GPS衛(wèi)星的導航電文與衛(wèi)星信號

1、Global Positioning System1GPSGPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號遙感學院測繪工程系 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接收三C/A碼與P碼四GPS衛(wèi)星信號的構成五GPS衛(wèi)星的導航電文六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)的信號一概述導航電文數(shù)據(jù)碼中包含有多種與導航有關的信息。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碼等其他導航信息。這些信息為GPS導航定位提供數(shù)據(jù)基礎，故又稱為導航電文。2.導航電文是一組二進制的數(shù)碼序列，碼值取0對應脈沖狀態(tài)（+1），碼值取1對應脈沖狀態(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)射的信號進行區(qū)分選擇3.實現(xiàn)精密定位和實時導航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：二進制數(shù)組合構成的數(shù)碼序列碼元（比特）：一位二進制數(shù)編碼：將某種信息通過量化，并按某種規(guī)定的標準表示成二進制組合序列，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信號中的關鍵技術：采用了偽隨機碼擴頻技術隨機碼擴頻的優(yōu)點：不僅能提高系統(tǒng)的導航定位精度，

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。自相關函數(shù)=1時已對齊； 自相關函數(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，無法復制定義：具有良好的自相關特性的有周期性的序列稱偽隨機序列。由二進制碼元組成的偽隨機序列稱二進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、復合序列等Global Positioning System104.2偽隨機碼擴頻與相關接收偽隨機碼擴頻與相關接收一偽碼擴頻1.定義 將原擬發(fā)送幾十比特速率的導航電文變換成發(fā)送幾兆甚至更高比特率的由導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接收偽隨機碼擴頻與相關接收偽碼測距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接收機中復制的跟蹤偽碼的相關接收技術，故稱為偽碼測距Global Positioning System124.2偽隨機碼擴頻與相關接收偽隨機碼擴頻與相關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，再將跟蹤偽碼與本地的基準偽碼進行比對，得到時間差Global Positioning System134.2偽隨機碼擴頻與相關接收偽隨機碼擴頻與相關接收碼分多址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接收偽隨機碼擴頻與相關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，預先指定使用不同結構的偽隨機碼特點：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)星信號的構成衛(wèi)星信號的

10、構成一衛(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)星信號的構成衛(wèi)星信號的構成一衛(wèi)星載波信號與調(diào)制1.GPS信號的組成基準頻率基準頻率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)星信號的構成衛(wèi)星信號的構成一衛(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行雙頻改正Global Positioning System234.4 GPS衛(wèi)星信號的構成衛(wèi)星信號的構成一衛(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)星信號的構成衛(wèi)星信號的構成一衛(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)星信號的構成衛(wèi)星信號的構成衛(wèi)星信號的解調(diào)重建載波 由于在GPS信號中已用二進制相位調(diào)制的方法在載波上調(diào)制了測距碼和導航電文，因此接收到的衛(wèi)星信號的相位已不再連續(xù)。所以

13、在進行載波相位測量前，首先要進行解調(diào)工作，設法將調(diào)制在載波上的測距碼和導航電文去掉，重新恢復載波。這一工作稱為重建載波。Global Positioning System264.5 GPS衛(wèi)星的導航電文衛(wèi)星的導航電文一導航電文及其格式1.定義所謂導航電文，是指包含導航信息的數(shù)據(jù)碼。導航信息指的是：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進行導航定位的數(shù)據(jù)基礎Global Positioning System274.5 GPS衛(wèi)星的導航電文衛(wèi)星的導航電文一導航電文及其格式格式導航電文是

14、二進制編碼文件，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)星的導航電文衛(wèi)星的導航電文導航電文內(nèi)容1.遙測字各子偵的第一個字，作為捕獲導航電文的前導作用：協(xié)助用戶快速解譯導航電文，判定衛(wèi)星可用與否Global Positioning System294.5 GPS衛(wèi)星的導航電文衛(wèi)星的導航電文導航電文內(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)星的導航電文衛(wèi)星的導航電文導航電文內(nèi)容第一數(shù)據(jù)塊WN衛(wèi)星時間計數(shù)器調(diào)制碼標識URA衛(wèi)星測距精度表示導航數(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)對應的參考時刻衛(wèi)星鐘改正參數(shù)Global Positioning System314.5 GPS衛(wèi)星的導航電文衛(wèi)星的導航電文導航電文內(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)可以進行實時

16、的導航定位計算Global Positioning System324.5 GPS衛(wèi)星的導航電文衛(wèi)星的導航電文導航電文內(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、多路復用通道、多通道3.按工作原理：碼相關型通道、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）輸入輸出設備（輸入命令、設置參數(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)星信號應有防護與屏蔽多路徑效應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構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構即可進行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型通道優(yōu)點：可以從偽噪聲碼中提取導航電文，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構，以便接收機產(chǎn)生復制碼信號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導航定位公司Global Posit