第三、四章 GPS卫星定位基础

z
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)

定的规律和周期性，且可以复制。
• 伪随机噪声码(Pseudo Random NoisePRN )由多级反馈移位寄存器产生。这种移
位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，
每个存储单元只有“0”或“1”两种状态，并
接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制。
第二十二页，共39页。
第二十三页，共39页。
• 假定一由4个存储单元组成的四级反馈和移
赤经。
• 2）轨道椭圆形状参数：a为轨道椭圆长半径；e为轨
道椭圆离心率。
• 3）轨道椭圆定向参数：f(或w)为近升角距。
• 4）时间参数：τ为卫星通过近地点的时刻。
第八页，共39页。
卫星轨道运动
第九页，共39页。
卫星轨道运动
• 如果已知这6个轨道参数，就惟一地确定了二体
• 问题意义下卫星的运动状态。换句话说，只要已
GPS码信号测距就是利用了GPS测距码的良
好的自相关性才获得成功。
第十八页，共39页。
第十九页，共39页。
第二十页，共39页。
• （3）伪随机噪声码(Pseudo Random
Noise-PRN )
• 虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于
它是一种非周期性的码序列，没有确定的编
码规则，所以实际上无法复制和利用。因此，
位寄存器，如下图所示。在钟脉冲的驱动下，
每个存储单元的内容，都按次序由上一单元
转移到下一单元，而最后一个存储单元的内
容便输出。并且，其中某两个存储单元，例
如单元3和4的内容进行模二相加，再反馈输
入给第一存储单元。
第二十四页，共39页。
第二十五页，共39页。
•
当移位寄存器开始工作时，置“1”脉冲

第4章GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1 GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）是用户用来定位和导航的数据基础。

它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。

这些信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，卫星电文又叫数据码（D码）。

他的基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。

一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit；第4,5子帧各有25个页面，共37500bit。

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子帧的全部信息则需要750s才能够传送完毕。

即第4、5子帧是12.5min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。

4.1.1 遥测码遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据状态。

遥测码的第1-8bit 是同步码，使用户便于解释导航电文；第9-23bit为遥测电文，其中包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。

第23和第24bit是连接码；第25-30bit为奇偶检验码，它用于发现和纠正错误。

4.1.2 转换码转换码位于每个子帧的第二个字码。

其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。

Z计数实际上是一个时间计数，它以从每星期起始时刻开始播发的D码子帧数为单位，给出了一个子帧开始瞬间的GPS时间。

由于每一子帧持续时间为6s，所以下一个子帧开始的时间为6xZ s，用户可以据此将接收机时钟精确对准GPS时，并快速捕获P码。

4.1.3 第一数据块第1子帧第3-10字码，主要内容：①标识码，时延差改正②星期序号③卫星的健康情况④数据龄期⑤卫星时钟改正系数等。

4.1.4第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。

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GPS时间系统的两种定义方式
● 主 钟 方 式 ： 由 主 控 站 的 主 钟 定 义 ， GPS 系 统 时 间 在 1991年6月17日以前由在科罗拉多的GPS主控站的 主钟产生。
●合成钟方式：由所有地面钟和卫星钟组成的钟组定义 ，系统时间尺度由各个钟的加权平均得到。这就是合 成钟（Composite Clock, CC）的概念。合成钟又 称‘纸’钟，由所有监测站和卫星钟组成。
➢ WGS84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议 地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z 轴构成右手系。
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世界大地坐标参考系统(WGS84)
➢ 椭球常数：
长半轴： a = 6378137.0 m
气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。 ➢ 受摄轨道：同时考虑摄动力作用下的卫星运动轨道。 ➢ 受摄轨道的确定：先通过研究无摄运动确定无摄轨道，再研究
各种摄动力对卫星运动的影响，并对卫星的无摄轨道加以修正 ，从而确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征。
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卫星受摄运动
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大地坐标系
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地球坐标系两种表达形式的转换
对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间转换关系如下：
X (N H ) cos B cos L
Y (N H ) cos B sin L
Z [(N (1 e2 ) H ) sin B]
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