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码的产生
4.2 GPS卫星播发的信号
4.3 伪随机码扩频与相关接收
4.5 GPS信号的构成
4.6 接收机的电路设计和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的向天空伸展的一个球体，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。
通过地心与黄道面垂直的轴线为黄轴，黄轴与天球的两个交点分别是北黄极和南黄极。
春分点：即黄道与赤道的交点之一。
天球的示意图
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地球坐标系统的基本概念
地球形状与地球椭球体
地球的自然表面是一个起伏很大的、一个不规则的、不能用简单的数学公式来表达的复杂曲面。我们很难在这样一个曲面上来解算测量学中产生的几何问题。为便于测绘工作的进行，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的椭球体，称为地球椭球体。
4.1.2地球坐标系统的基本概念
由椭圆绕其短轴旋转而成的几何体。椭圆短轴，即地球的自转轴－地轴(Earth' s axis)；短轴的两个端点和是地极(Poles)，分别被称为地理北极和地理南极；长轴绕短轴旋转所成的平面是赤道平面；长轴端点q旋转而成的圆周是赤道qq'(Equator)；
过短轴的任一平面是子午圈平面，它与地球椭球体表面相交的截痕是一椭圆，称为子午圈(Meridian)，其中由地理北极到地理南极的半个椭圆，叫做地理子午线、子午线或经线(Meridian line)。与赤道平面相平行的、与地轴正交的平面，称为纬度圈平面，它与地球椭球表面相交的截痕是一个圆，称为纬度圆(Parallel of Latitude )。
椭圆的长半轴：a
椭圆的短半轴：b
椭圆的扁率：
椭圆的第一偏心率：
椭圆的第二偏心率：极曲率半径（极点处的子午线曲率半径）c
第一基本纬度W
第二基本纬度V
4.1.2地球椭球的基本几何参数常用的椭球参数
比较著名的有30个椭球参数，其中涉及我国的有：
4.1.2 地球椭球参数间的相互关系
4.1.2 坐标系统分类（1）
按坐标原点的不同分类
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）
按坐标的表达形式分类:
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的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的运动。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）
北天极的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的瞬时天极经过章动改正后而固定的天极称为历元平天极。
岁差
章动
岁差和章动示意图
WGS-84的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。
WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的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
长半径：a=6378137±2（m）；
地球引力常数：GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；
正常化二阶带谐系数：C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；
C20=-J2/
J2=108263×10-8
地球自转角速度：ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-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。所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的地球椭球的参数，如：地球椭球的长短半轴和物理特征的有关参数、地球椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义等。
坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行变换。(相同基准下的坐标转换)
基准变换是指在不同的参考基准（椭球）间进行变换。(不同基准下的坐标转换)
4.1.5 坐标系统之间的转换
4.1.6 卫星运动概论
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的运动规律问题称为二体问题。
卫星轨道：卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道。
卫星轨道参数：描述卫星轨道状态和位置的参数称为轨道参数。
无摄运动：仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。
无摄轨道：无摄运动的卫星轨道称为无摄轨道。
2. 与卫星运动有关的几个概念
卫星运动的开普勒定律
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的距离；而数据码则提供计算卫星坐标所需的参数，由卫星坐标和卫星到地面间的距离求得地面点的坐标。
GPS测量是根据单程测距原理建立的，即用户只需通过接收设备来接收卫星发播的信号，并测定信号传播的单程时间延迟或相位延迟，进而确定从观测站至GPS卫星间的距离，在这种系统中卫星信号的发射和接收，都是由原子钟来控制，所以，这就要求卫星和接收机两者的原子钟，应保持严格同步。
4.2 GPS卫星播发的信号
4.1.1 GPS卫星的导航电文
GPS卫星的导航电文（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的星历、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的数据码(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的数据基础。
4.2.1 GPS卫星的导航电文
基本单位：1500bit的一个主帧（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子帧的全部信息则需要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的导航数据后才得以更新。
卫星导航电文
4.2.1 GPS卫星的导航电文
卫星导航电文
4.2.1 GPS卫星的导航电文
导航电文的结构
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卫星的导航电文
卫星导航电文内容
遥测字(TLM—Telemetry Word)，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了—个同步的起点，使用户便于解释电文数据。
交接字(HOW—Hand Over Word），紧接着各子帧开头的遥测字，主要是向用户提供用于捕获P码的Z计数。所谓Z计数是从每星期六／星期日子夜零时起算的时间计数．它表示下一子帧开始瞬间的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的子帧数。因为每一子帧播送延续的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬时即为6x Z。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获P码。
4.2.2 GPS L5 导航电文及其特点
分组加元纠错法
GPS导航定位信号的导航电文，都是采用了奇偶检验法，实施编码纠错，它是以字码为单位，即每个字码的前面的24bits为电文码元，随后的6bits为纠错码元，它能够有效的发现和纠正长度不大于列元个数的突发错误，达到正确传送卫星导航电文的目的。
4.2.2 GPS L5 导航电文及其特点
GPS L5导航信号
L5导航电文采用的是循环冗余纠错法，(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的一种差错控制技术，它约定的纠错规则是：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。
4.2.2 GPS L5 导航电文及其特点
采用CRC纠错的信息编码
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的内容，目前只定义1～5号电文：
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
4.2.2 GPS L5 导航电文及其特点
GPS L5导航信号
L5与L1和L2在导航电文的内容上大体一致，其不同之处：
1）不包含L2的数据和标识码
2）只包含卫星L5的健康状况参数
3）电文中表示的测距精度只是信号L5的
L5导航电文，既继承了L1/L2导航电文的主要内容，又优化了编码纠错功能。
4.2.2 GPS L5 导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.2 GPS L5 导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.2 GPS L5 导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.2 GPS L5 导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.2 GPS L5 导航电文及其特点
L5信号电文轨道参数及其长度
4.2.3 GLONASS信号与导航电文
4.2.3 GLONASS信号与导航电文
GLONASS和GPS的卫星定位误差
4.2.3 GLONASS信号与导航电文
4.2.3 GLONASS信号与导航电文
GLONASS信号的结构特点：
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码的生成框图
GLONASS导航电文的结构
GLONASS卫星的广播星历精度
GLONASS卫星和GPS卫星的历书异同点
码的概念：
利用二进制0或者1排列组合表示各种信息的二进制数据序列称为码
随机码的概念：
假设一组码序列u(t)，对于任意时刻t，码元的取值为0或者1是完全随机的，两种状态的概率是50％，这种完全无规律的码序列称为随机码序列
随机码的特点：
它是一种非周期序列，无法复制。随机码的特性是其自相关性好，而自相关性的好坏，对于提高利用GPS卫星码信号测距的精度是极其重要的。
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 伪随机码的表述形式
信号波形
信号序列
4.3 伪随机码和相关接收
4.3.3 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 伪随机码的产生：
由“多极反馈移位寄存器”的装置产生，移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置“l”脉冲。
特性：
伪随机码既只有与随机码相类似的良好自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。这样，用户接收机便可容易地复制卫星所发射的伪随机码，以便通过接收码与复制
码的比较，可准确地测定其间的时间延迟。
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的而进制序列称为m序列，是一个码长包含有15个码元的周期性序列。
特点：
1）r级移位寄存器产生的m序列的周期：T=
2）m 序列的一个周期中，码元1的个数比码元0 的个数多一个
3）m序列的自相关函数图具有周期性
4）互相关函数随着r级数的增加迅速减小
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序列码元总宽度的倍数时，自相关函数才为1，说明两个结构相同的码序列，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。
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，使得低频的基带信号扩展到与载波一样的信号，实现数据码和载波的调制。
信号解扩：
电路输入端除了有来自卫星发射的扩频信号之外，还有干扰噪声，当接收信号与本地伪码发生器复制的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的基带信号
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
4.4 GPS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，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，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：
L1载波：fL1=154×f0=1575.42MHz,波长λ1=19.032cm,
L2载波：fL2=120×f0=1227.6MHz,波长λ2=24.42cm。
选择这两个载波的目的是：测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差。
1）产生方式C/A码是伪随机操声码的中一种，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。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）平移等价的m序列，然后与G1(t)模2相加，便得到C/A码。
2 C/A码的产生
4.4 GPS卫星信号
2）C/A码特点
C／A码的码长很短，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的时延，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码元的速度搜索，只需要约20．5秒便可达到目的。由于C/A码易于捕获，而且通过捕获的C／A码所提供的信息，又可以方便地捕获GPS的P码。所以通常C/A也称为捕获码。
3）C/A码精度C／A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1／10—1／100，则这时相应的测距误差可达29．3—2．9m。由于其精度较低，所以C／A码也称为粗码
4.4 GPS卫星信号
GPS卫星的测距码是用调相技术调制到载波上的。调制码幅值只取0或1。如果当码值取0时，对应的码状态取为+1，而码值取1，对应的码状态为-1位，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载波和相应的码状态+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°。这时的载波信号实现了调制码的相位调制（见图4-4a）。
4）测距码的调制
4.4 GPS卫星信号
测距码测距原理
4 P码
1、产生方式P码是卫星的精测码，码率为10.23MHz。它是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的。
2、P码精度由于P码的码元宽度为C／A码的1／10，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l／10—l／100，则由此引起的相应距离误差约为2．93-0．29m，仅为C／A码的1／10。所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码。
3、P码特点根据美国国际部规定，P码是专为军用的。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的W码，形成新的Y码，绝对禁止非特许用户应用。
4.4 GPS卫星信号
数据码即为4.1节中的导航电文。
根据这一原理，GPS中的三种信号将按图4-4b的线路进行合成，然后向全球发射，形成今天随时都可以接收到的GPS信号。
3、数据码
4.4 GPS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
4.5 GPS接收机
4.5.1 GPS接收机的基本构成
4.5 GPS接收机
4.5.2 GPS接收机的分类
多通道SPS接收机的框架图
数字接收机的框架图
GPS和GLONASS结合接收机的框架图ASHTECH接收机
ASHTECH RTK 接收机
OEM 板
OEM 板的I/O接口
利用OEM板组装GPS接收机
安装好的接收机
所需配备的设备
天线的选择
安装框架图
接收信号软件