GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文與衛(wèi)星信號

1、Global Positioning System1GPSGPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號遙感學(xué)院測繪工程系 2009第四章課程名稱：全球定位系統(tǒng)課程名稱：全球定位系統(tǒng)Global Positioning System2內(nèi)容提要內(nèi)容提要一GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號二偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收三C/A碼與P碼四GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成五GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文六GPS接收機基本工作原理Global Positioning System34.1 GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號衛(wèi)星播發(fā)的信號一概述1.GPS是一種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)觀測量是時間延遲或載波變化周數(shù)GPS信號包含三種成分：數(shù)據(jù)碼（D碼）、測距碼（C

2、/A碼和P碼）、載波信號（L1和L2）Global Positioning System44.1 GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號衛(wèi)星播發(fā)的信號一概述導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼中包含有多種與導(dǎo)航有關(guān)的信息。這些信息是衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘鐘差改正參數(shù)、測距時間標(biāo)志及大氣折射改正參數(shù)，以及由C/A碼捕獲P碼等其他導(dǎo)航信息。這些信息為GPS導(dǎo)航定位提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，故又稱為導(dǎo)航電文。2.導(dǎo)航電文是一組二進(jìn)制的數(shù)碼序列，碼值取0對應(yīng)脈沖狀態(tài)（+1），碼值取1對應(yīng)脈沖狀態(tài)（-1）Global Positioning System54.1 GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號衛(wèi)星播發(fā)的信號一概述GPS信號應(yīng)滿足的要求GPS衛(wèi)星廣播信號能實現(xiàn)保密通訊，

3、提高抗干擾能力能對各衛(wèi)星發(fā)射的信號進(jìn)行區(qū)分選擇3.實現(xiàn)精密定位和實時導(dǎo)航Global Positioning System64.1 GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號衛(wèi)星播發(fā)的信號偽隨機碼1.碼的基本概念碼：二進(jìn)制數(shù)組合構(gòu)成的數(shù)碼序列碼元（比特）：一位二進(jìn)制數(shù)編碼：將某種信息通過量化，并按某種規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)表示成二進(jìn)制組合序列，這一過程稱為編碼。數(shù)碼率（比特率）：每秒鐘傳輸?shù)拇a元數(shù)。單位：bit/s或BPS或HZGlobal Positioning System74.1 GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號衛(wèi)星播發(fā)的信號偽隨機碼隨機碼GPS信號中的關(guān)鍵技術(shù)：采用了偽隨機碼擴頻技術(shù)隨機碼擴頻的優(yōu)點：不僅能提高系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度，

4、而且可以使系統(tǒng)具有極高的抗電子干擾能力和極強的保密性Global Positioning System84.1 GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號衛(wèi)星播發(fā)的信號偽隨機碼隨機碼隨機碼特點（良好的自相關(guān)特性）隨機碼為非周期性碼序列，不存在任何編碼規(guī)則，因此不能被復(fù)制隨機碼序列中0和1出現(xiàn)的概率均為1/2兩隨機碼序列的模2和為0兩碼元相同；兩隨機碼序列的模2和為1兩碼元相異。自相關(guān)函數(shù)=1時已對齊； 自相關(guān)函數(shù)1時沒有對齊。模2和運算1 1=0，1 0=1，0 1=1，0 0=0Global Positioning System94.1 GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號衛(wèi)星播發(fā)的信號偽隨機碼偽隨機碼產(chǎn)生原因：隨機碼序列沒有周

5、期性，無法復(fù)制定義：具有良好的自相關(guān)特性的有周期性的序列稱偽隨機序列。由二進(jìn)制碼元組成的偽隨機序列稱二進(jìn)制偽隨機碼簡稱偽碼產(chǎn)生裝置：“多級反饋移位寄存器”分類：截短序列、復(fù)合序列等Global Positioning System104.2偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收一偽碼擴頻1.定義 將原擬發(fā)送幾十比特速率的導(dǎo)航電文變換成發(fā)送幾兆甚至更高比特率的由導(dǎo)航電文和偽噪聲碼組成的組合碼，稱之為偽隨機碼擴頻，簡稱偽碼擴頻2.優(yōu)越性保密性強：信號深埋在噪聲中，抗干擾耗電量少：降低了信噪比，節(jié)省衛(wèi)星電能可以很小的發(fā)射功率實現(xiàn)2萬公里的定位Global Positioning System1

6、14.2偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收偽碼測距1.定義 在計算衛(wèi)星發(fā)射信號由衛(wèi)星到用戶的傳播延時時，主要利用了衛(wèi)星發(fā)射信號中的偽隨機碼和地面GPS接收機中復(fù)制的跟蹤偽碼的相關(guān)接收技術(shù)，故稱為偽碼測距Global Positioning System124.2偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收偽碼測距基本原理 利用一偽碼延時鎖相環(huán)路，使本地復(fù)制的跟蹤碼和接收到的偽碼在碼元上對齊，也即是在時間上對準(zhǔn)，再將跟蹤偽碼與本地的基準(zhǔn)偽碼進(jìn)行比對，得到時間差Global Positioning System134.2偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收碼分多址1.為什么用碼分

7、多址類型：頻分多址FDMA、時分多址TDMA、空分多址SDMA、碼分多址CDMA原因：同時觀測多顆衛(wèi)星，只有兩個載頻區(qū)別：GPS導(dǎo)航定位中采用碼分多址，GLONASS采用頻分多址Global Positioning System144.2偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收偽隨機碼擴頻與相關(guān)接收碼分多址什么叫碼分多址所謂碼分多址，就是針對不同的GPS衛(wèi)星，預(yù)先指定使用不同結(jié)構(gòu)的偽隨機碼特點：每顆衛(wèi)星的偽噪聲碼不同，因此可以按衛(wèi)星所用偽噪聲碼不同對衛(wèi)星進(jìn)行編號，即PRN編碼Global Positioning System154.3 C/A碼與碼與P碼碼一概述測距碼是用于測定衛(wèi)星至接收機間的距離的二進(jìn)制碼。G

8、PS衛(wèi)星采用兩種測距碼，即C/A碼和P碼，它們均屬于偽隨機碼。C/A碼也稱粗碼，P碼也稱精碼。各衛(wèi)星所采用的測距碼互不相同且互相正交Global Positioning System164.3 C/A碼與碼與P碼碼C/A碼1.定義 C/A碼用于分址、搜捕衛(wèi)星信號和粗測距，是具有一定抗干擾能力的明碼，提供給民用產(chǎn)生 C/A碼是由兩個10級移位寄存器相結(jié)合而產(chǎn)生的Global Positioning System174.3 C/A碼與碼與P碼碼C/A碼基本特性是GPS衛(wèi)星的民用偽噪聲碼碼長1023bit，很短，易于捕獲（捕獲碼）碼元寬度977.517nsec時間周期1ms，1sec對應(yīng)長度293K

9、m不同的衛(wèi)星具有不同的C/A碼是L1載波的調(diào)制信號測距誤差2.9329.3m，精度較低（粗碼）Global Positioning System184.3 C/A碼與碼與P碼碼P碼1.產(chǎn)生 由兩組各有兩個12級反饋移位寄存器結(jié)合產(chǎn)生的。Global Positioning System194.3 C/A碼與碼與P碼碼P碼基本特性是GPS衛(wèi)星的軍用碼碼元寬度為C/A碼的1/10時間周期266天9小時45分55.5秒是L1L2載波的調(diào)制信號不同的衛(wèi)星具有不同的P碼測距誤差0.292.93m，精度較高（精碼）Global Positioning System204.4 GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成衛(wèi)星信號的

10、構(gòu)成一衛(wèi)星載波信號與調(diào)制1.GPS信號的組成數(shù)據(jù)碼（D碼、導(dǎo)航電文編碼）測距碼（C/A碼和P碼）載波（L1和L2）所有這三種信號分量都是在一個基本頻率f0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生的。Global Positioning System214.4 GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成衛(wèi)星信號的構(gòu)成一衛(wèi)星載波信號與調(diào)制1.GPS信號的組成基準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)頻率10.23 MHZ C/A碼碼 1.023MHZ P碼碼 10.23 MHZL21227.60 MHZL11575.42 MHZP碼碼 10.23 MHZ數(shù)據(jù)碼數(shù)據(jù)碼D碼碼 50 BPS數(shù)據(jù)碼數(shù)據(jù)碼D碼碼 50 BPS 15412020460010GPS衛(wèi)星信

11、號示意圖衛(wèi)星信號示意圖Global Positioning System224.4 GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成衛(wèi)星信號的構(gòu)成一衛(wèi)星載波信號與調(diào)制兩個載波頻率L1載波：頻率1575.42MHz，波長19.03cmL2載波：頻率1227.60MHz，波長24.42cm2.目的：使用兩個載波頻率發(fā)射是為了對電離層延遲進(jìn)行雙頻改正Global Positioning System234.4 GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成衛(wèi)星信號的構(gòu)成一衛(wèi)星載波信號與調(diào)制調(diào)制調(diào)幅：載波振幅隨調(diào)制信號的變化而變化調(diào)頻：載波頻率隨調(diào)制信號的變化而變化調(diào)相：載波相位隨調(diào)制信號的變化而變化 GPS衛(wèi)星的偽隨機碼是利用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的（與

12、+1相乘，相位不變；與-1相乘，相位改變180度）Global Positioning System244.4 GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成衛(wèi)星信號的構(gòu)成一衛(wèi)星載波信號與調(diào)制調(diào)制 GPS衛(wèi)星天線發(fā)射的信號，是將導(dǎo)航電文經(jīng)過兩級調(diào)制后的信號。一級調(diào)制是將低頻D碼分別調(diào)制高頻C/A碼和P碼，實現(xiàn)導(dǎo)航電文的偽隨機碼擴頻；二級調(diào)制是將一級調(diào)制的組合碼再分別調(diào)制在兩個載波頻率上。Global Positioning System254.4 GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成衛(wèi)星信號的構(gòu)成衛(wèi)星信號的解調(diào)重建載波 由于在GPS信號中已用二進(jìn)制相位調(diào)制的方法在載波上調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文，因此接收到的衛(wèi)星信號的相位已不再連續(xù)。所以

13、在進(jìn)行載波相位測量前，首先要進(jìn)行解調(diào)工作，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文去掉，重新恢復(fù)載波。這一工作稱為重建載波。Global Positioning System264.5 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文一導(dǎo)航電文及其格式1.定義所謂導(dǎo)航電文，是指包含導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼。導(dǎo)航信息指的是：衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、衛(wèi)星歷書、時間系統(tǒng)、星鐘改正參數(shù)、軌道攝動改正參數(shù)、大氣折射改正參數(shù)、遙測碼以及由C/A碼確定P碼的交換碼等。它是用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)Global Positioning System274.5 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文一導(dǎo)航電文及其格式格式導(dǎo)航電文是

14、二進(jìn)制編碼文件，按規(guī)定格式組成數(shù)據(jù)偵，按偵向外播發(fā)。每偵電文1500bit，播送速度為每秒50bit，所以，一偵電文的傳播時間是30秒。2.每偵電文含有5個子偵，每個子偵含有5個字，每個字為30bit；所以每一子偵共含300bit，按上述比特率50bit/s速度播發(fā)，每幅子偵需播發(fā)6s。Global Positioning System284.5 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文內(nèi)容1.遙測字各子偵的第一個字，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)作用：協(xié)助用戶快速解譯導(dǎo)航電文，判定衛(wèi)星可用與否Global Positioning System294.5 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文內(nèi)

15、容交接字各子偵的第二個字。向用戶提供用于捕獲P碼的Z計數(shù)作用：快速捕獲到P碼Global Positioning System304.5 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文內(nèi)容第一數(shù)據(jù)塊WN衛(wèi)星時間計數(shù)器調(diào)制碼標(biāo)識URA衛(wèi)星測距精度表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)是否正常TGD電離層延遲改正參數(shù)AODC時鐘數(shù)據(jù)齡期toc衛(wèi)星時鐘參數(shù)對應(yīng)的參考時刻衛(wèi)星鐘改正參數(shù)Global Positioning System314.5 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文內(nèi)容第二數(shù)據(jù)塊（核心部分，衛(wèi)星星歷）開普勒六參數(shù)軌道攝動九參數(shù)時間兩參數(shù) 數(shù)據(jù)塊包含了計算衛(wèi)星運行位置的信息，GPS接收機根據(jù)這些參數(shù)可以進(jìn)行實時

16、的導(dǎo)航定位計算Global Positioning System324.5 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文內(nèi)容第三數(shù)據(jù)塊（歷書數(shù)據(jù)）1-24顆衛(wèi)星的歷書（概略星歷）衛(wèi)星健康狀況和GPS星期編號識別符25-32顆衛(wèi)星的歷書反電子欺騙的特征符電離層延時改正模型Global Positioning System334.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理一GPS接收機的分類1.定義 GPS 接收機是能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的衛(wèi)星信號接收設(shè)備。Global Positioning System344.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理一GPS接收機的分類接

17、收機的分類按用途分類：測地型、導(dǎo)航型、授時型按所用載波頻率多少分類：單頻、雙頻按接收機通道數(shù)分類：多通道接收機、序貫通道接收機、多路多用通道接收機2.按工作原理分類：碼相關(guān)型接收機、平方型接收機、混合型接收機Global Positioning System354.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理一GPS接收機的分類接收機通道定義：跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號的部件；（一個時刻一顆衛(wèi)星一個頻率）組成：是軟硬件的結(jié)合體；作用：主要用來跟蹤、處理和量測衛(wèi)星信號，獲取工作所需的數(shù)據(jù)和信息。分類：按跟蹤方式：序貫通道、多路復(fù)用通道、多通道3.按工作原理：碼相關(guān)型通道、平方型通道、碼相位型通道

18、Global Positioning System364.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理GPS接收機的組成及工作原理1.組成天線單元帶前置放大器（衛(wèi)星信號十分微弱，需放大）接收天線（有單極、微帶、錐形，常用微帶）接收單元信號通道（跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號）存儲器（記錄觀測資料）微處理器（計算、管理、控制、自檢核）輸入輸出設(shè)備（輸入命令、設(shè)置參數(shù)；顯示工作狀態(tài)）電源（為接收機供電）Global Positioning System374.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理GPS接收機的組成及工作原理GPS接收機天線天線與前置放大器應(yīng)密封為一體，以保障其正常工作，減少信

19、號損失能接收到天空任何方向的衛(wèi)星信號應(yīng)有防護(hù)與屏蔽多路徑效應(yīng)的措施保持天線相位中心高度穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量一致Global Positioning System384.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理GPS接收機的組成及工作原理GPS接收機信號通道平方型通道優(yōu)點：無須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)便能獲得載波信號缺點：完全消除了信號的測距碼和數(shù)據(jù)碼，無法解譯出導(dǎo)航電文Global Positioning System394.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理GPS接收機的組成及工作原理GPS接收機信號通道碼相位型通道優(yōu)點：無須知道偽噪聲碼的結(jié)構(gòu)即可進(jìn)行C/A碼和P碼的測量，對非

20、特許用戶有很大的好處缺點：需另外提供GPS星歷，用以測后數(shù)據(jù)處理Global Positioning System404.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理GPS接收機的組成及工作原理GPS接收機信號通道相關(guān)型通道優(yōu)點：可以從偽噪聲碼中提取導(dǎo)航電文，實現(xiàn)實時定位，并且具有良好的信噪比缺點：要求用戶掌握偽噪聲碼的結(jié)構(gòu)，以便接收機產(chǎn)生復(fù)制碼信號Global Positioning System414.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理幾種常見的GPS接收機1.Ashtech系列GPS接收機（阿斯泰克）國家：美國公司：麥哲倫公司Global Positioning System424.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理幾種常見的GPS接收機Trimble系列GPS接收機（天寶）國家：美國公司：天寶導(dǎo)航公司Global Positioning System434.6 GPS接收機基本工作原理接收機基本工作原理幾種常見的GPS接收機THALES系列GPS接收機（泰雷茲）國家：法國公司：THALES導(dǎo)航定位公司Global Posit