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武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用(三三)GPS原理及其应用原理及其应用第二章第二章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构2.1 全球定位系统的组成全球定位系统的组成GPS原理及其应用原理及其应用2.1 全球定位系统的组成全球定位系统的组成GPS原理及其应用原理及其应用GPS的系统组成的系统组成GPS系统由三部分组成系统由三部分组成空间部分空间部分地面控制部分地面控制部分用户设备部分用户设备部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成GPS原理及其应用原理及其应用GPS的空间部分的空间部分GPS的空间部分的组成的空间部分的组成GPS卫星星座卫星星座全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55 周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）GPS原理及其应用原理及其应用GPS的空间部分的空间部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS卫星星座卫星星座设计星座：设计星座：21+321颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星颗活动的备用卫星保证在每天保证在每天24小时的任何时刻，在小时的任何时刻，在高度角高度角15 以以上，能够同时观测到上，能够同时观测到4颗以上卫星颗以上卫星当前星座：当前星座：28颗颗GPS原理及其应用原理及其应用GPS的空间部分的空间部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的空间部分的空间部分GPS卫星的地面轨迹卫星的地面轨迹全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的空间部分的空间部分GPS卫星卫星 作用：作用：接收、存储导航电文接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备主要设备太阳能电池板太阳能电池板原子钟（原子钟（2台铯钟、台铯钟、2台铷钟）台铷钟）信号生成与发射装置信号生成与发射装置 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星（续）卫星（续）类型类型试验卫星：试验卫星：Block 工作卫星：工作卫星：Block Block：存储星历能力为：存储星历能力为14天，具有天，具有SA和和AS地能力地能力Block A（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为力为180天，天，SV35和和SV36带有激光反射棱镜带有激光反射棱镜Block R（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互）：卫星间可相互跟踪相互通讯跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的）：新一代的GPS卫星卫星增设第三民用增设第三民用频率频率GPS的空间部分的空间部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的空间部分的空间部分Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同类型的不同类型的GPS卫星卫星全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的空间部分的空间部分当前的卫星状态当前的卫星状态全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分SUBJ:GPS STATUS 26 MAR 20041.SATELLITES,PLANES,AND CLOCKS(CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A.BLOCK I:NONE B.BLOCK II:PRNS 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15 PLANE :SLOT F4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5 CLOCK :CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CS BLOCK II:PRNS 16,17,18,2021,22,24,25,26,27,28,29,30,31 PLANE :SLOT B1,D6,E4,E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3 CLOCK :RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RBGPS原理及其应用原理及其应用GPS的地面监控部分的地面监控部分 地面监控部分地面监控部分（Ground Segment）组成组成主控站：主控站：1个个监测站：监测站：5个个注入站：注入站：3个个通讯与辅助系统通讯与辅助系统全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用GPS的地面监控部分的地面监控部分地面监控部分地面监控部分（Ground Segment）（续）（续）分布分布全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用GPS的地面监控部分的地面监控部分监测站（监测站（5个）个）作用：作用：接收卫星数据，接收卫星数据，采集气象信息，采集气象信息，并将所收集到的并将所收集到的数据传送给主控数据传送给主控站。站。地点：地点：夏威夷、主控站夏威夷、主控站及三个注入站。及三个注入站。全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用GPS的地面监控部分的地面监控部分主控站（主控站（1个）个）作用：作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。孔空军基地。全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用GPS的地面监控部分的地面监控部分注入站（注入站（3个）个）作用：作用：将导航电文注入将导航电文注入GPS卫星。卫星。地点：地点：阿松森群岛（大西阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）加兰（太平洋）全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用GPS的用户部分的用户部分组成组成用户用户接收设备接收设备接收设备接收设备GPS信号接收机信号接收机其它仪器设备其它仪器设备全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的用户部分的用户部分GPS信号接收机信号接收机组成组成天线单元天线单元带前置放大器带前置放大器接收天线接收天线接收单元接收单元信号通道信号通道存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源电源天线单元天线单元接收单元接收单元全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的用户部分的用户部分 天线单元天线单元类型类型单极天线单极天线微带天线微带天线锥形（螺旋）天线锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线四丝螺旋天线空间螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线天线全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的用户部分的用户部分天线单元（续）天线单元（续）特点特点单极天线单极天线单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单构简单微带天线微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛应用最为广泛锥形（螺旋）天线锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线四丝螺旋天线 单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板增益特性好、不需要底板空间螺旋天线空间螺旋天线 双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的用户部分的用户部分天线单元天线单元天线特性天线特性相位中心、增益方式、带宽、相位中心、增益方式、带宽、极化极化相位中心相位中心平均相位中心与几何中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心相位中心偏移的消除：归心改正、消去法改正消去法天线高天线高 标志至平均相位中标志至平均相位中心所在平面的垂直距离心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2HHHHhR全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的用户部分的用户部分接收单元接收单元接收（信号）通道接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器存储器微处理器微处理器作用：数据处理、控制作用：数据处理、控制输入输出设备输入输出设备电源电源全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的用户部分的用户部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分