GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)置

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1、第七節(jié)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)置與工作原理全球定位系統(tǒng)(GLobalPositioningSystem—GPS)又稱(chēng)導(dǎo)航衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS，是—種測(cè)距衛(wèi)星導(dǎo)航系列。GPS利用多顆高軌衛(wèi)星，測(cè)量其距離與距離變化率來(lái)精確測(cè)之用戶(hù)位置(三維)、速度(三維)和時(shí)間參數(shù)。GPS地面站由跟蹤站、主控站和注入站三部分組成。地面站跟蹤所有的衛(wèi)星，測(cè)量衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘的誤差，預(yù)測(cè)修正模型參數(shù)，星鐘同步和向衛(wèi)星注入新的信息。(1)跟蹤站跟蹤站又稱(chēng)監(jiān)測(cè)站，分別設(shè)在夏威夷、斯普林斯、阿森松島、選戈加西亞島和夸賈林環(huán)礁上。跟蹤站設(shè)置有精確原子鐘和GPS接收機(jī)，

2、所測(cè)偽距每1．5s更新一次。電離層和氣象數(shù)據(jù)每15min平滑一次。它的任務(wù)是接收包括環(huán)境數(shù)據(jù)在內(nèi)的衛(wèi)星的各種信息，并將測(cè)定的信息傳送到主控(制)站。(2)主控站主控站設(shè)在福爾肯空軍基地的聯(lián)合空間工作中心。主控站從各跟蹤站收集跟蹤數(shù)據(jù)，對(duì)衛(wèi)星軌道參數(shù)、時(shí)間偏差進(jìn)行評(píng)價(jià)，并計(jì)算出各衛(wèi)星原子鐘的校正參量、衛(wèi)星歷書(shū)、衛(wèi)星星歷、系統(tǒng)狀態(tài)等，再編成導(dǎo)航信息碼后，送給注入站。(3)注入站注入站也稱(chēng)地面控制站或稱(chēng)地面天線,分別設(shè)在阿森松島、選戈加西亞島和夸賈林。注入站將導(dǎo)航信息注入衛(wèi)星，每天1—2次2．GPS導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)GPS導(dǎo)航星座有21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星

3、共計(jì)24顆衛(wèi)星，平均分布在6個(gè)軌道上，每個(gè)軌道上有4顆衛(wèi)星。(1)GPS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道高度：20183km左右，高軌軌道。運(yùn)行周期：約12h(717．88min)。軌道傾角：約55°GPS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道任意軌道型。全球任何地方的觀測(cè)者，在地平線7.5°以上至少可以看到4顆衛(wèi)星，在地平線以上至少可以觀測(cè)到5顆衛(wèi)星，最多可看到11顆衛(wèi)星。發(fā)射頻率：同時(shí)發(fā)射兩種頻率。分別為1575．42MHz(L1波段)和1227．60MHz(L2波段)，由導(dǎo)航數(shù)據(jù)及偽隨機(jī)噪聲碼P和CA碼調(diào)制，L2由導(dǎo)航數(shù)據(jù)及P碼調(diào)制；將來(lái)有可能用Y碼(Y＝P+W)調(diào)制(軍用)。發(fā)射雙頻

4、L1.L2是為了校正電離層產(chǎn)生的附加延時(shí)。(2)GPS導(dǎo)航衛(wèi)星電文衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信息稱(chēng)為“導(dǎo)航電文”，由L1和L2波段中的兩種載波頻率播發(fā)，并由P碼和CA碼調(diào)制。①P碼P碼(Precision)碼是一種連續(xù)、快速、長(zhǎng)周期的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列碼，其碼率為10．23MHz，碼周期為7天。每個(gè)周期開(kāi)始于每星期六格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)午夜1200時(shí)。這種碼具有精確的時(shí)間和距離測(cè)量能力。每顆衛(wèi)星的P碼碼型均不一樣，一般P碼難于獲得。P碼由兩對(duì)12級(jí)線性反饋移位寄存器模2和構(gòu)成。②CA碼CA(Clear／Acquisition)碼是一種低速，短周期的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列碼

5、，其碼率為P碼的l/10即1．023MHz，其周期為lms。CA碼本身具有的測(cè)距精度較低，但它具有協(xié)助獲得P碼能力，這是因?yàn)镃A碼周期短，且碼元速率也低，對(duì)CA碼的匹配鎖定比較容易。當(dāng)CA碼鎖定之后，通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航電文的轉(zhuǎn)換字碼(HOW)的轉(zhuǎn)換就可以獲得P碼。P碼在7d中，每6s向用戶(hù)發(fā)送一次轉(zhuǎn)換字碼(HOW)。CA碼由兩個(gè)10級(jí)線性反饋移位寄存器模2和構(gòu)成。③導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文是衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信息。GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星上各有關(guān)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、系統(tǒng)時(shí)間、衛(wèi)星鐘偏差校正參量、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書(shū)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星識(shí)別標(biāo)志以及與衛(wèi)星導(dǎo)航有關(guān)的其他信息。

6、④GPS時(shí)間GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的時(shí)間基準(zhǔn)稱(chēng)為GPS時(shí)間。它是以主控站的高精度原子鐘作為時(shí)間基準(zhǔn)的，并規(guī)定1980年1月6日UTC時(shí)間的零點(diǎn)作為起點(diǎn)，與國(guó)際原子時(shí)間有19s的固定差值。由于不采用跳秒調(diào)整，GPS時(shí)間與UTC時(shí)間整秒數(shù)差值不斷地增加。GPS時(shí)間與UTC的時(shí)間差在衛(wèi)星電文中播發(fā)，給出星期數(shù)和星期開(kāi)始時(shí)起算的秒數(shù)。⑤CA碼與P碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)CA碼與P碼具有抗干擾、用碼分多址識(shí)別衛(wèi)星、偽碼(CA碼與P碼)加密、精確測(cè)時(shí)和測(cè)距等優(yōu)點(diǎn)。二、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理GPS是—種測(cè)距定位系統(tǒng)，利用測(cè)定高軌衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)(電波在空間傳播的時(shí)間)和

7、多普勒頻移，計(jì)算出衛(wèi)星與用戶(hù)之間的距離、距離變化率，以精確測(cè)定用戶(hù)位置(三維)、速度(三維)和時(shí)間參數(shù)。測(cè)定出用戶(hù)到3顆衛(wèi)星的距離可以得到以衛(wèi)星為球心，以衛(wèi)星到用戶(hù)的距離為半徑的三個(gè)球面，其交點(diǎn)就是用戶(hù)的三維空間位置。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀接收其視界內(nèi)一組衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)，從中取得衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘校正參量、大氣校正參量等數(shù)據(jù)，并且測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)和多普勒頻移。根據(jù)衛(wèi)星星歷計(jì)算出衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)時(shí)的位置；根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)和光速的乘積計(jì)算出衛(wèi)星與用戶(hù)的距離；根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)、光速、多普勒頻移計(jì)算出用戶(hù)的三維運(yùn)行速度。若用戶(hù)時(shí)鐘無(wú)偏差，用戶(hù)利用3顆

8、衛(wèi)星可以得到以衛(wèi)星為球心、以衛(wèi)星到用戶(hù)的距離為半徑的3個(gè)球面，其交點(diǎn)就是用戶(hù)三維空間位置。然而，一般用戶(hù)無(wú)精確的時(shí)鐘，需要用第4顆衛(wèi)星來(lái)