一种码既能复制又可以保持良好的自相关特性。,GPS定位技术与应用 2010.12,2.3.2 伪随机噪声码： 虽然随机噪声码具有良好的自相关特性，但是随机噪声码是一种非周期性的码序列，而且其没有确定的编码规则，所以随机噪声码是无法复制的。那么我们也就无法利用随机噪声码良好的自相关特性。为了能够在实践中应用，GPS系统采用一种

21、伪随机噪声码（Pseudo Random Noice - PRN），简称伪随机码或伪码。 伪随机噪声码特点： 有随机噪声码良好的自相关特性， 有确定的编码规则，是周期性的、可以复制。,GPS定位技术与应用 2010.12,1、m序列产生器的构造及工作方法. 反馈方式: F(x)=1a3 a0 模二相加法则：0 0=0；1 0=1； 0 1=1；1 1=0； m序列产生器工作过程： 初始状态：（1、0、0、0）；经过15t0时间(即15种状 态)又回到原始状态。 所输出m序列为： 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0

22、1 ,GPS定位技术与应用 2010.12,4级m序列产生器,GPS定位技术与应用 2010.12,GPS定位技术与应用 2010.12,2 、 m序列的特性: (1)、均衡性和游程分布见书38页. (2)、mp “移位” mr, mr仍为m序列; mp: 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 mr: 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 而且: mp mr = ms, ms仍为m序列 mp: 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1

23、 0 0 mr: 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 ms: 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 ,GPS定位技术与应用 2010.12,3 、 m序列的周期 : N被称为码元个数, r为寄存器的个数,t0的意义？ (4) 、 m序列仍具有自相关特性,此处呈周期性。 (5) 、 m序列可以复制(只要掌握反馈方式) ！ (6) 、 m序列周期的扩大和缩短: 扩大方法有: 逻辑乘和模二相加(如何扩大周期?) 缩短方法有: m序列的截短 例如: 0 0 0 1 1 1 1 0 1

24、0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0,GPS定位技术与应用 2010.12,2.3.3 GPS的测距码信号,测距码包括： C/A码：亦称粗码、明码和捕获码，其波长为293m； P码： 亦称精码、保密码，其波长为 29.3m；,GPS定位技术与应用 2010.12,GPS定位技术与应用 2010.12,C/A码的说明: 1、可产生1023种C/A码，每颗卫星使用其中一种。 2、C/A码的周期：T = 10231023000=1ms;

25、 其波长： = 10-33105103/1023 = 293m; 3、 C/A码的波长为293米，比较大！故其测距精度 低（一般对齐精度为1/501/100）所以称为粗码。 4、 C/A码的周期为1ms，比较短，易于捕获，所以称为捕获码。 5、搜索卫星信号时，首先捕获C/A码，获得导航电 文后得到时间信息（Z计数），再捕获P码。,GPS定位技术与应用 2010.12,2、精码P码： 产码速率10.23MHZ PN1 两个m序列产生器分别 反馈方式保密 截短 由两个12级寄存器组成 PN2 PN1 移位 PN1 逻辑乘 PN2 PN2 P码 对于 PN1和 PN2 ：N=（2121）2=16.7

26、69106 对于PN1 ：N1=15.345106 对于PN2 : N2=15.34510637,GPS定位技术与应用 2010.12,P码的说明: 1、按上面方式产生的P码其周期为38周，而实际使用P码的周期为7天（每周日午夜零时开始）。 2、有37种P码，其中32种用于卫星，5种用于地面 站。 3、对于P码其波长为29.3米，比较短，测距精度比 较高，故称精码。 4、对于P码其产码速率比较快（10.23MHZ）,搜索 卫星信号时，直接捕获P码非常难！更难于破译它。 5、现在：P码W 码=Y码。,GPS定位技术与应用 2010.12,2.4 GPS的导航电文,导航电文的基本单位是“帧”, 每

27、帧包括 5个子帧, 每个子帧包括 10个字 ,每个字又包括30个比特(bit), 则每帧包括1500个比特 每25帧(页面)构成一个 主帧。,GPS定位技术与应用 2010.12,在一个主帧中前3个子 帧的内容是相同的,而第4 和第5个子帧的内容彼此 不同,而且这25个帧的第4 和第5个子帧构成一完整 的内容。 前3个子帧的内容每1小时 更新一次,而第4和第5个子 帧的内容只有在有新的数 据注入后才进行更新。,GPS定位技术与应用 2010.12,导航电文包括:卫星星历、星钟改正、电离 层延迟改正、工作状态以及Z计数。 具体情况如下: 1、遥测码(TLW): 位于每个子帧的第一个字,用来表明卫

28、星注入 数据的状态。 2、转换码(HOW): 位于每个子帧的第二个字,其作用是提供帮助 用户从捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。,GPS定位技术与应用 2010.12,3、第一数据块: 第1个子帧的内容构成第一数据块,其包括以 下四部分: 1）时延差改正(Tgd): 用来对单频接收机的观测值进行电离层时延 改正。 2）数据龄期（AODC）： AODC = toc tL ; toc 和 tL意义？ 指明卫星时钟改正数的置信度！,GPS定位技术与应用 2010.12,3）星期序号（WN）：表示从1980年1月6日 子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星 期数。 Z计数的值为：1100800

29、（每个计数为6秒） 则Z计数代表的时间为：6秒604800秒（一 周）。 4）卫星时钟改正： a0 、a1、 a2 和 toc 的意义！,GPS定位技术与应用 2010.12,4、第二数据块： 第2和第3个子帧的内容构成第二数据块用来提供 卫星星历，描述卫星的运行轨迹。其包括： 1、开普勒六参数： 2、轨道摄动九参数： 3、时间二参数：,GPS定位技术与应用 2010.12,5、第三数据块： 一个主帧的所有第4和第5个子帧的内容构成第三数据块，用来提供所有GPS卫星的概略星历、时钟改正和卫星工作状态等信息。 第三数据块的作用: 1、可较快地捕获到卫星。 2、可制定合理的观测计划。,GPS定位技

30、术与应用 2010.12,2.5 GPS卫星星历,2.5.1、广播星历（预报星历）： 卫星星历：是描述卫星运行轨道的信息，以星历参数 的形式提供出来。星历参数包括开普勒轨道6参数、 轨道摄动9参数和2个时间参数。 广播星历的产生: 参考星历 外推 注入星历 广播星历 广播星历的特点： (1)、广播星历的精度较低。 (2) 、利用GPS接收机接收GPS卫星信号即可获得广播星历。,GPS定位技术与应用 2010.12,2.5.2精密星历（事后星历）： 若干个跟踪站对卫星进行实际观测,根据实际 观测的数据来计算卫星的轨道参数。提供给 用户,用来计算卫星的坐标等。 精密星历的特点： (1)、精度较高,

31、需要提前预订。 (2)、只能用于事后进行数据处理。,GPS定位技术与应用 2010.12,精密星历很多,介绍下列几种: 1、NSWC精密星历: 它是由美国海军水面兵器中心编制的。 2、NGS精密星历: 它是由美国国家大地测量局编制的。 3、其它一些事后处理星历,例如: 得克萨斯大学和麻省理工学院编制的精密星历。 另外国际地球动力学学会无偿向全球用户提供GPS各种信息,其中包括:预报星历(IGP) 、快速星历(IGR)和精密星历(IGS) 。,、,GPS定位技术与应用 2010.12,本章习题 1、GPS卫星可以发射几种载波？如何获得？其频率和波长各是多少？ 2、确定GPS卫星载波的原因包括哪几点？ 3、GPS卫星所发射的测距码包括哪些？各有什么特点？波长又是多少？ 4、什么叫噪声？什么叫编码？ 5、（白）噪声有哪些特性？如何利用其特性来测量星站之间的距离？ 6、导航电文包括哪些内容？各有什么用处？ 7、第三数据块的作用是什么？ 8、什么叫星历？分别叙述广播星历和精密星历的产生方法及特点。举例说明精密星历包括哪些。,