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第二章 GPS卫星定位系统 第一节 GPS系统的组成 学时：2学时 目的、要求：掌握GPS系统的组成部分； 掌握GPS卫星信号的组成； 了解GPS系统组成部分及卫星信号的相关知识 教学内容概述： 一、GPS系统的组成： GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备三大部分组成， (图2—1)。 1 空间星座部分 GPS空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星共同组成了GPS卫星星座。如图2-2所示，这24颗卫星分布在6个倾角为55(的轨道上绕地球运行，各个轨道平面之间相距60(，轨道平均高度20200km 。卫星的运行周期，即绕地球一周的时间约为12恒星时(11小时58分)。GPS卫星星座的功能主要为 （1）．用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。包括提供精密时间标准、粗略导航定位伪距C／A码、精密测距P码和反映卫星当前空间位置和卫星工作状态的导航电文。 （2）．在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段(10cm波段)发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并适时发送给广大用户。 （3）．接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地调整卫星的姿态，改正卫星运行轨道偏差，启用备用卫星。 GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常供电(图2—3)。 2 卫星监控部分 GPS的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站，其分布如图2—4所示。 2.1 主控站 主控站有一个，设在美国本土科罗拉多（Colorado）· 斯平士(Colorado Springs)的联合空间执行中心CSOC。 2.2 监控站 现有5个地面站均具有监测站的功能，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态； 2.3 注入站 注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等信息注入到卫星中去。注入站现有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)、南大西洋阿松森岛Ascencion)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。注入站的主要设备包括一台直径为3.6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机。 3 用户部分 GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机及其终端设备、气象仪器等所组成。而GPS接收机硬件，一般包括主机、天线、控制器和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必要的导航和定位信息及观测量；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。并经简单数据处理而实现实时导航和定位；GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。 二、GPS卫星信号 1 GPS卫星信号构成及产生 1.1 载波L1、、L1由卫星上的原于钟所产生的基准频率f0＝1.023MHz倍频154倍和120倍产生。 1.2 测距码 1.3 导航电文 导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。 2 GPS的测距码信号 测距码是用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码。 2.1 C／A码(Coarse／Acquisition Code) 用于进行粗略测距和捕获精码的测距码称为粗码，也称捕获码。C／A码的测距精度一段为((2-3) m。C／A码是一种结构公开的明码，供全世界所有的用户免费使用。 2.2 P码(Precision Code) 用于精确测定从GPS卫星至接收机距离的测距码称为精码。 2.3 L2C码 3 CPS卫星的载波信号 可运载调制信号的高频振荡波称为载波。GPS卫星发射两种频率的载波信号，由于它们均位于微波的L波段，故分别称为L 1载波和L2载波。即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的波长分别为19.03c