武汉大学 测绘学院 GPS原理及其应用课程组
GPS原理及其应用
(三 )
GPS原理及其应用
第二章 全球定位系统的组成及信号结构
§ 2.1 全球定位系统的组成
GPS原理及其应用
§ 2.1 全球定位系统的组成
GPS原理及其应用
GPS的系统组成
? GPS系统由三部分组成
– 空间部分
– 地面控制部分
– 用户设备部分
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成
GPS原理及其应用
GPS的空间部分①
? GPS的空间部分的组成
– GPS卫星星座
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
? 6个轨道面
? 平均轨道高度
20200km
? 轨道倾角 55 ?
? 周期 11h 58min
（ 顾及地球自转，
地球 -卫星的几何
关系每天提前
4min重复一次）
GPS原理及其应用
GPS的空间部分②
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
? GPS卫星星座
– 设计星座,21+3
– 21颗正式的工作卫星 +3颗活动的备用卫星
– 保证在每天 24小时的任何时刻，在 高度角 15?以
上，能够同时观测到 4颗以上卫星
– 当前星座,28颗
GPS原理及其应用
GPS的空间部分③
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
GPS的空间部分④
? GPS卫星的地面轨迹
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
GPS的空间部分⑤
? GPS卫星
– 作用：
? 接收、存储导航电文
? 生成用于导航定位的信号（测距码、载波）
? 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测
距码和导航电文）
? 接受地面指令，进行相应操作
? 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。
– 主要设备
? 太阳能电池板
? 原子钟（ 2台铯钟,2台铷钟）
? 信号生成与发射装置
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
? GPS卫星（续）
– 类型
? 试验卫星,Block Ⅰ
? 工作卫星,Block Ⅱ
– Block Ⅱ,存储星历能力为 14天，具有 SA和 AS地能力
– Block Ⅱ A （ Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历
能力为 180天,SV35和 SV36带有激光反射棱镜
– Block Ⅱ R （ Replacement/Replenishment）：卫星间可相互
跟踪相互通讯
– Block Ⅱ F（ Follow On）：新一代的 GPS卫星,增设第三民
用频率
GPS的空间部分⑥
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
GPS的空间部分⑦
Block
IIR
Block
IIA
Block
IIA
Block
IIR Block IIF
Block
IIR
不同类型的 GPS卫星
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
GPS的空间部分⑧
? 当前的卫星状态
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
SUBJ,GPS STATUS 26 MAR 2004
1,SATELLITES,PLANES,AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):
A,BLOCK I, NONE
B,BLOCK II,PRNS 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15
PLANE, SLOT F4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5
CLOCK, CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CS
BLOCK II,PRNS 16,17,18,20,21,22,24,25,26,27,28,29,30,31
PLANE, SLOT B1,D6,E4,E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3
CLOCK, RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RB
GPS原理及其应用
GPS的地面监控部分 ①
? 地面监控部分 （ Ground Segment）
– 组成
? 主控站,1个
? 监测站,5个
? 注入站,3个
? 通讯与辅助系统
G P S 卫星
注入站监测站
主控站
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
主控站 监测站
注入站
大
西
洋
太
平
洋
印
度
洋
GPS的地面监控部分②
? 地面监控部分 （ Ground Segment）（续）
– 分布
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
GPS的地面监控部分③
? 监测站（ 5个）
– 作用：
接收卫星数据，
采集气象信息，
并将所收集到的
数据传送给主控
站。
– 地点：
夏威夷、主控站
及三个注入站。
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
GPS的地面监控部分④
? 主控站（ 1个）
– 作用：
? 管理、协调地面监控系统各
部分的工作，
? 收集各监测站的数据，编制
导航电文，送往注入站将卫
星星历注入卫星，
? 监控卫星状态，向卫星发送
控制指令；
? 卫星维护与异常情况的处理。
– 地点：美国科罗拉多州法尔
孔空军基地。
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
GPS的地面监控部分⑤
? 注入站（ 3个）
– 作用：
将导航电文注入
GPS卫星。
– 地点：
阿松森群岛（大西
洋）、迪戈加西亚
（印度洋）和卡瓦
加兰（太平洋）
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分①
? 组成
– 用户
– 接收设备
? 接收设备
– GPS信号接收机
– 其它仪器设备
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分②
? GPS信号接收机
– 组成
? 天线单元
– 带前置放大器
– 接收天线
? 接收单元
– 信号通道
– 存储器
– 微处理器
– 输入输出设备
– 电源
天线单元
接收单元
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分 ③
? 天线单元
– 类型
? 单极天线
? 微带天线
? 锥形（螺旋）天线
– 四丝螺旋天线
– 空间螺旋天线
? 背腔平面盘旋天线
单极天线
微带天线
空间螺旋天线
四丝螺旋天线
背腔平面盘旋天线
GPS天线
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分④
? 天线单元（续）
– 特点
? 单极天线
– 单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结
构简单
? 微带天线
– 结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、
应用最为广泛
? 锥形（螺旋）天线
– 四丝螺旋天线 –单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、
增益特性好、不需要底板
– 空间螺旋天线 –双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称
? 背腔平面盘旋天线
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分⑤
? 天线单元
– 天线特性
? 相位中心、增益方式、带宽、
极化
– 相位中心
? 平均相位中心与几何中心
? 相位中心的偏移
? 相位中心偏移的消除：归心
改正、消去法
? 天线高 – 标志至平均相位中
心所在平面的垂直距离
L2的平
均相位
中心
?1
?2
L1的平
均相位
中心
?
?
s in
c o s
???
???
rYY
rXX
平均相位中心几何中心
平均相位中心几何中心
r1
r2
H’H
?H
H’ h
HRhHHH ??????? 22'
R
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分⑥
? 接收单元
– 接收（信号）通道
? 定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无
线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。
? 类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；
根据工作原理：码相关通道、平方通道等
– 存储器
– 微处理器
? 作用：数据处理、控制
– 输入输出设备
– 电源
前置放大器
信号通道
天线
观测值
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分⑦
信号通道
微处理器 输入输出存储器
电源
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
(三 )
GPS原理及其应用
第二章 全球定位系统的组成及信号结构
§ 2.1 全球定位系统的组成
GPS原理及其应用
§ 2.1 全球定位系统的组成
GPS原理及其应用
GPS的系统组成
? GPS系统由三部分组成
– 空间部分
– 地面控制部分
– 用户设备部分
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成
GPS原理及其应用
GPS的空间部分①
? GPS的空间部分的组成
– GPS卫星星座
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
? 6个轨道面
? 平均轨道高度
20200km
? 轨道倾角 55 ?
? 周期 11h 58min
（ 顾及地球自转，
地球 -卫星的几何
关系每天提前
4min重复一次）
GPS原理及其应用
GPS的空间部分②
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
? GPS卫星星座
– 设计星座,21+3
– 21颗正式的工作卫星 +3颗活动的备用卫星
– 保证在每天 24小时的任何时刻，在 高度角 15?以
上，能够同时观测到 4颗以上卫星
– 当前星座,28颗
GPS原理及其应用
GPS的空间部分③
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
GPS的空间部分④
? GPS卫星的地面轨迹
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
GPS的空间部分⑤
? GPS卫星
– 作用：
? 接收、存储导航电文
? 生成用于导航定位的信号（测距码、载波）
? 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测
距码和导航电文）
? 接受地面指令，进行相应操作
? 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。
– 主要设备
? 太阳能电池板
? 原子钟（ 2台铯钟,2台铷钟）
? 信号生成与发射装置
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
? GPS卫星（续）
– 类型
? 试验卫星,Block Ⅰ
? 工作卫星,Block Ⅱ
– Block Ⅱ,存储星历能力为 14天，具有 SA和 AS地能力
– Block Ⅱ A （ Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历
能力为 180天,SV35和 SV36带有激光反射棱镜
– Block Ⅱ R （ Replacement/Replenishment）：卫星间可相互
跟踪相互通讯
– Block Ⅱ F（ Follow On）：新一代的 GPS卫星,增设第三民
用频率
GPS的空间部分⑥
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
GPS的空间部分⑦
Block
IIR
Block
IIA
Block
IIA
Block
IIR Block IIF
Block
IIR
不同类型的 GPS卫星
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
GPS原理及其应用
GPS的空间部分⑧
? 当前的卫星状态
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的空间部分
SUBJ,GPS STATUS 26 MAR 2004
1,SATELLITES,PLANES,AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):
A,BLOCK I, NONE
B,BLOCK II,PRNS 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15
PLANE, SLOT F4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5
CLOCK, CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CS
BLOCK II,PRNS 16,17,18,20,21,22,24,25,26,27,28,29,30,31
PLANE, SLOT B1,D6,E4,E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3
CLOCK, RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RB
GPS原理及其应用
GPS的地面监控部分 ①
? 地面监控部分 （ Ground Segment）
– 组成
? 主控站,1个
? 监测站,5个
? 注入站,3个
? 通讯与辅助系统
G P S 卫星
注入站监测站
主控站
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
主控站 监测站
注入站
大
西
洋
太
平
洋
印
度
洋
GPS的地面监控部分②
? 地面监控部分 （ Ground Segment）（续）
– 分布
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
GPS的地面监控部分③
? 监测站（ 5个）
– 作用：
接收卫星数据，
采集气象信息，
并将所收集到的
数据传送给主控
站。
– 地点：
夏威夷、主控站
及三个注入站。
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
GPS的地面监控部分④
? 主控站（ 1个）
– 作用：
? 管理、协调地面监控系统各
部分的工作，
? 收集各监测站的数据，编制
导航电文，送往注入站将卫
星星历注入卫星，
? 监控卫星状态，向卫星发送
控制指令；
? 卫星维护与异常情况的处理。
– 地点：美国科罗拉多州法尔
孔空军基地。
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
GPS的地面监控部分⑤
? 注入站（ 3个）
– 作用：
将导航电文注入
GPS卫星。
– 地点：
阿松森群岛（大西
洋）、迪戈加西亚
（印度洋）和卡瓦
加兰（太平洋）
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的地面监控部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分①
? 组成
– 用户
– 接收设备
? 接收设备
– GPS信号接收机
– 其它仪器设备
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分②
? GPS信号接收机
– 组成
? 天线单元
– 带前置放大器
– 接收天线
? 接收单元
– 信号通道
– 存储器
– 微处理器
– 输入输出设备
– 电源
天线单元
接收单元
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分 ③
? 天线单元
– 类型
? 单极天线
? 微带天线
? 锥形（螺旋）天线
– 四丝螺旋天线
– 空间螺旋天线
? 背腔平面盘旋天线
单极天线
微带天线
空间螺旋天线
四丝螺旋天线
背腔平面盘旋天线
GPS天线
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分④
? 天线单元（续）
– 特点
? 单极天线
– 单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结
构简单
? 微带天线
– 结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、
应用最为广泛
? 锥形（螺旋）天线
– 四丝螺旋天线 –单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、
增益特性好、不需要底板
– 空间螺旋天线 –双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称
? 背腔平面盘旋天线
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分⑤
? 天线单元
– 天线特性
? 相位中心、增益方式、带宽、
极化
– 相位中心
? 平均相位中心与几何中心
? 相位中心的偏移
? 相位中心偏移的消除：归心
改正、消去法
? 天线高 – 标志至平均相位中
心所在平面的垂直距离
L2的平
均相位
中心
?1
?2
L1的平
均相位
中心
?
?
s in
c o s
???
???
rYY
rXX
平均相位中心几何中心
平均相位中心几何中心
r1
r2
H’H
?H
H’ h
HRhHHH ??????? 22'
R
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分⑥
? 接收单元
– 接收（信号）通道
? 定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无
线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。
? 类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；
根据工作原理：码相关通道、平方通道等
– 存储器
– 微处理器
? 作用：数据处理、控制
– 输入输出设备
– 电源
前置放大器
信号通道
天线
观测值
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
GPS原理及其应用
GPS的用户部分⑦
信号通道
微处理器 输入输出存储器
电源
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS的组成 > GPS的用户部分
