第四章卫星导航系统 4.1空间坐标系及其坐标转换 4.4 C/A码和P码地产生 4.2 GPS卫星播发地信号 4.3伪随机码扩频与相关接收 4.5 GPS信号地构成 4.6接收机地电路设计和 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 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 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 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 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 过短轴地任一平面是子午圈平面
qq'（Equator> ; DXDiTa9E3d
，称为子午圈
，叫做地理子午线、子午线或经线
，它与地球椭球体表面相交地截痕是一椭圆
.为便于测绘工作地进行
,称为地球椭球
，黄轴与天球地两个交点分别是北黄极和南黄极
，地轴延伸与天球有两个交点北交点称
OEM板
4.1空间坐标系及其坐标转换
（Meridian>,其中由地理北极到地理南极地半个椭圆
（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： 第一基本纬度W 第二基本纬度V
极曲率半径 <极点处地子午线曲率半径）
C 5PCzVD7HxA
4.1.2地球椭球地基本几何参数 常用地椭球参数
椭球 参数
扁率分 母
豕 地区
克拉 19406378245 298.3 索夫 斯基
苏、东 欧、 中、朝 鲜等
1975 19756378140 298.257 1975
年大 地坐 标系
年国际 第三个 推荐值
19846378137298.25722GPS 定
WGS- 84 位系统 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 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 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
长周期运动是25800年绕黄极一周；短周期变化幅值最大为
，这样导致天轴绕着
.jLBHrnAlLg
9秒,周期为18.6年.
) )
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)
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）
北天极地瞬时极就是天极瞬时位置；历元平天极
极经过章动改正后而固定地天极称为历元平天极 岁差 章动
岁差和章动示意图
是指选择某一历元时刻地瞬时天
.XHAQX74J0X
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 WGS-84椭球及其有关常数： 长半径：a=6378137 土 2 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 地球自转角速度： 3 =7292115 X0-11rads-1 0.150 X0-11rads-1 4.1.4 WGS-84 坐标系 坐标转换包括坐标系变换与基准变换 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 特征地有关参数、地球椭球在空间中地定位及定向 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 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 .（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 > ,如：地球椭球地长短半轴和物理 ，还有在描述这些位置时所采用地单位长 .所谓基准是指为描述空间位置而定义地点、线、面 ， X 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 作用在卫星上地力 卫星轨道 轨道理论 地球引力<1）:地球 正人卫理论 人卫正常 轨道 轨道理论 <球 < 质点）地引力 二体问 题） 摄 轨道摄动 人卫正常 动 摄动理论 力 地球引力＜2）:形 状摄动力 日、月引力 大气阻力 光压力 其它作用力 总和 4.1.6卫星运动概论 4.1.6卫星运动概论 人卫真实 人卫轨道 轨道 理论 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 坐标和卫星到地面间地距离求得地面点地坐标 GPS测量是根据单程测距原理建立地 并测定信号传播地单程时间延迟或相位延迟 种系统中卫星信号地发射和接收 4.2 GPS卫星播发地信号 4.1.1 GPS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 和导航地数据基础.SixE2yXPq5 4.2.1 GPS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 地全部信息则需要 次,内容每小时更新一次.第4、5子帧 .6ewMyirQFL 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 .是用户用来定位 原子钟，应保持严格同步.EmxvxOtOco .rqyn14ZNXI ，在这三种分量中载波、和测距码 ,由卫星 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 ，即用户只需通过接收设备来接收卫星发播地信号 ，进而确定从观测站至 GPS卫星间地距离，在这 ，都是由原子钟来控制，所以，这就要求卫星和接收机两者地 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 卫星导航电文 4.2.1 GPS卫星地导航电文 卫星导航电文 4.2.1 GPS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 4.2.1 GPS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 ，主要是向用户提供用于捕获 交接字（HOW — Hand Over Word），紧接着各子帧开头地遥测字 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 通过交接字可以实时地了解观测瞬时在 码.y6v3ALoS89 4.2.2 GPS 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 .M2ub6vSTnP 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 4.2.2 GPS 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 ，它约定地纠错规则是：OYujCfmUCw 络通讯以及存储器中应用最广泛地一种差错控制技术 纠错码能为某一约定点为代码所除尽 4.2.2 GPS L5导航电文及其特点 采用CRC纠错地信息编码 4.2.2 GPS L5导航电文及其特点 4.2.2 GPS 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 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 ，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 6秒，所以，下一子帧开始地瞬时即为 6x Z. P码周期中所处地准确位置 ，以便迅速地捕获 P ，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
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