GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號.ppt

第四章 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號,中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,王 堅,本章需學(xué)習(xí)的內(nèi)容： 4.1 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文（指衛(wèi)星星歷、時鐘改正、轉(zhuǎn)換碼等） 4.2 GPS衛(wèi)星信號（指測距用偽隨機碼信號及載波信號） 4.3 衛(wèi)星位置的計算（由導(dǎo)航電文計算觀測時刻衛(wèi)星的地球坐標系坐標） 4.4 GPS接收機基本工作原理,4.1 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文,GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（簡稱衛(wèi)星電文又叫數(shù)據(jù)碼（D碼）：是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它主要包括：衛(wèi)星星歷、時鐘改正、電離層時延碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息。 它的基本單位是長1500bit的一個主幀（如圖4-1所示），傳輸速率是50bit/s,30秒鐘傳送完畢一個主幀。一個主幀包括5個子幀，第1、2、3子幀每30秒鐘重復(fù)一次，內(nèi)容每小時更新一次。第4、5子幀的全部信息則需要750秒鐘才能夠傳送完。即第4、5子幀是12.5分鐘播完一次，然后再重復(fù)之，其內(nèi)容僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新。,4.1 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文,4.1.1遙測碼（TLW，即Telemetry Word） 遙測碼位于各子幀的開頭，它用來表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)，以次指示用戶是否選用該顆衛(wèi)星。 4.1.2轉(zhuǎn)換碼（HOW,即Hand Over Word） 轉(zhuǎn)換碼位于每個子幀的第二個字碼，其作用是提供幫助用戶從所捕獲的C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的Z計數(shù)，它表示從每星期天零時到星期六24小時，P碼子碼X1的周期（1.5秒）重復(fù)數(shù)。 4.1.3 第一數(shù)據(jù)塊 第一數(shù)據(jù)塊位于第1子幀的第310字碼，它的主要內(nèi)容包括：標識碼，時延差改正；星期序號；衛(wèi)星健康狀況；數(shù)據(jù)齡期；衛(wèi)星時鐘改正系數(shù)等。 1.時延差改正時延差改正就是載波L1、L2的電離層時延差。當使用單頻接收機時，為了減小電離層的影響，提高定位精度，要用改正觀測結(jié)果，雙頻接收機可通過L1，L2兩頻率的組合來消除電離層的影響，不需要此項改正。,2.數(shù)據(jù)齡期AODC 衛(wèi)星時鐘的數(shù)據(jù)齡期AODC是時鐘改正數(shù)的外推時間間隔，它指明衛(wèi)星時鐘改正數(shù)的置信度。 AODC=Toc-tl (4-1) 式中：toc為第一數(shù)據(jù)塊的參考時刻；tl是計算時鐘改正參數(shù)所用數(shù)據(jù)的最后觀測時間。 3.星期序號WN WN表示從1980年1月6日子夜零點（UTC）起算的星期數(shù)，即GPS星期數(shù)。 4.衛(wèi)星時鐘改正 GPS時間系統(tǒng)是以地面主控站的主原子鐘為基準。由于主控站主鐘的不穩(wěn)定性，使得GPS時間和UTC時間之間存在著差值。地面監(jiān)控系統(tǒng)通過臨測確定出這種差值，并用導(dǎo)航電文播發(fā)給廣大用戶。 每一顆GPS衛(wèi)星的時鐘相對GPS時系存在著差值，需加以改正，這是衛(wèi)星時鐘改正： ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2,4.1.4 第二數(shù)據(jù)塊 包含第2和第3子幀，其內(nèi)容表示GPS衛(wèi)星的星歷，這些數(shù)據(jù)為用戶提供了有關(guān)計算衛(wèi)星運動位置的信息。描述衛(wèi)星的運行及其軌道的參數(shù)包括下列三類。（如圖4-2所示） 1.開普勒六參數(shù) 這6個參數(shù)為： ，e,i0,0，M0 2.軌道攝動九參數(shù) 這9個參數(shù)為：n， , ，Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis（其含義同 3.4） 3.時間二參數(shù) (1)從星期日子夜零點開始度量的星歷參考時刻toe； (2)星歷表的數(shù)據(jù)齡期AODE，有: AODEtoe-t1 式中t1為作預(yù)報星歷測量的最后觀測時間，因此AODE就是預(yù)報星歷的外推時間長度。,4.1.5 第三數(shù)據(jù)塊 第三數(shù)據(jù)塊包括第4和第5兩個子幀，其內(nèi)容包括了所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。當接收機捕獲到某顆GPS衛(wèi)星后，根據(jù)第三數(shù)據(jù)塊提供的其他衛(wèi)星的概略星歷、時鐘改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，用戶可以選擇工作正常和位置適當?shù)男l(wèi)星，并且較快地捕獲到所選擇的衛(wèi)星。 1.第4子幀 (1)第2，3，4，5，7，8，9，10頁面提供第2532顆衛(wèi)星的歷書； (2)第17頁面提供專用電文，第18頁面給出電離層改正模型參數(shù)和UTC數(shù)據(jù)； (3)第25頁面提供所以衛(wèi)星的型號、防電子對抗特征符和第2532顆衛(wèi)星的健康狀況； (4)第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24頁作備用，第13，14，15頁為空閑頁。 2.第5子幀 (1)第124頁面給出第124顆衛(wèi)星的歷書； (2)第25頁面給出第124顆衛(wèi)星的健康狀況和星期編號。 在第三數(shù)據(jù)塊中，第4和第5子幀的每個頁面的第3字碼，其開始的8個比特是識別字符，且分成兩種形式：（a）第1和第2比特為電文識別（DATA ID）；(b)第38比特為衛(wèi)星識別（SV ID）。,GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生,GPS衛(wèi)星信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波，它包含有：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。時鐘基本頻率為10.23MHz。GPS信號的產(chǎn)生，如圖4-3所示。 GPS信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的已調(diào)波，其載波處于L(22cm)波段，其調(diào)制波是衛(wèi)星電文和偽隨機噪聲碼的組合碼。GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導(dǎo)航電文稱為數(shù)據(jù)碼，其碼的碼率f=50HZ。怎樣才能有效將低碼率的導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶這是關(guān)系到GPS系統(tǒng)成敗與否的大問題。一種有效的發(fā)送方法是：用低碼率的數(shù)據(jù)碼作二級調(diào)制(擴頻)。第一級，用50Hz的D碼調(diào)制一個偽噪聲碼，如調(diào)制一個被叫做P碼的偽噪聲碼，后者的碼率高達10.23MHZ。D碼調(diào)制P碼的結(jié)果是形成一個組合碼，致使D碼信號的頻帶寬度從50Hz擴展到了10.23MHZ，也就是說，GPS衛(wèi)星原擬發(fā)送50bits的D碼，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送10.23Mbits的組合碼P(t)D(t)。,4.2 GPS衛(wèi)星信號,GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生,在D碼調(diào)制偽噪聲碼以后，再用它們的組合碼去調(diào)制L波段的載波，實現(xiàn)D碼的第二級調(diào)制從而形成向用戶發(fā)送的已調(diào)波。每顆GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送兩種巳調(diào)波。為了敘述方便，分別將兩者稱為第一和第二GPS衛(wèi)星射電信號，總稱為GPS信號。,4.2 GPS衛(wèi)星信號,GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生,基準頻率 10.23MHZ,L1 1575.42MHZ,C/A碼 1.023MHZ,P碼 10 . 23MHZ,L2 1227.60MHZ,P碼 10.23MHZ,10,154,120,50比特/S,衛(wèi)星信息電文(D碼),每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(基準頻率) 兩種載波(L1和L2) 兩種碼信號(C/A碼和P碼) 一組導(dǎo)航電文(信息碼，D碼),4.2 GPS衛(wèi)星信號,衛(wèi)星信號的頻率,基本頻率(f0) 10.23 MHz 載波相位L1 (154f0) = 1575.42 MHz 載波相位L2 (120f0) = 1227.60 MHz P Code (f0) 10.23 MHz C/A Code (f0/10) 1.023 MHz 導(dǎo)航信息(f0/204600) 50 Hz,4.2 GPS衛(wèi)星信號,4.2 GPS衛(wèi)星信號,GPS衛(wèi)星信號:調(diào)制波.含載波（L1=1575.42MHz，L2=1227.6MHz）、測距碼(C/A,P)、數(shù)據(jù)碼。 偽隨機碼PRN：波形圖與信號結(jié)構(gòu)見右圖。 測距碼調(diào)制方式：相位調(diào)制。 GPS信號結(jié)構(gòu):,L1上S（t）=ApP（t）D（t）cos（t+1）+AcC（t）D（t）sin（t+2） L2上S（t）=BpP（t）D（t）cos（t+2） Ap，Bp，Ac分別為：P碼與C/A碼的振幅；D（t）為數(shù)據(jù)碼,偽隨機噪聲碼的相位調(diào)制,偽隨機噪聲碼的產(chǎn)生及特性,偽隨機噪聲碼又叫偽隨機碼或者偽噪聲碼，簡稱：PRN，是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。他不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相關(guān)特性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。GPS信號中使用了偽隨機碼技術(shù)，識別和分離各顆衛(wèi)星信號，并提供無模糊度的測距數(shù)據(jù)。 偽隨機噪聲碼的產(chǎn)生方式很多。GPS技術(shù)采用m序列，即產(chǎn)生于最長線性反饋移位寄存器。,4.2 GPS衛(wèi)星信號,偽隨機碼的產(chǎn)生-M序列線性反饋移位寄存器,M序列的特性: 1.均衡性：一周中1與0基本相等。1比0多1個。不允許全0。 2.游程分布：相同碼元連在一起為一游程。左圖4 級M序列為8個游程：長度為1的4個，長度為2的2個，長度為3的1個，長度4的1個。 3.移位相加特性：一個M序列與其移位后另一M序列相加仍是M序列。4 級M序列的周期m=15 4.自相關(guān)特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m 5.偽噪聲特性：M序列為偽隨機碼或人工復(fù)制噪聲碼。,a3,a2,a1,a0,初始1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 ,4 級M 序列的產(chǎn)生方框圖 輸出M序列: 000111101011001,輸出,m序列偽隨機噪聲碼的自相關(guān)特性,對齊時：000111101011001 未對齊時：000111101011001 000111101011001 100011110101100 A=15,D=0,R=（A-D）/m=1 A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15,C/A碼與P（y）碼,C/A碼粗測距碼。周期為1ms的兩個m序列G1（t）和G2（t）模2相加(序列相乘)得 C/A（t）=G1（t）*G2（t+it0） 采用不同的it0值，可產(chǎn)生1023個G2（t）。每顆衛(wèi)星選擇一個C/A（t），每個接收機同時具有所有衛(wèi)星的C/A（t）。這些C/A碼具有相同的碼長N=1023bit，相同的周期Tu=Ntu=1ms，相同的碼元寬tu=1/f=0.98s-293.1m。 P(y)碼精測距碼。由兩個偽隨機碼PN1（t）和PN2（t）相乘組成。碼長為2.35E14，周期為267天。碼元寬度0.098 s. P（t）=PN1（t）*PN2（t+ni） ni取0-36不同的數(shù)值，可得到37種P碼。實際應(yīng)用中P碼采用7天的周期。每周六午夜零點P碼置全1狀態(tài)為起始點。,GPS廣播星歷中用于衛(wèi)星軌道計算的參數(shù)：1個參考時刻、6個軌道參數(shù)、9個受攝動影響的參數(shù),參考時刻toe：又叫預(yù)報時刻。以星期日零點為起點。 星歷表數(shù)據(jù)量AODE=toe-tl，星鐘數(shù)據(jù)量AODC=toc-tl GPD周數(shù)，Tgd時延差改正，ao,a1,a2鐘差參數(shù)。 6個軌道參數(shù)：Mo，e，a，io，o，。（對應(yīng)toe） 9個攝動參數(shù)：n，d/dt，di/dt，Cuc，Cus，Crc，Crs，Cic，Cis。,星期日0h,定軌觀測最后時刻tl,星歷預(yù)報toe,AODE,星鐘預(yù)報toc,AODC,觀測時刻t,4.3 GPS衛(wèi)星的坐標計算,根據(jù)開普勒軌道參數(shù)，可計算衛(wèi)星在不同坐標系中的瞬時坐標，而在實際工作中，由于軌道攝動的影響，具體計算方法有所不同。本節(jié)介紹在協(xié)議地球坐標系中GPS衛(wèi)星位置的計算步驟： 1.計算真近點角Vk 計算平均角速度 加上導(dǎo)航電文給出的攝動改正數(shù) 得衛(wèi)星運行的平均角速度為,4.3 GPS衛(wèi)星的坐標計算,計算歸化時間 首先對觀測時刻 做衛(wèi)星鐘差改正 然后將改正后觀測時刻t歸化到GPS時間系統(tǒng)中 （為觀測時刻與廣播星歷之間時間間隔） 注意 不同,計算觀測時刻t的平近點角Mk和偏近點角Ek 計算觀測時刻的真近點角Vk（與Ek唯一對應(yīng)）,2.計算升交距角及軌道攝動改正項 升交距角： 攝動改正項 3.計算升交距角、衛(wèi)星的地心距離及軌道傾角,4.計算衛(wèi)星在軌道坐標系中的坐標（x,y,z） (這里的X軸指向了升交點） 5.計算升交點的經(jīng)度 6.計算在地固坐標系中的空間直角坐標,7.計算在協(xié)議地球坐標系中的空間直角坐標,8.考慮極移的影響，最后得到在協(xié)議地球坐標系中的空間直角坐標,4.4 GPS接收機基本工作原理,1.按接收機的用途分類 按用途接收機可分為： (1) 導(dǎo)航型接收機 此類型接收機主要用于運動載體的導(dǎo)航，它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機一般采用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低一般為25m,有SA影響時為100m。這類接收機價格便宜，應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機可以進一步分為： 車載型用于車輛導(dǎo)航定位； 航海型用于船舶導(dǎo)航定位； 航空型用于飛機導(dǎo)航定位。由于飛機運行速度快，因此，在航空用的接收機要求能適應(yīng)高速運動。 星載型用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的運動速度高達7公里/s以上，因此對接收機的要求更高。,4.4.1 GPS接收機的分類,(2) 測地型接收機 測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。 (3) 授時型接收機 這類接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。,4.4.1 GPS接收機的分類,2.按接收機的載波頻率分類 (1) 單頻接收機 單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（15km）的精密定位。 (2) 雙頻接收機 雙頻接收機可以同時接收，載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號延遲的影響，因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。,3.按接收機通道數(shù)分類 GPS接收機能同時接收多顆GPS衛(wèi)星的信號，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號，以實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據(jù)接收機所具有的通道種類可分為： (1) 多通道接收機 (2) 序貫通道接收機 (3) 多路多用通道接收機,4.按接收機工作原理分類 (1) 碼相關(guān)型接收機 碼相關(guān)型接收機是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。 (2) 平方型接收機 平方型接收機是利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號，來恢復(fù)完整的載波信號，通過相位計測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。 (3) 混合型接收機 這種儀器是綜合上述兩種接收機的優(yōu)點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。 (4) 干涉型接收機 這種接收機是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。,GPS接收機主要由 1、GPS接收機天線單元；2、GPS接收機主機單元；3、電源三部分組成。 接收機主機由變頻器、信號通道、微處理器、存貯器及顯示器組成。,4.4.2 GPS接收機的組成及工作原理,1.GPS接收機天線 天線由接收機天線和前置放大器兩部分所組成。天線的作用是將GPS衛(wèi)星信號的極微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，而前置放大器則是將GPS信號電流予以放大。為便于接收機對信號進行跟蹤、處理和量測，對天線部分有以下要求： 天線與前置放大器應(yīng)密封一體，以保障其正常工作，減少信號損失； 能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號，不產(chǎn)生死角； 有防護與屏蔽多路徑疚的措施； 天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心晝一致。,GPS接收機天線有下列幾種類型： (1)單板天線 這種天線結(jié)構(gòu)簡單、體積較小，需要安裝在一塊基板上，屬單頻天線。 (2)四螺旋形天線 四螺旋形天線是由四條金屬管線繞制而成，底部有一塊金屬掏板。這種天線頻帶寒風(fēng)，全圓極化性能好，可捕捉低高度角衛(wèi)星。缺點是不能進行雙頻接收，抗震性差，常用作導(dǎo)航型接收機天線。 (3)微帶天線 微帶天線是在厚度為h（h）的介質(zhì)板兩邊貼以金屬片。一邊為金屬底板，一邊做成矩形或圓形等規(guī)則形狀，見圖4-9。這種天線也稱為貼片天線。微帶天線的特點是高度低，重輕，結(jié)構(gòu)簡單并且堅固，易于制造；既可用于單頻機，又可用于雙頻機。缺點是增益較低。目前大部分測地型天線都是微帶天線。這種天線更適用于飛機、火箭等高速飛行物上。,(4)錐形天線 錐形天線是在介質(zhì)錐體上，利用印刷電路技術(shù)在其上制成導(dǎo)電圓錐螺旋表面，也稱盤旋螺線型天線。這種天線可以同進出在兩個頻率上工作。錐形天線的特點是增益好。但是由于其天線較高，并且在水平方向上不對稱，天線相位中心與幾何中心不完全一致。因此，在安置天線時要仔細定向并且要給于補償。 GPS天線接收來自20000km高空的衛(wèi)星信號很弱，信號電平只有-50-180dB;輸入功率信噪比為S/N=-30dB。即信號源淹沒在噪聲中。為了提高信號強度，一般在天線后端設(shè)有前置放大器。對于雙頻接收機設(shè)有兩路前置放大器以養(yǎng)活帶寬，控制外來信號干擾，也防止f1,f2信號干擾。大部分GPS天線都與前置放大器結(jié)合在一起，但也有些導(dǎo)航型接收機為減少天線重量、便于安置、避免雷電事故，而將天線和前置放大器分開。,2.接收機主機 (1)變頻器及中頻接收放大器 經(jīng)過GPS前置放大器的信號仍然很微弱，為了使接收機通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使L頻段的射頻信號變成低頻信號，必須采用變頻器。 (2)信號通道 信號通道是接收機的核心部分，GPS信號通道是硬軟件結(jié)合的電路。不同類型的接收機其通道是不同的。 GPS信號通道的作用有三：搜索衛(wèi)星，索引并跟蹤衛(wèi)星；對廣播電文數(shù)據(jù)信號衽解擴，解調(diào)出廣播電文；進行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。 從衛(wèi)星接收到的信號是擴頻的調(diào)制信號，所以要經(jīng)過解擴、解調(diào)才能得到導(dǎo)航電文。為了達到此目的，在相關(guān)通道電路中設(shè)有偽碼相位跟蹤環(huán)和載波相位跟蹤環(huán)。,(3)存貯器 接收機內(nèi)設(shè)有存貯器或存貯卡以存貯衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、接收機采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及多普勒頻移。目前，GPS接收機都裝有半導(dǎo)體存貯器（簡稱內(nèi)存），接收機內(nèi)存數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)口傳到微機上，以便進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。在存貯器內(nèi)還裝有多種工作軟件，如：自測試軟件；衛(wèi)星預(yù)報軟件；導(dǎo)航電文解碼軟件；GPS單點定位軟件等。 (4)微處理器 微處理器是GPS接收機工作的靈魂，GPS接收機工作都是在微機指令統(tǒng)一協(xié)同下進行的。其離要工作步驟為： 接收機開機后首先對整個接收機工作善進行自檢，并測定、校正、存貯各通道的時延值。,