卫星运动和GPS卫星信号解析
GPS课件第三章卫星运动基础及GPS卫星
卫星
赤道 地心 春分 点 轨道
v Ω ω
升交 点
近地点
i y
3.2.2 二体问题的运动方程
卫星的无摄运动—二体问题 3.2 卫星的无摄运动 二体问题
研究卫星绕地球的运动，主要是研究卫星运动状态 随时间的变化规律。根据物理学中牛顿定律确定的微 分方程（3-6）用直角坐标表示的二体问题微分方程：
ɺɺ = − x ɺɺ = y ɺɺ = z r = 加速度
卫星的无摄运动—二体问题 3.2 卫星的无摄运动 二体问题
为轨道的长半径,e a 为轨道的长半径,e 为 轨道椭圆偏心率， 轨道椭圆偏心率，这 两个参数确定了开普 勒椭圆的形状和大小。 为升交点赤经： Ω为升交点赤经：即地球 赤道面上升交点与春 分点之间的地心夹角。 为轨道面倾角： i为轨道面倾角：即卫星 轨道平面与地球赤道 面之间的夹角。这两 个参数唯一地确定了 卫星轨道平面与地球 x 体之间的相对定向。
(µ − (µ − (µ
x
2
/ r / r / r +
3 3 3
)x )y )z
:
2
（ 3 − 6）
卫星地心向径 y
+ z
2
,
: ɺ ɺ ɺ , a = (X ɺ , Y ɺ , Z ɺ )
µ
= GM
地球引力常数
.
微分方程的解为六个轨道参数。
卫星的无摄运动—二体问题 3.2 卫星的无摄运动 二体问题
卫星运动基础及GPS GPS卫星星历 第三章 卫星运动基础及GPS卫星星历
本章需学习的内容： 本章需学习的内容： 3.1 概述 卫星的无摄运动( 3.2 卫星的无摄运动(弄清二体问题的六个轨 道参数) 道参数) 3.3 卫星的受摄运动 GPS卫星星历 星历参数有哪些) 卫星星历( 3.4 GPS卫星星历(星历参数有哪些)
gps卫星定位系统工作原理
gps卫星定位系统工作原理
GPS卫星定位系统工作原理如下：
1. GPS卫星发射信号：GPS卫星通过地面控制站向空中发射
无线电信号，信号包含时间信息和卫星的位置信息。
2. 接收信号：GPS接收器收到GPS卫星发射的信号，通常会
接收到来自多颗卫星的信号。
3. 三角定位原理：GPS接收器通过接收多颗卫星的信号，利
用三角定位原理计算自身的位置。
接收器会测量信号的传播时间，因为光在真空中传播的速度是已知的，所以通过测量时间可以计算出信号的传播距离。
4. 定位计算：GPS接收器通过接收到的多颗卫星信号，将自
身的位置坐标与卫星的位置信息进行计算和比对，从而确定自身的准确位置。
5. 误差修正：GPS系统中存在许多误差因素，例如大气影响、钟差等。
GPS接收器会校正这些误差，以提高定位的准确性。
6. 定位结果输出：GPS接收器将计算出的准确位置信息输出
给用户，用户可以通过显示屏等方式查看自身的位置坐标、速度等相关信息。
总的来说，GPS卫星定位系统的工作原理是通过接收多颗卫
星发射的信号，并通过三角定位原理计算自身的位置，再校正误差以提高定位的准确性，最后将定位结果输出给用户。
第三章GPS系统的组成与GPS信号 第二节卫星的运行及其轨道
于是
c osV a（c os E e） r
将上式代入轨道方程（3-3），则得
r a（1 e cosE）
（3-9） （3-10）
由式（3-9）和式（3-10）可得真近点角与偏近点角之关系：
c osV c os E e 1 e c os E
sin V
1 e2
s in
E
1 e c os E
确定椭圆的形状和大小至少需要两个参数，即轨道椭 圆长半径和轨道椭圆偏心率。
GPS测量定位技术
二、卫星运行的轨道
这里仅将最为适宜的一组轨道参数的符号和含义介绍如下。
轨道椭圆长半径 ，a 轨道椭圆偏心率 。e 和a 共e同确定了椭圆的形状 和大小，其它的几何参数都可以由 和 a推导出e 来。
升交点赤经 ，升交点即是卫星由南向北的运行轨道与地球赤道面的 交点。而升交点赤经就是升交点与春分点所对应的地心夹角。轨道面 倾角i ，即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。这两个参数，唯 一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。
卫星在运行中，除主要受到地球中心引力的作用外，还将 受到其它各种摄动力的影响，从而引起轨道的摄动。在摄动力 加速度的影响下，卫星运行的开普勒轨道参数，不再保持常数 而变为时间的函数。理论分析表明，影响卫星运动的摄动力主 要是地球引力场摄动力的影响、日月引力的影响和太阳光压的 影响。
GPS测量定位技术
二、卫星运行的轨道
M 0称为平近点角，它是一个假设量。如果卫星通过近地点的时刻
为
t
。观测瞬间的时刻为
0
，t 卫星运行的平均角速度为
，n 则平近点角
由下式定义：
M0
n（t
t
）
0
（3-7）
第03章 卫星运动基础及GPS卫星星历
动。
§3.3 卫星的受摄运动
• 概述
G • 讨论二体问题时，六个轨道参数均为常数。 P 其中卫星过近地点的时刻τ也可用平近点角M0 S 代替。在考虑了摄动力的作用后，卫星的受 测 摄运动的轨道参数不再保持为常数，而是随 量 原 时间变化的轨道参数。卫星在地球质心引力 理 和各种摄动力总的影响下的轨道参数称为瞬 及 时轨道参数。卫星运动的真实轨道称为卫星 应 用 的摄动轨道或瞬时轨道。瞬时轨道不是椭圆，
2 影响卫星运行轨道的因素
G P S 测 量 原 理 及 应 用
GPS地球卫星在空间绕地球运行，除受地球引力作用外，
还受到日、月和其它天体的引力影响，以及太阳光压、大气 阻力和地球潮汐力等因素的影响。卫星的实际轨道变得非常 复杂，有不确定性，无法用简单而精确的数学模型描述。 各种作用力中， 地球引力的影响最大，其他作用力的影响
用用星历参数含义卫星prn06radradradsiradscusradcucradcisradcicradcrsmcrcmgpdctgdsiodcn卫星精度n卫星健康n卫星钟差时间偏差卫星钟速频率偏差系数卫星钟速变率漂移系数星历表参考历元星历表的数据龄期aode轨道长半径的平方根轨道偏心率按参考历元t0e计算的轨道倾角近地点角距按参考历元t0e计算的升交点赤经按参考历元t0e计算的平近点角平均角速度之差升交点赤经变化率轨道倾角的变化率纬度幅角的正弦调和项改正的振幅纬度幅角的余弦调和项改正的振幅轨道倾角的正弦调和项改正的振幅轨道倾角的余弦调和项改正的振幅轨道半径的正弦调和项改正的振幅轨道半径的余弦调和项改正的振幅gps周数载波l1和l2的电离层时延迟差星钟的数据龄期aodc0231899321079e060720000000000e040970000000000e020515365263176e040678421219345e020958512160302e000258419417299e010137835982556e010290282040486e000451411660250e080819426989566e080253939149013e090912137329578e050189989805222e060949949026108e070130385160446e070406250000000e010201875000000e030931000000000e030186264514923e080353000000000e030700000000000e01用用为了保持卫星预报星历的必要精度一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法
GPS卫星测量原理解析
GPS卫星测量原理解析全球导航卫星系统（Global Positioning System，GPS）是一种利用卫星定位的技术，广泛应用于地理测量、导航定位等领域。
GPS系统由一组地球轨道卫星、地面控制站和用户终端组成，通过卫星与终端之间的信号传递，实现定位和导航功能。
GPS卫星测量原理是通过测量接收卫星信号的时间差，计算接收器与卫星之间的距离，从而确定接收器的位置。
GPS测量原理主要包括以下几个步骤：1.GPS卫星信号传播：2.接收器接收卫星信号：GPS接收器是用户终端设备，用来接收卫星发射的信号。
接收器通过天线接收到多颗卫星的信号，并将信号传送到内部电路进行处理。
3.信号传播延迟校正：GPS信号在传播过程中会受到大气层和其他障碍物的影响，导致信号传播时间有一定的延迟。
接收器需要根据信号传播延迟的估计值进行校正，以保证测量的精确性。
4.接收器计算距离：接收器通过测量接收到卫星信号的时间差来计算接收器与卫星之间的距离。
接收器会同时接收到多颗卫星的信号，并通过三角定位方法计算出接收器的位置。
5.位置计算：接收器采用三角测量原理计算出接收器与多颗卫星之间的距离信息后，可以利用这些距离信息进行定位计算。
定位计算可采用多种算法，如最小二乘法、加权算法等。
6.导航和定位：根据接收器计算得到的位置信息，用户可以根据导航软件或导航设备显示出当前位置的地图、路线等信息。
GPS定位还可以用于航空、航海、军事等领域的导航和位置跟踪。
需要注意的是，在实际的GPS测量中，常常会受到大气层的折射和多路径传播等误差的影响，这会导致测量结果的不准确性。
为了提高GPS测量的精度，可以采用差分GPS技术、多星系统组合技术以及使用载波相位测量等方法。
总结起来，GPS卫星测量原理是通过测量卫星信号的时间差，计算接收器与卫星之间的距离，从而实现对接收器的定位和导航功能。
通过接收卫星信号、校正信号传播延迟、计算距离、位置计算等步骤，能够准确测量出接收器的位置信息，并在导航设备上显示出相应的地图、路径等。
GPS卫星的星历、GPS卫星信号及GPS的导航电文
不难理解，若观测历元与所选参考历元的时间 差很大，为了保障外推的轨道参数具有必要的精 度，就必须采用更严密的摄动力模型和考虑更多 的摄动因素。实际上，为了保持卫星预报星历的 必要精度，一般采用限制预报星历外推时间间隔 的方法。
为此，GPS跟踪站每天都利用其观测资料， 更新用以确定卫星参考星历的数据，以计算每天 卫星轨道参数的更新值，并按时将其注入相应的 卫星加以储存和发送。事实上，GPS卫星发射的 广播星历每小时更新一次，以供用户使用。
若信号功率仅为噪声功率的1/10，即信号深深 地淹没在噪声之中，此时按式（1）算得带宽B为 74.40MHZ。由此可见，我们可以用增大系统带宽 的方法降低所要求的信噪比，即用很小的发射功 率，便可实现遥远的卫星通信。这对于电能紧张 的GPS卫星，是极为有益的。
信号深埋在噪声之中，不易被他人捕获，因 而具有极好的保密性。由此可知，GPS卫星采用伪 噪声码传递导航电文的目的在于：节省卫星的电 能，增强GPS信号的抗干扰性，实现保密的信息传 送。
由于这种星历通常是在事后向用户提供的在其 观测时间的卫星精密轨道信息，因此，称为后处理 星历或精密星历。该星历的精度，目前可达分米级。 后处理星历一般不是通过卫星的无线电信号向 用户传递的，而是利用磁盘或通过电传通信等方式， 有偿地为所需要的用户服务。但是，建立和维持一 个独立的跟踪系统，其技术比较复杂，投资也比较 大。所以，利用GPS的预报星历进行精密定位工作， 仍是目前一个重要的研究和开发领域。
星历参数详解
星历参数详解①
M 0：参考时刻的平近点角 M (t ) M 0 n (t toe ) 其中n为平均角速度
n：平均角速度的改正值
GM 平均角速度的计算值 n0 3 a ( a )3 称为地球引力常数，在 WGS 84系中定义为 3.986005 1014 m3 s 2
北斗卫星导航工作原理与GPS卫星导航工作原理的区别
北斗卫星导航工作原理与GPS卫星导航工作原理的区别北斗卫星导航系统和GPS卫星导航系统是两种不同的卫星导航系统，它们在工作原理上存在一些区别。
下面将详细介绍北斗卫星导航系统和GPS卫星导航系统的工作原理以及它们之间的区别。
一、北斗卫星导航系统的工作原理北斗卫星导航系统是中国自主研发的卫星导航系统，由一组地面控制站和一系列卫星组成。
其工作原理如下：1. 卫星发射和部署：北斗卫星通过火箭发射进入预定轨道，经过一系列的轨道调整和部署，形成卫星导航系统。
2. 信号传输：北斗卫星通过发射信号，将导航信息传输到用户接收设备。
北斗系统采用双频信号传输，分别为B1频段和B2频段。
3. 用户接收设备：用户接收设备接收到北斗卫星发射的信号后，通过解算卫星信号的时间差和距离差，确定用户的位置。
4. 数据处理和应用：用户接收设备将接收到的信号进行数据处理，并将位置信息提供给用户使用，如导航、定位、测量等。
二、GPS卫星导航系统的工作原理GPS卫星导航系统是美国建立的全球卫星导航系统，由一组地面控制站和一系列卫星组成。
其工作原理如下：1. 卫星发射和部署：GPS卫星通过火箭发射进入预定轨道，经过一系列的轨道调整和部署，形成卫星导航系统。
2. 信号传输：GPS卫星通过发射信号，将导航信息传输到用户接收设备。
GPS 系统采用L1频段和L2频段的信号传输。
3. 用户接收设备：用户接收设备接收到GPS卫星发射的信号后，通过解算卫星信号的时间差和距离差，确定用户的位置。
4. 数据处理和应用：用户接收设备将接收到的信号进行数据处理，并将位置信息提供给用户使用，如导航、定位、测量等。
三、北斗卫星导航系统与GPS卫星导航系统的区别北斗卫星导航系统和GPS卫星导航系统在工作原理上存在以下区别：1. 系统构成：北斗卫星导航系统由中国自主研发，主要由北斗卫星和地面控制站组成；而GPS卫星导航系统由美国建立，主要由GPS卫星和地面控制站组成。
2. 信号频段：北斗卫星导航系统采用双频信号传输，分别为B1频段和B2频段；而GPS卫星导航系统采用L1频段和L2频段的信号传输。
第四章GPS卫星信号分解
第四章 GPS卫星信号
28
2、GPS信号的组成
• 载波（L1，L2两个民用频率） • 测距码（C/A码和P码（Y码）） • 导航电文（数据码，D码）
第四章 GPS卫星信号
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3、信号调制的原因
• GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号
– 其中C/A码和P码的数码率分别为1.023 Mbit/s与10.23Mbit/s， – D码(导航电文，又称为数据码)的数码率仅为50 bit/s。 – GPS卫星离地面远达20000km，其电能又非常紧张， 因此很难将
第四章 GPS卫星信号
4 4
每个主帧又分为5个子帧，每个子帧都包含300个二 进制码，6秒钟传完。
第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一 次。
第4、5子帧各有25个页面，其内容仅在卫星注入新 的导航数据后才得到更新。
第四章 GPS卫星信号
5 5
第四章 GPS卫星信号
6 6
2、遥测码
• 第三数据块的内容每12.5分钟重复一次。
第四章 GPS卫星信号
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GPS卫星广播星历预报参数及其定义
第四章 GPS卫星信号
14
§4.2 GPS卫星位置的计算
• 根据卫星电文所提供的轨道参数按一定公式计算：
计算思路：
（1）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标
（2）然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋
第四章 GPS卫星信号
10
4、第一数据块（内容）
（2）星期序号WN -GPS周
（3）星钟数据龄期AODC
AOD tO CC tL
toc为第一数据块的参考时刻， tL是计算时钟参数所作测量的最后观测时间
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• -1/T<R(t)<1
t- 0 1/5 2/5 3/5 4/5 1 (tu)
• 在测量伪距时，相关函数的表达式：
测距码信号
R (t)T 10 TU (t t)U '(t)dt
复制码信号
– 其中，t为测距码信号传播时间；为接收机 复制码的时间延迟，T为信号周期
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
14
三、卫星运动及GPS卫星信号
相关函数的存在三种可能的状态
1、当t= 时
4
三、卫星运动及GPS卫星信号
奇偶校验码
• 一个字码（30bit）包含6bit奇偶校验码。每一 个bit的奇偶校验码对应前面24bit的数据码。
• 例如：1110 0101 1101 0001 1011 1010
101110
数据码文
校验码文
1110
1
0101
0
1101
1
0001
1
1011
1
1010
• 内容包括：
– 开普勒轨道参数：
•a
为卫星轨道椭圆长半轴的平方根；
• e为卫星轨道椭圆偏心率；
• i0为参考时刻t0的轨道面倾角； • 0为参考时刻t0的升交点赤经； • 为近地点角距；
• M0为参考时刻t0的平近点角
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
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三、卫星运动及GPS卫星信号
– 轨道摄动9参数；
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
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三、卫星运动及GPS卫星信号
• 卫星时钟改正
– GPS时间系统以地面主控站的原子钟为基准。 – GPS时间和UTC时间存在差值，导航电文把差值
播发给广大用户。
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
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三、卫星运动及GPS卫星信号
第二数据块
• 导航电文的第2和第3子帧组成第二数据块 ，内容为GPS卫星星历。
• 测距码和复制码的
乘积码中，7个码
元是“+1”，8个
码元是“-1”。
因此，
1T
1
R (t) U (t t)U '(t)d t
T0
T
• 以上论述，对t- >tu均成立。
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
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三、卫星运动及GPS卫星信号
3、当t- <tu时 • 两个码序列错开
不足一个码元
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
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三、卫星运动及GPS卫星信号
3.8 伪距测量原理
• GPS用户使用码相关法伪距测量测定信号的 传播时间。
• 方法是通过调整相关函数R(t)的值，来测 定信号从卫星到达地面站的传播时间。
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
13
三、卫星运动及GPS卫星信号
三、卫星运动及GPS卫星信号
3.7 GPS导航电文
• GPS卫星导航电文是用户用来定位和导航的 数据基础。
• 主要包括：
– 卫星工作状态信息 – 由C/A码转换到捕获P码的信息
• 这些信息按照一定的数据帧格式播发给用 户，成为数据码（D码）。
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
1
三、卫星运动及GPS卫星信号
• 转换码的第25～30bit为奇偶校验码。
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
6
三、卫星运动及GPS卫星信号
第一数据块
• 第一数据块位于第1子帧的第3～10字码。 主要包括标识码、时延差改正、星期序号 、卫星的健康状况、数据龄期及卫星时钟 改正系数等。
• 时延差改正Tgd
– 电离层会使GPS在L1、L2上的信号发生时延。 Tgd改正观测结果，提高定位精度。
• n为平均角速度改正数；
• 为升交点赤经变化率； • I 为轨道面倾角变化率；
• Cus、Cuc为升交角距的正余弦调和改正项振幅，Cis、 Cic为轨道正面倾角的正余弦调和改正项振幅；
• Crs、Crc为轨道向径正余弦调和改正项振幅；
– 时间参数：
• 星历参考时刻；
• 卫星星历的龄期。
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3.7.1 导航电文格式
1500bit
word
每25帧 构成一 个主帧
25颗卫星 的星历
字
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
2
三、卫星运动及GPS卫星信号
3.7.2 导航电文的内容
第一数据块
第二数据块
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
第三数据块 3
三、卫星运动及GPS卫星信号
遥测码（telemetry word, TLW）
• 测距码序列与复
制码序列结构相
同，完全对齐，
乘积恒等于1.
R(t)=1
– 注意：电平的乘积相当于码元的模二和
-1-1=1, 11=1, -11=-1, 1-1=-1;
11=0, 00=0, 10=1, 01=1;
广东工业大学ຫໍສະໝຸດ 卫星运动与GPS卫星信号解 析
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三、卫星运动及GPS卫星信号
2、当t- =tu时
卫星运动与GPS卫星信号解 析
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三、卫星运动及GPS卫星信号
第三数据块
• 第三数据块包括4、5两个子帧，内容包括 了所有GPS卫星的历书数据。
• 当接收机捕获到某颗GPS卫星信号后，根据 第三数据块提供的其它卫星的概略星历、 时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可 以选择工作正常、位置适当的卫星，并较 快地捕获到所选择的卫星。
• 遥测码位于每个子帧的开头，用于表明卫 星注入数据的状态。
– 第1～8bit是同步码（），为各子帧编码脉冲提 供一个同步起点。
– 第9～22bit是遥测电文，包括地面监控系统注 入数据时的状态信息、诊断信息等。
– 第22、24bit是连接码。 – 第25～30bit是奇偶校验码。
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
0
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
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转换码（hand 三、卫星运动及GPS卫星信号 over word, HOW ）
• 转换码位于每个子帧的第二个子码。
• 作用：提供用户从捕获的C/A码转换到捕获 P码的Z计数。Z计数位于转换码的第1～ 17bit，从每周六/周日零时起算的时间计 数。通过Z计数，可以知道观测瞬间在P码 周期中所处的准确位置，以便迅速捕获P码 。
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卫星运动与GPS卫星信号解 析
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三、卫星运动及GPS卫星信号
• 数据龄期AODC
– 数据龄期是时钟改正数的外推时间间隔，表明 卫星时钟改正数的置信度。
AODC=t0c-tt – 其中t0c是第一数据块的参考时刻，tt是计算时
钟改正参数所用数据的最后观测时刻。
• 星期序号WN
– WN是从1980年1月6日子夜零时（UTC）起算的星 期数，是GPS星期数。