第三、四章-GPS卫星定位基础..ppt

第三章卫星运动基础及GPS卫星星历第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号主要内容 卫星轨道运动； GPS卫星信号； 美国政府的GPS政策及其现代化卫星轨道运动 假如地球是一质量分布均匀的球体，因此地球的引力就等效于一个质点的引力地球可视为质量全部集中在其质心的质点，卫星当然同样可以看作是质量集中的质点 研究两个质点在万有引力作用下的相对运动问题，在天体力学中称为二体问题在二体问题意义下，地球人造卫星的轨道运动，称为正常轨道运动卫星轨道运动 卫星轨道：卫星在空间绕地球飞行时的的运行轨迹 无摄运动：仅仅考虑地球的质心引力对卫星的引力作用来研究卫星的运动 受摄运动：卫星在各种引力作用下的运动，或卫星在摄动力下的运动卫星轨道运动 1、卫星轨道 在固定的轨道上运行，在地球引力场中运动 二体运动（无摄运动）：研究两个质点在万有引力作用下的下的相对运动问题，在天体力学中称为二体问题 二体运动是一种理想状态下的卫星运动： （1）视地球为一理想的均质球体 （2）在一理想的引力场中的运动（地球与卫星之间） 卫星受地球的引力为：卫星轨道运动 卫星运动遵从开普勒三大定律 开普勒第一定律： 卫星在通过地球质心的平面内运动，其向径扫过的面 积与所经历的时间成正比。

（卫星在轨道上运行的速度不等，是不断变化的，在近地点速度快， 在远地点速度慢，随引力的变化而变化）卫星轨道运动卫星轨道运动卫星轨道运动 卫星开普勒正常运动轨道的六个参数： 1）轨道平面参数：i为轨道平面倾角；为升交点赤经 2）轨道椭圆形状参数：a为轨道椭圆长半径；e为轨道椭圆离心率 3）轨道椭圆定向参数：f(或w)为近升角距 4）时间参数：为卫星通过近地点的时刻卫星轨道运动卫星轨道运动 如果已知这6个轨道参数，就惟一地确定了二体 问题意义下卫星的运动状态换句话说，只要已知这6个轨道参数，就可以计算卫星的瞬时位置和瞬时速度 由这6个轨道参数所构成的坐标系统，称为轨道 坐标系统，它广泛用于描述卫星的运动这6个轨道参数的大小则由卫星的发射条件决定卫星轨道运动 受摄运动：受太阳引力、月亮引力、地球潮汐、光辐射等的影响下卫星的运动 改正值：9个改正参数卫星轨道运动卫星轨道运动 2、卫星星历 广播星历：也叫预报星历，是指相对参考历元的外推星历参考历元瞬间的卫星星历(即参考星历)，由GPS系统的地面监控站根据大约一周的观测资料计算而得，为参考历元瞬间卫星的轨道参数 预报星历的内容包括：参考历元瞬间的kepler轨道6参数，反映摄动力影响的9个参数，以及参考时刻参数和星历数据龄期，共计17个星历参数。

用户接收机在接收到卫星播发的导航电文后，通过解码即可直接获得预报星历由于预报星历是以电文方式由卫星直接播送给用户接收机，因此又称为广播星历卫星轨道运动 后处理星历：后处理星历是不含外推误差的实测精密星历，它由地面跟踪站根据精密观测资料计算而得，可向用户提供用户观测时刻的卫星精密星历，其精度目前为米级，将来可望达到分米级 但是，用户不能实时通过卫星信号获得后处理星历，只能在事后通过磁带、网络、电传等通讯媒体向用户传递GPS卫星信号 GPS卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的信号来测定测站坐标的，那么究竟什么是GPS卫星信号呢? 粗略地说，GPS卫星信号包括测距码信号(即P码和C/A码信号)、导航电文(或称D码，即数据码信号)和载波信号 GPS卫星信号的产生、调制和解调都非常复杂，涉及 到现代数字通讯理论和技术方面的若干高科技问题作为GPS信号用户，虽然可以不去深入钻研这些问题，但了解其基本知识和概念，将有助于理解GPS卫星导航和定位测量的原理，因而仍旧是十分必要的GPS卫星信号 1GPS信号的组成 用于导航定位的GPS信号由三部分组成： 测距码（C/A码和P码（Y码） 载波（L1，L2和L5三个民用频率） 导航电文（数据码，D码） 2码、随机噪声码和伪随机噪声码 （1）码：表达表达信息的二进制数及其组合。

（2）随机噪声码：每一时刻，码元是0或是1完全是随机的一组码序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列它是一种非周期序列，无法复制 但是，随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPS码信号测距就是利用了GPS测距码的良好的自相关性才获得成功 （3）伪随机噪声码(PseudoRandomNoise-PRN) 虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复制和利用因此，为了能够实际应用，GPS采用了一种伪随机噪声码(PseudoRandomNoise-PRN)，简称伪随机码或伪码这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则它是周期性的、可人工复制的码序列 伪随机噪声码表面上看无规律，实际上有一定的规律和周期性，且可以复制 伪随机噪声码(PseudoRandomNoise-PRN)由多级反馈移位寄存器产生这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有“0”或“1”两种状态，并接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制 假定一由4个存储单元组成的四级反馈和移位寄存器，如下图所示。

在钟脉冲的驱动下，每个存储单元的内容，都按次序由上一单元转移到下一单元，而最后一个存储单元的内容便输出并且，其中某两个存储单元，例如单元3和4的内容进行模二相加，再反馈输入给第一存储单元 当移位寄存器开始工作时，置“1”脉冲使各级存储单元全处于“1”状态，此后在钟脉冲的驱动下，移位寄存器将经历15种不同的状态，然后再返回到全“1”状态，从而完成了一个周期在四级反馈移位寄存器经历上述15种状态的同时，其最末级存储单元输出了一个具有15个码元，且周期为15的二进制数码序列，称为m序列表示钟脉冲的时间间隔，也就是码元的宽度 3测距码 方波 伪随机噪声码 两种测距码： C/A码-粗码 码速：1.023MHz 码元长度：293m P(Y)码-精码 码速：10.23MHz 码元长度：29.3m C/A码-粗码 C/A码的码长、码元宽度、周期和数码率为：码长Nu=210-1=1023bit；码元宽度tu0.97752s，相应长度293.1m；周期Tu=Nutu=1ms；数码率BPS1.023Mbit/s各颗GPS卫星所使用的C/A码，其上述四项指标都相同但结构相异，这样既便于复制又容易区分 C/A码有如下2个特点： (1)C/A码的码长很短，易于捕获。

在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C/A码逐个进行搜索因为C/A码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20.5s便可完成由于CA码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的信息，又可以方便地捕获P码，所以通常CA码也称为捕获码 (2)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1/101/100，则这时相应的测距误差可达29.32.9m由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码所以，C/A码的原意就是粗捕获码(CoarseAcguisiton Code) P(Y)码-精码 P码由两组各由两个12级反馈移位寄存器的电路发生，其基本原理与C/A码相似，但其线路设计细节远比C/A码复杂并且严格保密 P码的特征是：码长Nu2.351014bit；码元宽度 tu0.097752s，相应长度29.3m；周期Tu=Nntu267d； 数码率BPS10.23Mbit/s 实际上P码的一个整周期被分为38部分，每一部分周期7d，码长约6.191012bit其中，5部分由地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星，1部分闲置这样，每颗卫星所使用P码便具有不同的结构，但码长和周期相同。

因为P码的码长约为6.191012bit，所以如果仍采用搜索CA码的办法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，那将是无法实现的(约需14155d)因此，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，便可容易地捕获P码 另外，由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，这时若取码元的相关精度仍为码元宽度的1/101/100，则由此引起的相应距离误差约为2.930.29m，仅为C/A码的1/10所以P码可用于较精密的导航和定位，称为精码(PreciseCode)目前，美国政府对P码保密，不提供民用，因此GPS信号一般用户实际只能接收到C/A码美国SA和AS 美国国防部出于政策等原因，采取了人为降低GPS测量准确度的措施也就是赋予卫星时钟信息及轨道信息等随机误差，或随机改变发送方式与信号形态，这种人为降低GPS准确度的方式称之为SA出于军事目的，把P码进行加密，称之为AS (1)SA(Selectiveavailability) 通过调节星历表资料与卫星时钟资料使卫星与接收机之间产生误差 SA工作状态下的误差约为100m左右 通过相对位置解算或DGPS，降低由SA造成的误差 (2)解除SA自从2000年5月1日，解除了对GPS误差具有最大影响的SA。

所以，目前可以在任何时间、地点都能够获得精确度为515m范围内的位置信息此项措施令航空、交通、物流、船舶等多种民间应用领域受益非浅但是即使解除了SA，但以米单位为精确度的汽车导航及GIS领域仍需要目前的DGPS技术 (3)AS(AntiSpoofing) 为了防止敌人的干扰，这是把用于军事目的Pcode进行密码化的方法 只有具备解密功能的接收机才能接收信号。