GPS基本原理及其matlab仿真第3章

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基于MATLAB的GPS信号的仿真设计

摘要扩频通信是近几年来迅速发展起来的一种通信技术。

在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的和抗干扰性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于状态。

扩频技术在军事应用上的最成功例可以以美国和俄国的全球定位系统（GPS和GLONASS）为代表；在民用上GPS和GLONASS也都得到了广泛的应用，这些系统的基础就是扩频技术。

全球定位系统（GPS）用于对全球的民用与军用飞机、舰船、人员、车辆等提供实时导航定位服务。

GPS系统采用典型的CDMA体制，这种扩频调制信号具有低截获概率特性。

该系统主要利用直接序列扩频调制技术，采用的伪码有C/A码和P(Y)码两种。

本文讲述的是直接序列扩频通信技术在全球定位系统（GPS）中的应用。

主要介绍扩频通信中的伪码仿真，简要论述M序列和伪随机噪声码（P码和C/A码）与其产生，并使用MATLAB7.0仿真M序列、P码和C/A码的编码过程和仿真结果，介绍直扩频技术伪码的相关知识，重点介绍P码。

关键字：全球定位系统；直接扩频通信；伪码仿真AbstractSpread spectrum communication is a communications technology developed rapidly in recent years. In early studies the main purpose of this technology is to improve the military communications confidential and anti-jamming performance, therefore the development and application of this technology is always in secret state. Spread spectrum technology in the most successful military application examples are the United States and Russia could the global positioning system (GPS and GLONASS) for representative; In civil GPS and GLONASS also have been widely used，which foundation of system is the spread spectrum technology.Global positioning system (GPS) is used to provide real-time navigation and positioning services for global civil and military aircraft, ships, personnel, vehicles and so on. GPS system adopts the typical CDMA system, which kind of spread spectrummodulation signals have low intercept probability characteristic. This system mainly used the direct sequence spread spectrum modulation technology, using the PRN code including C/A code, P codes and Y codes.This article tells the direct sequence spread spectrum communication technology applied in global positioning system (GPS) .The article mainly introduces the pn code spread spectrum communication simulation, briefly discussing M sequence and pseudo random noise code (P yards and C/A yards) and its produce and use MATLAB7.0 simulate M series, P yards and C/A yards of encoding process and the simulation results, introducing pn code straight spread-spectrum technology knowledge, especially P yards.Key: GPS; DS-SS;Pn code simulation目录引言41GPS理论与其特性51.1GPS系统概述51.2GPS信号构成71.2.1M序列101.2.2C/A码131.2.3P码151.3小结192MATLAB软件192.1MATLAB软件简介202.2MATLAB应用概述212.2.1 MATLAB功能介绍212.2.2 MATLAB使用方法233 GPS卫星导航信号算法与其MATLAB仿真293.1 C/A码仿真代码与其仿真结果293.2 P码的仿真代码与其仿真结果323.3 结果分析与其相关性分析36结论37致38参考文献39附录A 英文原文40附录B 中文翻译41附录C C/A码源代码41附录D P码源代码54引言全球卫星定位系统，简称GPS系统，可在全球围，全天候为用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息。

GPS卫星运动及定位matlab仿真设计毕业设计

GPS卫星运动及定位matlab仿真设计毕业设计目录第一章前言 (1)1.1课题背景 (1)1.2本课题研究的意义和方法 (2)1.3GPS前景 (2)第二章 GPS测量原理 (4)2.1伪距测量的原理 (4)2.1.1 计算卫星位置 (5)2.1.2 用户位置的计算 (5)2.1.3 最小二乘法介绍 (5)2.2载波相位测量原理 (6)第三章 GPS的坐标、时间系统 (10)3.1坐标系统 (10)3.1.1 天球坐标系 (10)3.1.2 地球坐标系 (12)3.2时间系统 (13)3.2.1 世界时系统 (14)3.2.2 原子时系统 (15)3.2.3动力学时系统 (16)3.2.4协调世界时 (16)3.2.5 GPS时间系统 (16)第四章卫星运动基本定律及其求解 (18)4.1开普勒第一定律 (18)4.2开普勒第二定律 (19)4.3开普勒第三定律 (20)4.4卫星的无摄运动参数 (20)4.5真近点角的概念及其求解 (21)4.6卫星瞬时位置的求解 (22)第五章 GPS的MATLAB仿真 (25)5.1卫星可见性的估算 (25)5.2GPS卫星运动的MATLAB仿真 (26)结论 (38)致谢 (40)参考文献 (41)附录 (42)第一章前言1.1 课题背景GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit），1958年研制，64年正式投入使用。

该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。

然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。

由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。

美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统[13]。

1973年12月 ,美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统: NAVSTAR/GPS。

GPS用户位置求解Matlab仿真121118

( x x ) 2 ( y y ) 2 ( z z ) 2 c u u u u 1 1 1 1 2 ( x2 xu ) 2 ( y2 yu ) 2 ( z2 zu ) 2 c u 2 2 2 N ( xN xu ) ( y N yu ) ( z N zu ) c u
2、伪距测量模拟函数 CalculatePseudoRange
function Prange=CalculatePseudoRange(SatellitePosition,UserPosition) 算机模拟伪距测量 %计
c=3e5; %光速，单位：km/s； DeltaT=1e-4; %钟差为 1e-4 数量级秒，假设卫星钟间时钟一致，DeltaT=Tu-Ts；钟差不宜超过 3e-4，否则不收敛； VisSatNum=0; %首先找出可以观测到的卫星数量 SatellitePosNew=[]; for k=1:24 if SatellitePosition(k,4)==1 VisSatNum=VisSatNum+1; SatellitePosNew=[SatellitePosNew; SatellitePosition(k,1:3)];
end %if end %for Prange=ones(1,VisSatNum); %求解用户接收机收到的伪距信息 for n=1:VisSatNum Prange(1,n)=sqrt( (SatellitePosNew(n,:)-UserPosition) (SatellitePosNew(n,:)-UserPosition)' + c*DeltaT ); end
三、实验内容
1、熟悉 Matlab 编程的语法、环境。 2、定位程序是一个迭代运算程序，卫星坐标和用户坐标由上述语句给出，运行程序，

毕业论文基于matlab的gps信号的仿真

摘要扩频通信是近几年来迅速发展起来的一种通信技术。

在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。

扩频技术在军事应用上的最成功范例可以以美国和俄国的全球定位系统（GPS和GLONASS）为代表；在民用上GPS和GLONASS也都得到了广泛的应用，这些系统的基础就是扩频技术。

全球定位系统（GPS）用于对全球的民用及军用飞机、舰船、人员、车辆等提供实时导航定位服务。

GPS系统采用典型的CDMA体制，这种扩频调制信号具有低截获概率特性。

该系统主要利用直接序列扩频调制技术，采用的伪码有C/A码和P(Y)码两种。

本文讲述的是直接序列扩频通信技术在全球定位系统（GPS）中的应用。

主要介绍扩频通信中的伪码仿真，简要论述M序列和伪随机噪声码（P码和C/A码）及其产生，并使用MATLAB7.0仿真M序列、P码和C/A码的编码过程和仿真结果，介绍直扩频技术伪码的相关知识，重点介绍P码。

关键字：全球定位系统；直接扩频通信；伪码仿真AbstractSpread spectrum communication is a communications technology developed rapidly in recent years. In early studies the main purpose of this technology is to improve the military communications confidential and anti-jamming performance, therefore the development and application of this technology is always in secret state. Spread spectrum technology in the most successful military application examples are the United States and Russia could the global positioning system (GPS and GLONASS) for representative; In civil GPS and GLONASS also have been widely used，which foundation of system is the spread spectrum technology.Global positioning system (GPS) is used to provide real-time navigation and positioning services for global civil and military aircraft, ships, personnel, vehicles and so on. GPS system adopts the typical CDMA system, which kind of spread spectrummodulation signals have low intercept probability characteristic. This system mainly used the direct sequence spread spectrum modulation technology, using the PRN code including C/A code, P codes and Y codes.This article tells the direct sequence spread spectrum communication technology applied in global positioning system (GPS) .The article mainly introduces the pn code spread spectrum communication simulation, briefly discussing M sequence and pseudo random noise code (P yards and C/A yards) and its produce and use MATLAB7.0 simulate M series, P yards and C/A yards of encoding process and the simulation results, introducing pn code straight spread-spectrum technology knowledge, especially P yards.Key: GPS; DS-SS;Pn code simulation目录引言 (4)1GPS理论及其特性 (5)1.1GPS系统概述 (5)1.2GPS信号构成 (7)M序列 (10)C/A码 (13)P码 (15)1.3小结 (20)2MATLAB软件 (21)2.1MATLAB软件简介 (21)2.2MATLAB应用概述 (22)功能介绍 (22)使用方法 (24)3 GPS卫星导航信号算法及其MATLAB仿真 (31)3.1 C/A码仿真代码及其仿真结果 (31)3.2 P码的仿真代码及其仿真结果 (34)3.3 结果分析及其相关性分析 (38)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录A 英文原文 (42)附录B 中文翻译 (43)附录C C/A码源代码 (44)附录D P码源代码 (58)引言全球卫星定位系统，简称GPS系统，可在全球范围内，全天候为用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息。

数字中频GPS信号的MATLAB仿真

数字中频GPS信号的MATLAB仿真1杨勇，陈偲，王可东北京航空航天大学宇航学院，北京 (100083)E-mail：wangkd@摘要：文章以INS/GPS紧耦合为应用对象，在分析中频GPS信号结构的基础上，根据实际环境和载体运行状态，给出GPS信号延时、多普勒频移和钟差等参数，并应用中频信号解析表达式实现多颗卫星信号的合成。

最后，基于MATLAB语言进行了仿真计算，仿真结果表明信号符合实际情况，同时经过软件接收机的捕获、跟踪和解调计算，验证了信号的正确性。

关键词：GPS；高动态；紧耦合；中频；信号模拟器中图分类号：TP3911．引言随着固体弹道导弹射程的不断增加和打击精度的要求提高，纯惯性导航早已不能够满足要求。

全球定位系统（GPS）和惯性系统（INS）相结合是复合制导的重要发展方向之一，而对于GPS/INS组合导航来说，为了缩短研制周期，便于新信号开发及测试，软件信号模拟器和接收机的研究成为重要的研究方向之一。

GPS技术成长非常迅速，现在市场上的手持式GPS接收机已相当普遍，但是国内的自主知识产权的GPS技术产品的研发仍然比较薄弱，尤其是核心芯片的知识产权很少被国内所拥有。

国内的“北斗”、“GALILEO”导航定位都处在发展之中，信号模拟器的研究被越来越多的被重视。

信号模拟器具有成本低、可重复性好、数据完整等优点，不仅能用于组合导航技术研究，也能为新信号的验证研究提供支持，还可以为硬件接收机的接收性能测试提供有效的信号环境模拟。

GPS信号模拟器是软件无线电研究的一个方面，为处于设计阶段的GPS接收机提供仿真环境。

常见的GPS信号生成器产生的是射频信号，而目前接收机的设计重点侧重于基带信号处理，也就是本文中提到的数字中频GPS信号。

数字中频GPS信号模拟器目前主要是仿真载体运动、模拟时钟偏差、卫星星钟误差、电离层误差、对流层误差、多路经效应、天线的方向、弹体振动、以及云层、雷雨等实际环境对GPS信号的影响，并对接收机前端的下变频、滤波、采样和自动增益控制进行仿真，直到生成GPS接收机信号处理所需的数字信号。

【精品】用MATLAB计算GPS卫星位置-最新文档资料

用M A T L A B计算G P S 卫星位置-最新文档资料用MATLAB计算GPS卫星位置GPS定位的基本原理简单来说就是在WGS-84空间直角坐标系中，确定未知点与GPS卫星的空间几何关系。

因此利用GPS 进行导航和测量时，卫星是作为位置已知的高空观测目标。

那么如何精确快速的解算出卫星在空间运行的轨迹即其轨道是实现未知点快速定位的关键。

1 标准格式RINEX格式简述在进行GPS数据处理时，由于接收机出自于不同厂家，所以厂家设计的数据格式也是五花八门的，但是在实际中，很多时候需要把来自不同型号的接收机的数据放在一块进行处理，这就需要数据格式的统一，为了解决这种矛盾，RINEX（英文全称为：The Receiver Independent Exchange Format）格式则应运而生，该格式存储数据的类型是文本文件，数据记录格式是独立于接收机的出自厂家和具体型号的。

由此可见，其特点是：由于是通用格式，所以可将不同型号接收机收集的数据进行统一处理，并且大多数大型数据处理软件都能够识别处理，此外也适用于多种型号的接收机联合作业，通用性很强。

RINEX标准文件里不是单一的一个文件，而是包括如下几种类型的文件[1]。

（1）观测数据文件（ssssdddf.yyo），记录的是GPS观测值信息，（OBServation data，简写OBS，为接收机记录的伪距、相位观测值；O文件，如XG012191.10O）。

（2）导航电文文件（ssssdddf.yyn），记录的是GPS卫星星历信息（NAVavigation data，简写NAV，记录实时发布的广播星历；N文件，如XG012191.10N）。

（3）气象数据文件（ssssdddf.yym），主要是在测站处所测定的气象数据（METerological data，简写MET，记录气象仪器观测的温、压、湿度状况；M文件，如XG012191.10M）。

（4）GLONASS导航电文文件（ssssdddf.yyg），记录的是地球同步卫星的导航电文。

基于MatLabSimulink的GPS系统仿真

(2) 我
δS = S − S 0 = δS d + δS w
引入的相位延迟为
δφ d =
(6)
们在仿真中不妨采用一 9 位 LFSR
生成多项式为
其中 Tk 为绝对温度 P 为大气压(mbar) e0 为水汽风压(mbar) S 为实际传播路径 S0 为信号在真空中的传播路径 hs 为 90o 20o 15o 10o 5o 时 δS 的典型值分别为 2.51m 7.29 m 9.58 m 14.04 m 25.82 m 无线信道由于多径效应产生时延扩展若收发信机处
k =1
N
ˆ(t) x
航电文经伪随机序列扩频并调制后的信号
则 L1 和 L2 载
N
波上的 GPS 信号可分别简单的建模为 S L1 (t ) = AP Pi (t )Wi (t )Di (t ) cos(w1t + ϕ1 ) + AC Ci (t )Di (t ) sin(w1t + ϕ1 )
S L 2 (t ) = B P Pi (t )W i (t ) D i (t ) cos( w 2 t + ϕ 2 )
• 1857 •
第 18 卷第 7 期 2006 年 7 月
系统仿真学报其中 hs 为 GPS 卫星相对观测站的高度角
11 12
Vol. 18 No. 7 July, 2006
组成生成多项式分别为
X 1A ( x) = 1 + x + x + x + x
6 8
δS d = 1.552 × 10 − 5
[1]
ˆ (t ) − rq (t ) x ˆ (t ) 们采用 Jake 移动信道模型[7] y (t ) = ri (t ) x

GPS卫星轨道计算及其MATLAB仿真

GPS卫星轨道计算及其MATLAB仿真黎奇，白征东，李帅，陈波波（清华大学地球空间信息研究所，北京 100084）一、程序设计思路1. 读取RINEX文件（注意：文件路径）2. 计算测量日周积秒（测量日的格里历→GPST）3. 按卫星轨道计算步骤计算WGS-84坐标系坐标（内插）4. 按需要将WGS-84坐标系下坐标转换为所需坐标系坐标5. 画图输出二、n 文件说明及读取程序参考时刻oe t 的RINEX 格式的 “”广播星历文件具体如下：（加粗部分为本次轨道化Ω，率i ，弧度/秒4-22）标svacc ，米）收到的卫星信号解，秒）文件名：RinexNreader.m 输入：文件地址，卫星编号三、计算测量日的周积秒文件名：GCtoGPS.m （其中调用函数：GCtoJD.m）输入：指定公历的年、月、日、时、分、秒文件名：GCtoJD.m输入：指定公历的年、月、日四、GPS 卫星轨道计算步骤及计算程序1. 计算卫星运动的平均角速度n平均角速度()03n =经摄动参数n ∆改正后的平均角速度0n n n =+∆3#61-79），n ∆（2#42-60）；14323.98600510/GM m s =⨯ 2. 计算归化时间k t说明：①广播星历是oe t 时刻的，对应的轨道参数也是oe t 时刻的，而观测时间在t 时刻，显然oe t t ＜。

所以，要想获得t 时刻的轨道参数，需要知道t 与oe t 之间的差值即k t 。

以此，按照oe t 时刻轨道参数，外推t 时刻轨道参数。

②k t 的起算时间是星期六/星期日子夜0点，当302400k t s ＞时，604800k t s -；当302400k t s ＜-时，+604800k t s 。

（604800s=1周） =k oe t t t -，且604800302400604800302400k k k k k k t t t t t t =-⎧⎨=+⎩＞＜-已知：oe t （1#4-21）3. 计算观测时刻的平近点角k M0k k M M nt =+已知：0M （2#61-79），n （见1），k t （见2） 4. 计算观测时刻的偏近点角k Esin k k k E M e E =+已知：k M （见3），e （3#23-41）方法：迭代解算，设初值0k k E M =，迭代2次基本收敛。

MATLAB仿真GPS的毕业论文设计开题报告

MATLAB仿真GPS的毕业论文设计开题报告前言全球定位系统(GPS)是新一代的精密卫星导航定位系统。

由于其全球性、全天候以及连续实时三维定位等特点，在军事和民用领域得到了广泛的发展。

近年来，随着科学技术的发展，GPS导航和定位技术已向高精度、高动态的方向发展。

GPS卫星接收机属于卫星导航定位系统中的用户设备，主要用于接收卫星信号和电文，由无线电信号测定用户至卫星的距离，或多普勒频移等观测量；根据导航电文，计算观测卫星的位置和速度，根据观测量和卫星的位置、速度，解算出用户的位置和速度。

目前，国大多数GPS接收机都是在国外定位模块的基础上进行二次开发，但是随着GPS 定位广泛的应用，要求我们全面透彻地研究GPS定位系统，为我国的定位导航应用作出贡献。

为了满足更加高的定位要求，获得更加高的可靠性，对GPS接收机来说，要能兼容各种定位导航系统而且考虑到算法改进的成本问题，相比较于现有的GPS接收机需要更换硬件设备，GPS软件接收机只需改动软件，具有更强的灵活性和开放性。

本文所做的工作是利用Matlab软件搭建GPS仿真平台。

本文阐述了C\A码的生成原理与GPS信号的生成原理，捕获和跟踪的原理，GPS信号的捕获和跟踪。

利用FFT相关法进行时间和频率串行搜索，。

然后，利用MATLAB仿真环境开发信号仿真平台，并利用此仿真器实现GPS信号的仿真，并对所提出的信号的捕获和跟踪算法进行了仿真。

仿真结果表明，所做的仿真达到了预期设计的目标..……目录绪论1.1 GPS系统概述1.2课题意义及研究方向1.3论文容安排第二章 GPS的C/A码捕获2.1介绍2.2 C/A码起始点的精确性2.3 MATLAB仿真C/A码的产生2.3. 1最大长度序列(MLS)和G2的输出及其延迟时间的检验2.3.2 C/A码的产生第三章GPS卫星信号的捕获3.1概述3.2卫星信号捕获的考虑3.2.1 捕获时的最大电文长度3.2.2 捕获中的频率步长3.3 GPS卫星信号的捕获方法3.3.1 传统捕获方法3.4 GPS卫星信号捕获的例子3.5 关于捕获的一些子程序3.5.1 随机编码过程仿真3.5.2 获取导航信息的仿真第四章 GPS信号接收机仿真系统概述4.1 GPS信号接收机4.1.1 GPS信号接收机架构4.1.2 GPS信号接收机的工作原理4.2 GPS载波相位测量定位4.2.1 GPS载波相位测量4.2.2 波数和整周跳变4.2.3 表4-1 波数解算举例第五章 GPS信号的跟踪5.1 目的5.2 GPS信号跟踪5.2.1 载波和码元跟踪5.2.2 利用锁相环跟踪GPS信号5.2.3 二阶锁相环5.3 跟踪过程的高测时精度5.3.1 通过理想相关输出获得高测时精度5.3.2 通过曲线拟合获得高测时精度第六章 GPS卫星导航数据定位6.1目的6.2几何定位及架构6.3. 卫星数据GPSsignal 6.3.1卫星数据分析6.3.2卫星数据分析程序代码第七章总结和展望基于METLAB的GPS全球定位系统关键技术仿真摘要全球定位系统(GPS)是新一代的精密卫星导航定位系统。

基于MATLAB的GPS信号仿真123

配套的完整源程序代码见百度文库请搜索《基于MATLAB的GPS信号仿真完整源代码123》摘要全球定位定位系统（GPS）是新一代的精密卫星导航定位系统，近年来在民用和军用领域发挥着精确制导的作用。

随着科学技术的发展，GPS导航和定位技术已向高精度、高动态的方向发展。

GPS系统的广泛应用，促使各国政府大力提高发展本国导航定位系统，这就要求我们全面透彻地研究GPS定位系统，为我国的定位导航应用作出贡献。

本文主要研究GPS信号的生成，而在GPS信号的生成过程中，伪码的算法很重要。

m序列是伪码生成的基础，本文首先详细阐述了m序列的生成原理，并进行了相应的自相关性和互相关性分析。

在m序列的基础上，再对C/A码的生成原理进行了详细的介绍。

P码的生成相对来说比较复杂，是伪码的一个重点，本文对其进行了详细的分析。

在MATLAB仿真软件的平台下，本文成功的完成了GPS信号的生成，并且形象的展示了伪码的相关特性，很好的对本文的相关内容进行了仿真。

关键词：全球定位系统；伪码；MATLAB仿真；相关性AbstractAs the new generation of the satellite navigation systems, Global Positioning System (GPS) is more and more important in military and civil fields in recent years. Though the development of science and technology, the technology of navigation and orientation has been progressed to the direction of great precision and dynamic.With the wide application of GPS locating, every country develop our best to make contribution to the positioning and navigation industry of our country.This paper mainly studies the generation of GPS signal, and the algorithm of PN code is very important in GPS signal generation. As m sequence is the basis of PN code generation, this paper firstly explains the m sequence’s generative principle in detail and the characteristics of autocorrelation and cross correlation. On the basis of m series, then this paper introduced C/A code generation principle in detail.As P code is one of the focuses of PN code, and the generation of P code is relatively complex, this paper makes detailed analysis about it.In the platform of MATLAB software simulation, this paper successfully completes the GPS signal generation, and demonstrates the correlation characteristics of PN code visually.It has done a good simulation of the content about this paper.Keywords:Global Positioning System; PN code; MATLAB simulation; correlation characte-ristics目录1 绪论 (1)1.1GPS的应用 (1)1.2本文研究的主要内容 (2)1.3本文研究的目的和意义 (3)2 GPS信号理论及MATLAB软件简介 (4)2.1GPS系统简介 (4)2.2GPS信号结构 (5)2.2.1 载波 (7)2.2.2 伪码 (9)2.2.3 导航电文 (10)2.3伪码 (12)2.3.1 m序列 (12)2.3.2 易捕码C/A码 (16)2.3.3 精码P码 (20)2.4扩频与调制 (24)2.4.1 扩频通信 (24)2.4.2 GPS信号的调制 (25)2.5MATLAB软件简介 (26)2.5.1 MATLAB简介 (26)2.5.2 M文件简介 (27)3 GPS信号仿真程序设计 (33)3.1数据码 (33)3.2C/A码 (34)3.2.1 C/A码的生成及扩频调制 (34)3.2.2 C/A码的相关性分析 (35)3.3P码 (36)3.3.1 P码产生及扩频调制 (36)3.3.2 P码的相关性分析 (39)4 结果分析 (40)4.1C/A码 (40)4.1.1 C/A码的产生及扩频调制 (40)4.1.2 C/A码的相关性分析 (40)4.2P码 (41)4.2.1 P码的产生及扩频调制 (41)4.2.2 P码相关性分析 (43)结论 (45)致谢 (46)参考文献 (47)附录A 英文原文 (48)附录B 汉语翻译 (57)附录C 部分仿真程序代码 (64)1 绪论1.1 GPS的应用全球定位系统（Global Positioning System -GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

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在天球上建立坐标系，必然会涉及天球上一些有参考意义
的点、线、面，现摘要介绍如下。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动 1）天轴和天极天轴是指地球自转轴的延伸直线，天轴和天球表面的交点
称为天极 P （见图3－1），与地球北极相对应的是北天极 PN ，
与地球南极相对应的是南天极 PS。天极并不固定，有岁差和章动的变化。扣除了章动影响的天极为平天极；包含岁差和章动
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动岁差指平北天极以北黄极为中心，以黄赤交角ε 为半径的一种顺时针圆周运动。由于岁差，北天极在天球表面上画出一
个以北黄极为中心，以黄赤交角ε 为半径的圆周（见图3－2）。
天极的这种变化，必然导致天球赤道面的变化，而实际反映出来的是春分点位置的变化。根据近代天文学精确测量的结果，
其中：
（3-5）
0
0.6406161 T 0.0000839 T 2 0.0000050 T 3 0.5567530 T 0.0001185 T 2 0.0000116 T 3 0.6406161 T 0.0003041 T 2 0.000051 T 3
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动 3.1.4 两种地球坐标系及其转换模型 1．协议（平）地球坐标系协议（平）地球坐标系的地极位置采用国际协议地极原点 CIO，它有如下两种形式。 1）地心空间直角坐标系
4）时圈
通过天轴的平面和天球表面相交的半个大圆称为时圈。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动 5）黄道黄道是指地球绕太阳公转时的轨道平面和天球表面相交的
大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所看到的太阳
在天球面上作视运动的轨迹。黄道平面和天球赤道面的夹角ε 称为黄赤交角，ε ≈23.5°。 6）黄极黄极是指过天球中心且垂直于黄道平面的直线和天球表面的交点。黄极也有黄北极（KN）和黄南极（KS）的区分。
(3-8)
0 0 1 R X ( ) 0 cos( ) sin( ) （3-9） 0 sin( ) cos( )
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
图3-7 章动旋转
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动由此，章动旋转矩阵为:
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
3.1 天球坐标系和地球坐标系 3.2 GPS时间系统 3.3 GPS卫星的运动
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
3.1 天球坐标系和地球坐标系
3.1.1 天球概述天球是指以地球质心为中心，半径无穷大的理想球体。天文学中通常把天体投影到天球的球面上，并在天球面上研究天体的位置、运动规律和天体间的相互关系。 1．天球上的某些有参考意义的点、线、面
0 0 1 R X () 0 cos sin 0 sin cos
（3-7）
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
cos sin 0 来自R Z ( ) sin cos 0 0 0 1
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动天极位置是变化的，天文学中称天极的瞬时位置为真天极。与真天极相对应，把扣除章动影响后的天极称为平天极。平天极也是运动的，但它只有岁差而无章动的变化。相应地，天球赤道也有“真”与“平”的区分。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
图3-2 岁差示意图
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动 3.1.2 两种天球坐标系及其转换模型天极有“真”、“平”的区分，天球坐标系同样有“真”、 “平”两种形式。瞬时极（真）天球坐标系（见图3-5）的原点为地球质心M； Z轴指向瞬时（真）北天极PN ；X轴指向真春分点γ；Y轴垂直于XMZ平面，且与X轴和Z轴构成右手系。
影响的瞬时位置的天极为真天极。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
图3-1 天球
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动 2）天球赤道面和天球赤道天球赤道面是指通过地球质心并与天轴垂直的平面。天
球赤道面和天球表面的交线称为天球赤道。天球赤道是半径
为无穷大的圆周。 3）天球子午面和天球子午圈包含天轴并通过天球面上任意一点的平面称为天球子午面。天球子午面和天球表面相交的大圆称为天球子午圈。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动 7）春分点春分点是指太阳由南半球向北半球运动时，所经过的天球黄道与天球赤道的交点。春分点和天球赤道面是建立天球坐标系的基准点和基准面。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动 2．岁差和章动由于地球形状接近于一个两极扁平、赤道隆起的椭球体，
与岁差相比是一种短周期运动。图3-3描绘了章动的概略情况，
图中 P0 是平北天极， P 是真北天极。综合岁差和章动的影响，真北天极绕北黄极的旋转运动，实际如图3-4所示。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
图3-3 章动示意图
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
图3-4 真北天极的运动轨迹
为0.2″的变化（张德勒周期变化）。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动极移使地球坐标系的坐标轴指向产生变化，给实际定位工作带来了困难。为此，国际天文联合会（IAU）和国际大地测量
学协会（IAG）于1967年建议，采用国际上5个纬度服务站（见
表3-1），在1900～1905年间测定的平均纬度所确定的平均地极位置为国际协议地极原点（ Conventional International
因此在日月引力和其他天体引力的作用下，地球在绕太阳运动
时，其自转轴方向并不保持恒定，而是绕着北黄极缓慢地旋转。地球自转轴的这种旋转运动，使地球绕太阳的状态，像一只巨
大的陀螺。地球自转轴的这种变化，意味着天极的运动，即北
天极绕着北黄极作缓慢的旋转运动。天极运动由于受到引力场不均匀变化的影响而十分复杂，天文学中把天极的运动分解为一种长周期运动——岁差和一种短周期运动——章动。
通过（观测）平天极的子午面上。第二步是作逆时针Givens转动：
（3-1）
其意义是以Z0轴为旋转轴，顺时针转动ξ 角，使X0轴旋转并到达
cos 0 sin RY () 0 1 0 sin 0 cos
（3-2）
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
其意义是以Y0 轴为旋转轴，逆时针转动θ 角，使坐标轴 Z0
与Zt 重合，这时X0轴也将随之转动到相应于（观测）平天极的赤道面上。最后，再作顺时针Givens转动：
cos sin 0 RZ () sin cos 0 （3-3） 0 0 1 其意义是使坐标轴X0与Xt重合。由于坐标轴之间的两两正交关
式中，旋转量ε 是黄赤交角，其表达式为：
232621.448 46.815T 0.0005 9T 2 0.001813 T 3
(3-12)
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动 Δ ε 是章动交角，Δ φ 是黄经章动，在实际应用时可根据T 值在天文年历中查取。1980年，国际天文联合会（IAU）采用了基于弹性地球模型的章动理论，计算章动交角Δ ε 的表达式为多达64项的级数展开式，而计算黄经章动Δ φ 的表达式则为多达106项的级数展开式。它们各自的主项是:
Origin, CIO），简称平极。与CIO原点相应的赤道面称协议赤
道面或平赤道面。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动表3-1 国际纬度站分布
站址卡洛福特（Carloforte）盖瑟斯堡（Caithersburg）基塔布（Kitab）水泽（Mizusawa）尤凯亚（Ukiah）所在国家意大利美国俄罗斯日本美国纬度φ 39°09′09″N 39°08′13″N 39°08′02″ 39°08′04″ 39°08′12″ 经度λ 8°18′44″E 77°11′57″W 66°52′51″E 141°07′51″E 123°12′35″W
系，这时坐标轴Y0 也必定和坐标轴Yt重合，这样就最终完成了
岁差旋转。岁差旋转矩阵可表示为:
RZYZ (, ,) RZ () RY () RZ ()
（3-4）
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
据此，由（历元）平天球坐标系转换到（观测）平天球坐
标系的数学模型为
X X Y R (, ,) Y ZYZ Z t Z t
R XZX ( ,, ) R X ( ) RZ () R X ()
（3-10）而由（观测）平天球坐标系到瞬时极（真）天球坐标系的转换模型为：
X Y Z t
真
X Y R ZYZ ( ,, ) （3-11） Z t 平
(3-6)
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动 2．章动旋转如果要使（观测）平天球坐标系转换为瞬时极（真）天球
坐标系，需作章动旋转。即通过旋转变换，使Z轴由指向（观
测）平天极P0改为指向瞬时（真）天极Pt （见图3－7）。实现这一目标，同样要经过三次旋转变换，与其相应的旋转矩阵为：
即RZ（-ξ）、RY（θ）和RZ（-η）。
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动
图3-6 岁差旋转
第3章 GPS的坐标、时间系统和卫星的运动首先作顺时针Givens转动：
cos sin 0 R Z () sin cos 0 0 0 1
式中，Ω 是月球升交点的平均经度；D是太阳至月球的平均距离；F=λ