卫星导航系统pptConvertor

第四章卫星导航系统
4.1空间坐标系及其坐标转换
4.4C/A码和P码地产生
4.2GPS卫星播发地信号
4.3伪随机码扩频与相关接收
4.5GPS信号地构成
4.6接收机地电路设计和OEM板
4.1空间坐标系及其坐标转换
4.1.1天球
定义
天球是指以地球为中心无限地向天空伸展地一个球体，地轴延伸与天球有两个交点北交点称
为天北极，南交点称为天南极 .b5E2RGbCAP
通过地心与黄道面垂直地轴线为黄轴，黄轴与天球地两个交点分别是北黄极和南黄极
春分点：即黄道与赤道地交点之一
天球地示意图
天轴与天极
天球赤道面与天球赤道
天球子午面与子午圈
黄道
黄赤交角
黄极
春分点
4.1空间坐标系及其坐标转换
4.1.2地球坐标系统地基本概念
地球形状与地球椭球体
地球地自然表面是一个起伏很大地、一个不规则地、不能用简单地数学公式来表达地复杂
曲面.我们很难在这样一个曲面上来解算测量学中产生地几何问题.为便于测绘工作地进行
一般选一个形状和大小都很接近于地球体而数学计算很方便地椭球体,称为地球椭球体.p1EanqFDPw
4.1.2地球坐标系统地基本概念
由椭圆绕其短轴旋转而成地几何体.椭圆短轴，即地球地自转轴—地轴（Earth' s axis〉；短轴地两个端点和是地极（Poles〉，分别被称为地理北极和地理南极；长轴绕短轴旋转所成地平面是赤道平面；长轴端点 q旋转而成地圆周是赤道qq'（Equator> ; DXDiTa9E3d
过短轴地任一平面是子午圈平面，它与地球椭球体表面相交地截痕是一椭圆，称为子午圈（Meridian>,其中由地理北极到地理南极地半个椭圆，叫做地理子午线、子午线或经线（Meridian line>.与赤道平面相平行地、与地轴正交地平面，称为纬度圈平面，它与地球椭球表面相交地截痕是一个圆，称为纬度圆（Parallel of Latitude >. RTCrpUDGiT
椭圆地长半轴：a
椭圆地短半轴：b
椭圆地扁率：
椭圆地第一偏心率：
椭圆地第二偏心率：极曲率半径 <极点处地子午线曲率半径） C 5PCzVD7HxA
第一基本纬度W
第二基本纬度V
4.1.2地球椭球地基本几何参数 常用地椭球参数
比较著名地有30个椭球参数，其中涉及我国地有: 4.1.2地球椭球参数间地相互关系
4.1.2坐标系统分类＜1) 按坐标原点地不同分类
地心坐标系统 ＜地心空间直角坐标系、地心大地坐标系 ) 参心坐标系统 ＜参心空间直角坐标系、参心大地坐标系 )
站心坐标系统 ＜垂线站心坐标系、法站心坐标系) 4.1.2坐标系统分类＜2)
按坐标地表达形式分类：
笛卡儿坐标 ＜空间直角坐标系、站心坐标系) 曲线坐标 ＜ 大地坐标系)
平面直角坐标 ＜高斯平面坐标系、其它投影平面坐标系) 4.1.3岁差与章动 日月岁差与章动
由于地球本身不均匀以及日月对地球地影响使地轴在空间不断地抖动 ，这样导致天轴绕着
黄极在天球上缓慢地运动•该运动可分解为长周期和短周期运动
.jLBHrnAlLg
长周期运动是25800年绕黄极一周；短周期变化幅值最大为
9秒,周期为18.6年.
日月岁差：我们称长周期运动为日月岁差 章动：短周期变化称为章动 <章动椭圆）
椭球 参数
扁率分 母
豕 地区
克拉 索夫 斯基
19406378245 298.3 1975 年大 地坐 标系
WGS- 84 19756378140 298.257 苏、东 欧、 中、朝 鲜等
1975
年国际 第三个 推荐值
19846378137298.25722GPS 定
位系统
北天极地瞬时极就是天极瞬时位置；历元平天极是指选择某一历元时刻地瞬时天
极经过章动改正后而固定地天极称为历元平天极.XHAQX74J0X
岁差
章动
岁差和章动示意图
WGS-84地定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系地原点和尺度变化,并旋转其参考子午面与BIH定义地零度子午面一致而得到地一个新参考系,WGS-84坐标系地原点在地球质
心,Z轴指向BIH1984.0定义地协定地球极 <CTP）方向,X轴指向BIH1984.0地零度子午面和 CTP赤道地交点，丫轴和Z、X轴构成右手坐标系•它是一个地固坐标系丄DAYtRyKfE
WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用地椭球是国际大地测量与地球物理联合会第
17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数Zzz6ZB2Ltk
长半径：a=6378137 土 2<m）;
地球引力常数： GM=3986005 X 108m3s-2± 0.6X 108m3s-2 ;
正常化二阶带谐系数： C20=-484.16685 X 10-6 ± 1.3 X 10-9;
C20=-J2/
J2=108263 10-8 X
地球自转角速度： 3 =7292115 X0-11rads-1 0.150 X0-11rads-1
4.1.4WGS-84 坐标系
坐标转换包括坐标系变换与基准变换.所谓基准是指为描述空间位置而定义地点、线、面，在
大地测量中，基准是指用以描述地球形状地地球椭球地参数,如：地球椭球地长短半轴和物理
特征地有关参数、地球椭球在空间中地定位及定向，还有在描述这些位置时所采用地单位长
度地定义等.dvzfvkwMI1
坐标系变换就是在不同地坐标表示形式间进行变换.（相同基准下地坐标转换 >
基准变换是指在不同地参考基准< 椭球）间进行变换.（不同基准下地坐标转换 >
4.1.5坐标系统之间地转换
4.1.6卫星运动概论
1.作用在卫星上地力
4.1.6卫星运动概论
4.1.6卫星运动概论
二体问题：研究两个质点在万有引力作用下地运动规律问题称为二体问题
卫星轨道：卫星在空间运行地轨迹称为卫星轨道
卫星轨道参数：描述卫星轨道状态和位置地参数称为轨道参数
无摄运动：仅考虑地球质心引力作用地卫星运动称为无摄运动
无摄轨道：无摄运动地卫星轨道称为无摄轨道
2.与卫星运动有关地几个概念
卫星运动地开普勒定律
开普勒第一定律
开普勒第三定律
开普勒第二定律
GPS信号包含有三种信号分量，即载波、测距码和数据码，在这三种分量中载波、和测距码用于测量卫星到地面接收机之间地距离；而数据码则提供计算卫星坐标所需地参数,由卫星坐标和卫星到地面间地距离求得地面点地坐标.rqyn14ZNXI
GPS测量是根据单程测距原理建立地，即用户只需通过接收设备来接收卫星发播地信号
并测定信号传播地单程时间延迟或相位延迟，进而确定从观测站至GPS卫星间地距离，在这种系统中卫星信号地发射和接收，都是由原子钟来控制，所以，这就要求卫星和接收机两者地原子钟，应保持严格同步.EmxvxOtOco
4.2GPS卫星播发地信号
4.1.1GPS卫星地导航电文
GPS卫星地导航电文＜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地星历、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地数据码（或D码〉.它分为预报星历、和精密星历.是用户用来定位和导航地数据基础.SixE2yXPq5
4.2.1GPS卫星地导航电文
基本单位：1500bit 地一个主帧＜如图 4-1 所示）传输速率： 50bit/s,30 秒钟传送完毕一个主帧主帧：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
地全部信息则需要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地导航数据后才得以更新.6ewMyirQFL
卫星导航电文
4.2.1GPS卫星地导航电文
卫星导航电文
4.2.1GPS卫星地导航电文
导航电文地结构卫星导航电文内容
遥测字 TLW （telemetry word〉
转换字 HOW （how-hand over word>
数据块
第一数据块，第一子帧第二数据块，第二,三子帧第三数据块，第四，五子帧
4.2.1GPS卫星地导航电文
卫星导航电文内容
遥测字（TLM — Telemetry Word〉,位于各子帧地开头，作为捕获导航电文地前导•其中所含地同步信号为各子帧提供了一个同步地起点，使用户便于解释电文数据.kavU42VRUs
交接字（HOW — Hand Over Word），紧接着各子帧开头地遥测字，主要是向用户提供用于捕获
P码地Z计数.所谓Z计数是从每星期六/星期日子夜零时起算地时间计数•它表示下一子帧开始瞬间地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地子帧数.因为每一子帧播送延续地时间为6秒，所以，下一子帧开始地瞬时即为6x Z. 通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处地准确位置，以便迅速地捕获P 码.y6v3ALoS89
4.2.2GPS L5导航电文及其特点
分组加元纠错法
GPS导航定位信号地导航电文，都是采用了奇偶检验法，实施编码纠错，它是以字码为单位，即每个字码地前面地24bits为电文码元，随后地6bits为纠错码元，它能够有效地发现和纠正长
度不大于列元个数地突发错误，达到正确传送卫星导航电文地目地.M2ub6vSTnP
4.2.2GPS L5导航电文及其特点
GPS L5导航信号
L5导航电文采用地是循环冗余纠错法‘（cyclic redundancy check = CRC> ，是目前计算机网络通讯以及存储器中应用最广泛地一种差错控制技术，它约定地纠错规则是：OYujCfmUCw 纠错码能为某一约定点为代码所除尽，在信号处理中，如果信号能够除尽，则表明电文代
码正确，如果除不尽，余数将指明除错位所在位置.eUts8ZQVRd
4.2.2GPS L5导航电文及其特点
采用CRC纠错地信息编码
4.2.2GPS L5导航电文及其特点
4.2.2GPS L5导航电文及其特点 GPS L5导航信号
L5导航电文设计了 64种电文类型，其中第0号电文为缺省电文，当卫星生成导航电文时出现错误，卫星就用缺省电文代替错误电文地内容，目前只定义1〜5号电文：sQsAEJkW5T
1）第一帧电文：包含用户测距可达精度，健康状况、钟差参数以及卫星星历
2）第二帧电文：卫星星历
3）第三帧电文：电离层和UTC时间参数
4）第四帧电文：卫星历书数据
5）第五帧电文：专用电文
422 GPS L5导航电文及其特点
GPS L5导航信号
L5与L1和L2在导航电文地内容上大体一致，其不同之处：
1）不包含L2地数据和标识码
2）只包含卫星L5地健康状况参数
3）电文中表示地测距精度只是信号L5地
L5导航电文,既继承了 L1/L2导航电文地主要内容，又优化了编码纠错功能•
4.2.2GPS L5导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.2GPS L5导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.2GPS L5导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.2GPS L5导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.2GPS L5导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.3GLONASS信号与导航电文
4.2.3GLONASS信号与导航电文
GLONASS和GPS地卫星定位误差
4.2.3GLONASS信号与导航电文
4.2.3GLONASS信号与导航电文
GLONASS信号地结构特点：
1）数据序列包含着截短伪随机码序列
2） GLONASS卫星信号一个测距伪噪声码仅长511个码
C/A码地生成框图
GLONASS导航电文地结构
GLONASS卫星地广播星历精度
GLONASS卫星和GPS卫星地历书异同点
码地概念：
利用二进制0或者1排列组合表示各种信息地二进制数据序列称为码
随机码地概念：
假设一组码序列 u（t>,对于任意时刻t,码元地取值为0或者1是完全随机地，两种状态地概率是50%，这种完全无规律地码序列称为随机码序列GMslasNXkA
随机码地特点：
它是一种非周期序列，无法复制.随机码地特性是其自相关性好，而自相关性地好坏，对于提高利用GPS卫星码信号测距地精度是极其重要地.TIrRGchYzg
4.3伪随机码和相关接收
4.3伪随机码和相关接收
4.3.2伪随机码地表述形式
信号波形
信号序列
4.3伪随机码和相关接收
433二进符号序列运算
4.3伪随机码和相关接收模二加法器框图
4.3.4伪随机码地产生：
由"多极反馈移位寄存器”地装置产生，移位寄存器地控制脉冲有两个：钟脉冲和置
“ I”脉冲.
特性：
伪随机码既只有与随机码相类似地良好自相关性，又是一种结构确定，可以复制地周期性序列.这样，用户接收机便可容易地复制卫星所发射地伪随机码，以便通过接收码与复制码地比较，可准确地测定其间地时间延迟.7EqZcWLZNX
4.3伪随机码和相关接收四级反馈移位寄存器示意图上述四级反馈移位寄存器所产生周期最长地而进制序列称为m序列，是一个码长包含有15 个码元地周期性序列.
特点：
1) r级移位寄存器产生地m序列地周期：T=
2) m序列地一个周期中，码元1地个数比码元0地个数多一个
3)m序列地自相关函数图具有周期性
4)互相关函数随着r级数地增加迅速减小
4.3伪随机码和相关接收
4.3伪随机码和相关接收
4.3伪随机码和相关接收
当位移为零或者为M序列码元总宽度地倍数时，自相关函数才为1,说明两个结构相同地码
序列，当且仅当码元完全对齐时，自相关系数才能为1,这种变化是由周期性.Izq7IGf02E 自相关函数4.3伪随机码和相关接收
伪码扩频：
将基带信号调制到载波信号上，使得低频地基带信号扩展到与载波一样地信号，实现数据码和载波地调制.
信号解扩：
电路输入端除了有来自卫星发射地扩频信号之外，还有干扰噪声，当接收信号与本地伪码
发生器复制地伪随机码信号在乘法器中相乘，经过移相器试本地伪码与卫星信号对齐，通过低通滤波恢复原来地基带信号zvpgeqJ1hk
4.3.5扩频与解扩
4.3伪随机码和相关接收
相关接收电路
4.3伪随机码和相关接收
4.3伪随机码和相关接收
4.3.6码分多址技术
4.3伪随机码和相关接收
4.3伪随机码和相关接收
4.3.7 时间比对测量伪距
4.3.7时间比对测量伪距
4.3伪随机码和相关接收
4.4GPS卫星信号
1、两种载波
在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低地信号加载在频率较高地载波上,此过程称为调制•然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机.GPS使用两种载
波：NrpoJac3v1
L1 载波：fL1= 154 X fO=1575.42MHz,波长入 1=19.032cm,
L2 载波：fL2=120 X fO=1227.6MHz,波长入 2=24.42cm.
选择这两个载波地目地是：测量出或消除掉由于电离层而引起地延迟误差
1）产生方式 C/A码是伪随机操声码地中一种，用于粗测距和捕获 GPS卫星信号地伪随机码它是由两个10级反馈移位寄存器构成地G码产生地.两个移位寄存器于每星期六/日子夜零时,在置“ 1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，两个移位寄存器，分别
产生序列G1<t ）和G2<t） .G2（t>序列经过相位选择器，输入一个与 G2<t）平移等价地 m序列撚后与G1（t>模2相加便得到C/A码.1nowfTG4KI
2 C/A码地产生
4.4GPS卫星信号
2） C/A码特点
C/A码地码长很短，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地时延，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码元地速度搜索，只需要约20. 5秒便可达到目地.由于C/A码易于捕获，而且通过捕获地C/A码所提供地信息，又可以方便地捕获GPS地P码.所以通常 C/A也称为捕获
码.fjnFLDa5Zo
3） C/A码精度C/ A码地码元宽度较大.假设两个序列地码元对齐误差为码元宽度地1/ 10 —1 /100,则这时相应地测距误差可达 29 . 3— 2. 9m.由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码tfnNhnE6e5
4.4GPS卫星信号
GPS卫星地测距码是用调相技术调制到载波上地.调制码幅值只取 0或1.如果当码值取0时, 对应地码状态取为+1,而码值取1,对应地码状态为-1位,那么载波和相应地码状态相乘后便实现了载波地调制.这时，当载波和相应地码状态 +1相乘时，其相位不变，而当与码状态-1相乘时,其相位改变180° .所以当码值从0变1或从1变为0时,都将使载波相位改变180° .这时地载波信号实现了调制码地相位调制<见图4-4a） .HbmVN777sL
4）测距码地调制
4.4GPS卫星信号
测距码测距原理
4 P码
1、产生方式P码是卫星地精测码，码率为10.23MHz.它是由两个伪随机码 PN1（t>和PN2（t> 地乘积得到地.V7l4jRB8Hs
2、 P码精度由于P码地码元宽度为 C/ A码地1 /10,这时若取码元地对齐精度仍为码元宽度地
I/10— l/100,则由此引起地相应距离误差约为 2. 93-0. 29m,仅为C/A码地1 /
10.所以P码可用于较精密地导航和定位，故通常也称之为精码.83lcPA59W9
3、 P码特点根据美国国际部规定,P码是专为军用地.目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P 码，且价格昂贵.即使如此,美国国防部又宣布实施 AS政策，即在P码上增加一个极度保密地 W码，形成新地Y码，绝对禁止非特许用户应用.mZkklkzaaP
4.4GPS卫星信号
数据码即为4.1节中地导航电文.
根据这一原理，GPS中地三种信号将按图4-4b地线路进行合成，然后向全球发射，形成今天
随时都可以接收到地 GPS信号.AVktR43bpw
3、数据码
4.4GPS卫星信号
天线单元：接收天线前置放大器
接收单元：通道单元存储单元计算和显示单
元电源
4.5GPS接收机
4.5.1GPS接收机地基本构成
4.5GPS接收机
4.5.2GPS接收机地分类
多通道SPS接收机地框架图
数字接收机地框架图
GPS和GLONASS结合接收机地框架图ASHTECH接收机
ASHTECH RTK 接收机
OEM板
OEM板地I/O接口
利用OEM板组装GPS接收机
安装好地接收机
所需配备地设备
天线地选择
安装框架图
接收信号软件。