第4章 GPS衛(wèi)星信號和GPS信號接收機(jī)1

1、1第4章 GPS衛(wèi)星信號和GPS信號接收機(jī)4.1 GPS衛(wèi)星信號4.2 GPS信號接收機(jī)概述24.1 GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號一、一、GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成衛(wèi)星信號的構(gòu)成 二、偽隨機(jī)噪聲碼以及二、偽隨機(jī)噪聲碼以及C/A碼和碼和P碼碼（一）（一）偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼 （了解）（二）（二）粗碼粗碼C/A碼碼 （三）（三）精碼精碼P（y）碼）碼 三、三、GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼（數(shù)據(jù)碼（D碼）碼）（一）（一）導(dǎo)航電文及其格式導(dǎo)航電文及其格式 （二）（二）導(dǎo)航電文的內(nèi)容導(dǎo)航電文的內(nèi)容 四、四、GPS衛(wèi)星信號的衛(wèi)星信號的調(diào)制調(diào)制和和解調(diào)解調(diào) 3一、一、GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成衛(wèi)星信號的構(gòu)成三

2、種信號分量，三種信號分量，如圖：43 p載波L1載波：L2載波： 選擇兩個載頻主要目的在于：測量出或消除由于電離層效應(yīng)而引起的延遲誤差。 p測距碼（C/A碼和P碼）p數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文或D碼）MHzffL42.157515401cm03.191MHzffL60.122712002cm42.2424圖43 GPS信號的產(chǎn)生10.23MHz5（一）（一）偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼1、碼的基本概念、碼的基本概念 碼或碼序列碼或碼序列：表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合。 碼元：碼元：在二進(jìn)制中，一位二進(jìn)制數(shù)叫做一個碼元或一比特比特（Binarydigitbit，為碼的度量單位） 編碼：編碼：將各種信息，如聲

3、音、圖像和文字等通過量化，并按照某種預(yù)定的規(guī)則，表示為二進(jìn)制數(shù)的組合形式，則這一過程稱為編碼。 數(shù)碼率：數(shù)碼率：在二進(jìn)制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)。單位為bit/s或記為BPS。 2、偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼 3、偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生m序列序列6圖：碼序列碼元0對應(yīng)碼狀態(tài)1；碼元1對應(yīng)碼狀態(tài)1。碼元0和1分別對應(yīng)一個幅值。72、偽隨機(jī)噪聲碼 偽隨機(jī)噪聲碼（Pseudo Random Noise）是一組具有良好的自相關(guān)特性自相關(guān)特性、且按照某種確定的編碼規(guī)則產(chǎn)生的具有一定周期、容易復(fù)制、取值0和1的二進(jìn)制碼序列。 自相關(guān)系數(shù)BABAtR)(A為相同的碼元數(shù)（同為0或1

4、）；B為相異的碼元數(shù)。82、偽隨機(jī)噪聲碼（續(xù)） 當(dāng)平移的碼元數(shù)k0或整周期平移時，平移前后兩碼序列的結(jié)構(gòu)相同結(jié)構(gòu)相同，其對應(yīng)的碼元均相互對齊，自相關(guān)系數(shù)R(t)1； GPS接收機(jī)就是利用偽隨機(jī)碼的自相關(guān)系數(shù)R(t)是否等于1？ 來判斷所接收的偽噪聲碼和機(jī)內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生的偽噪聲碼是否達(dá)到對齊同步對齊同步； 捕獲和識別GPS衛(wèi)星，解譯出該衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，并測定站星距離。93、偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生m序列（1）m序列：由“多級反饋移位寄存器”產(chǎn)生的周期最大的二進(jìn)制碼序列。（2）反饋移位寄存器的工作原理（四級）（3）m序列的自相關(guān)系數(shù) （4）m序列的主要特點 10移位寄存器 移位寄存器，由一組連接在一起的存儲

5、單元存儲單元組成，每個存儲單元只有0或1兩種狀態(tài)； 有兩個控制脈沖：鐘脈沖和置“1”脈沖； 移位寄存器，在鐘脈沖的驅(qū)動和置“1”脈沖的作用下而工作。 11（2）四級反饋移位寄存器的工作原理 在鐘脈沖的驅(qū)動下，每個存儲單元的內(nèi)容，順序地由上一存儲單元轉(zhuǎn)移到下一單元，而最后一個存儲單元的內(nèi)容便輸出； 同時，將其中某幾個存儲單元（如單元單元3 3和單元和單元4 4）的內(nèi)容進(jìn)行模二相加模二相加，再作為輸入輸入，反饋反饋給第一個存儲單元。12反饋移位寄存器的工作原理（續(xù)） 4級反饋移位寄存器在鐘脈沖的驅(qū)動下，由全全“1”狀態(tài)，狀態(tài)，將經(jīng)歷15=24-1種不同的狀態(tài)，之后回到其初始狀態(tài)，稱為完成一個最大周

6、期完成一個最大周期。 同時，從第4級存儲單元，便輸出一個最大周期為15個碼元的二進(jìn)制碼序列，即為m序列。 如圖45a和45b。 當(dāng)然，也可以從任何一個初始狀態(tài)開始，移位15次，便又回到其初始狀態(tài)，完成一個最大周期。13反饋移位寄存器的工作原理（續(xù)） 碼長：在m序列的每一周期中，最多可能包含碼元的個數(shù)N N2 2r r1 1，稱為碼長。 碼元的寬度：鐘脈沖的時間間隔t t m序列的最大周期：T TN Nt t 對于一個r級反饋移位寄存器來說，將會產(chǎn)生更為復(fù)雜的周期性m序列。其可能經(jīng)歷的狀態(tài)有（N2r1）個。14表：四級反饋移位寄存器狀態(tài)序列1 1 1 115圖4-5b：四級m序列的產(chǎn)生16圖4-

7、5a：四級m序列的產(chǎn)生17（3）m序列的自相關(guān)系數(shù) m序列的均衡性：在一個m序列周期中，狀態(tài)為“1”的個數(shù)，總比狀態(tài)為“0”的個數(shù)多1個。 m序列的自相關(guān)系數(shù),.2, 0t1,.2, 0t1)(mmmmmtR當(dāng)當(dāng)并且隨著r增大，自相關(guān)系數(shù)R（t）將很快趨近于0。所以，m序列具有良好的自相關(guān)性。 碼長m2r1（48）18（4）m序列的主要特點 具有良好的自相關(guān)性 結(jié)構(gòu)確定，便于復(fù)制 具有周期性m序列的最大周期：TNt 碼長N2r1 碼元的寬度t19（二）（二）粗碼粗碼C/A碼碼“C/A碼是用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽隨機(jī)碼”1 1、C/AC/A碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 2 2、C/AC/A碼的碼長

8、、碼元寬度、周期、數(shù)碼碼的碼長、碼元寬度、周期、數(shù)碼率率3 3、C/AC/A碼的特點碼的特點 201 1、C/AC/A碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 C/A碼是由兩個10級反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生的組合碼，稱為G碼（果爾德碼，Gold碼） 兩個10級移位寄存器于每星期日子夜零時，在置“1”脈沖作用下處于全“1”狀態(tài)，同時在頻率為 鐘脈沖驅(qū)動下，兩個移位寄存器分別產(chǎn)生碼長為N210-11023，周期為lms的兩個m序列G1（t）和G2（t）。G2（t）序列經(jīng)過相位選擇器，輸出一個與G2（t）平移等價的m序列，然后與G1 (t)進(jìn)行模2相加，便得到C/A碼。如圖47：MHzff023. 110/01211、C

9、/A碼的產(chǎn)生（續(xù)） 根據(jù)C/A碼的產(chǎn)生過程，可知：共可能產(chǎn)生1023種結(jié)構(gòu)不同的C/A碼。但這些結(jié)構(gòu)不同的C/A碼具有相同的碼長、碼元寬度、周期、數(shù)碼率。 因此，不同的GPS衛(wèi)星便可采用結(jié)構(gòu)不同的C/A碼從中選擇32個結(jié)構(gòu)不同的C/A碼，分別以PRNl . PRN32命名各顆GPS衛(wèi)星。 22圖4-7 ：C/A碼構(gòu)成示意圖232、C/A碼的碼長、碼元寬度、周期、數(shù)碼率（1）碼長： （2）碼元寬度： （3）周期 ：（4）數(shù)碼率 ：bitNu10231210sftu98. 0/11msNtTuu1sMbit/023. 1相當(dāng)于293. l m 243 3、C/AC/A碼的特點碼的特點（1）C/A碼

10、的碼長碼長很短，易于捕獲。又稱捕獲碼。（2）C/A碼的碼元寬度較大，測距精度較低，故稱為粗碼。 因此，C/A碼是用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽隨機(jī)碼。 25（三）（三）精碼精碼P（y）碼）碼1、P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生P碼產(chǎn)生的基本原理與C/A碼相似，是由兩個偽隨機(jī)碼PN1(t)和PN2(t)的乘積得到的。而偽隨機(jī)碼PN1(t)和PN2(t)分別是由兩個12級反饋移位寄存器構(gòu)成的m序列，情況更為復(fù)雜。 2、P碼的碼長、碼元寬度、周期、數(shù)碼率碼的碼長、碼元寬度、周期、數(shù)碼率 3、P碼的特點碼的特點 262、P P碼碼的碼長、碼元寬度、周期、數(shù)碼率（1）碼長： （2）碼元寬度： （3）周期 ：（4）

11、數(shù)碼率 ：bitNu141035. 2天267uuNtTsMbit/23.10相當(dāng)于29.3m sfftPu098. 01/10273、P碼的特點碼的特點（2）P碼的碼元寬度僅為C/A碼的碼元寬度的1/10，測距精度較高，故稱為精測碼。（3）根據(jù)美國國防部規(guī)定，P碼是專為軍用的。 由于AS的實施，P碼又稱為P（Y）碼 。（1）P碼的碼長很長，不易捕獲。通常是先捕獲C/A碼，然后根據(jù)導(dǎo)航電文所提供的信息（Z計數(shù)計數(shù)），進(jìn)一步捕獲P碼。 28（一）（一）導(dǎo)航電文及其格式導(dǎo)航電文及其格式1、導(dǎo)航電文：就是包含有關(guān)衛(wèi)星星歷、時鐘改正、電離層時延改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)信息以及由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息的數(shù)

12、據(jù)碼（或D碼），是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 2、導(dǎo)航電文的格式導(dǎo)航電文是二進(jìn)制編碼文件，按規(guī)定格式組成數(shù)據(jù)幀，按幀向外播發(fā)。292、導(dǎo)航電文的格式“子幀1、2、3和子幀4、5的每一頁，均構(gòu)成一個主幀”302、導(dǎo)航電文的格式（續(xù)） 因此，完整的導(dǎo)航電文共含有25個主幀，含有37500bit，需要750s（12.5min）才能播完，然后再重復(fù)，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。 第1、2、3子幀每30s重復(fù)一次，內(nèi)容為該衛(wèi)星的廣播星歷和衛(wèi)星鐘修正參數(shù)廣播星歷和衛(wèi)星鐘修正參數(shù)，每小時更新一次。 第4、5子幀中存放所有空中GPS衛(wèi)星的歷歷書數(shù)據(jù)書數(shù)據(jù)，信息量很大。31（二）導(dǎo)航電文的內(nèi)

13、容TLMTLMTLMTLMTLMHOWHOWHOWHOWHOW數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊1 1 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊2 2 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊2 2 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊3 3 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊3 3 321、遙測碼（TLW，即Telemetry Word） 遙測碼位于各子幀的開頭字碼（30bit） 遙測碼的第18bit是同步碼使用戶便于解譯導(dǎo)航電文。 第922bit為遙測電文，其中包括地面監(jiān)控系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時的狀態(tài)信息、診斷信息和其他信息。 第23和第24bit是連接碼； 第2530bit為奇偶檢驗碼用于發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤。 332、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。 主要功能是向用戶提供

14、用于捕獲P碼的Z計數(shù)。 Z Z計數(shù)計數(shù)：就是一個時間計數(shù)，它以從每星期起始時刻開始播發(fā)的D碼（導(dǎo)航電文）子幀數(shù)為單位，給出了下一個子幀開始瞬間的GPS時間。 用戶可以根據(jù)Z計數(shù)，將接收機(jī)時鐘精確對準(zhǔn)GPS時，預(yù)先確定本機(jī)復(fù)制P碼的移動量，使本機(jī)復(fù)制P碼與接收P碼快速匹配，從而快速捕獲P碼。 343、第一數(shù)據(jù)塊 位于第1子幀的第310字碼，主要內(nèi)容：（1 1）時延差）時延差TgdTgd改正改正（2 2）星期序號）星期序號WNWNWN表示從1980年1月6日子夜零點(UTC)起算的星期數(shù)，即GPS周數(shù)。353、第一數(shù)據(jù)塊（續(xù)）（3 3）衛(wèi)星時鐘改正）衛(wèi)星時鐘改正 衛(wèi)星鐘差：由于GPS衛(wèi)星鐘的不穩(wěn)定

15、性，使得衛(wèi)星鐘時間和標(biāo)準(zhǔn)GPS時間之間存在著差值。 衛(wèi)星時鐘改正參數(shù)為鐘差a0，鐘速a1，鐘速變率a2。 任意時刻t的衛(wèi)星鐘差改正計算：2210)()(ococsttattaat（42）（4 4）t tococ衛(wèi)星時鐘改正參數(shù)對應(yīng)的參考時刻衛(wèi)星時鐘改正參數(shù)對應(yīng)的參考時刻363、第一數(shù)據(jù)塊（續(xù)）（5）時鐘數(shù)據(jù)齡期）時鐘數(shù)據(jù)齡期AODCAODC是衛(wèi)星時鐘改正數(shù)的外推時間間隔，它指明衛(wèi)星時鐘改正數(shù)的置信度。（6）調(diào)制碼標(biāo)志）調(diào)制碼標(biāo)志表示L2載波是采用P碼或C/A碼調(diào)制。“01”為P碼調(diào)制，“10”為C/A碼調(diào)制。（7）衛(wèi)星測距精度）衛(wèi)星測距精度URA表示用戶使用該衛(wèi)星可能達(dá)到的測距精度。URA 2

16、N（m），N為衛(wèi)星測距精度因子。（8）第）第3字的第字的第17bit表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)是否正常表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)是否正?！?”表示正常，“1”表示有錯誤。374、第二數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊 （1 1）開普勒軌道）開普勒軌道6 6參數(shù)參數(shù) （2 2）軌道攝動九參數(shù)）軌道攝動九參數(shù) 000,MieaisicrsrcusucCCCCCCIn,位于第2和第3子幀的第310字，是導(dǎo)航電文的核心部分，內(nèi)容為GPS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)。（3 3）時間二參數(shù)）時間二參數(shù) 從星期日子夜零點開始起算的星歷參考時刻toe； 星歷表的數(shù)據(jù)齡期AODE ，即星歷數(shù)據(jù)的外推時間長度 385、第三數(shù)據(jù)塊、第三數(shù)據(jù)塊 位于第4和第5兩個子幀，內(nèi)容包括

17、所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。 GPS歷書的作用： 有助于縮短捕獲所觀測衛(wèi)星信號的時間。 有利于用戶選擇適宜的觀測衛(wèi)星，并構(gòu)成最佳的幾何圖形，以提高定位的精度。 GPS歷書：是指GPS衛(wèi)星的概略星歷、衛(wèi)星鐘的概略改正數(shù)及衛(wèi)星工作狀態(tài)信息等。395、第三數(shù)據(jù)塊（續(xù)）、第三數(shù)據(jù)塊（續(xù)）（1）第4子幀 第2，3，4，5，7，8，9，10頁提供第2532顆衛(wèi)星的歷書衛(wèi)星的歷書； 第17頁提供專用電文； 第18頁給出電離層改正模型參數(shù)電離層改正模型參數(shù)和UTCUTC數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)； 第25頁提供所有衛(wèi)星的型號衛(wèi)星的型號、反電子欺騙反電子欺騙ASAS特征符特征符和第2532顆衛(wèi)星的健康狀況衛(wèi)星的健康狀況； 第1，6

18、，11，12，16，19，20，21，22，23，24頁作備用，第13，14，15頁為空閑頁。 405、第三數(shù)據(jù)塊第三數(shù)據(jù)塊（續(xù)）（續(xù)）（2 2）第）第5 5子幀子幀 第124頁面給出第124顆衛(wèi)星的歷書衛(wèi)星的歷書； 第25頁面給出第124顆衛(wèi)星的健康狀況衛(wèi)星的健康狀況和星星期編號期編號；第4和第5子幀每個頁面的第3個字碼，第18bit有特殊含義： 第12bit為電文識別（DATA ID） 第38bit為衛(wèi)星識別（SV ID） 41（一）（一）GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制 1、調(diào)制：、調(diào)制：在無線電通信技術(shù)中，為了有效地傳播信息，將頻率較低的信號加載在頻率較高的載波上的過程。載波L1上調(diào)制有C/A碼、P（Y）碼和數(shù)據(jù)碼；載波L2上只調(diào)制有P（Y）碼和數(shù)據(jù)碼，沒有C/A碼 2、GPSGPS衛(wèi)星信號的相位調(diào)制衛(wèi)星信號的相位調(diào)制GPS衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼，是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的。422、GPSGPS衛(wèi)星信號的相位調(diào)制衛(wèi)星信