測(cè)量第四章信號(hào)

第四章GPS衛(wèi)星信號(hào)引言GPS信號(hào)概述GPS信號(hào)——衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波2信號(hào)的成分考慮三個(gè)方面：1、為了提供衛(wèi)星的瞬時(shí)位置——導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼：D碼2、為了保密通信，提高信號(hào)的抗干擾能力；以及不同的衛(wèi)星的區(qū)分選擇和精密測(cè)距——偽隨機(jī)碼測(cè)距碼：C/A碼，P碼3、為了信號(hào)的傳播——將擴(kuò)頻后的編碼脈沖對(duì)L波段的兩個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射載波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ)

3OutlineGPS信號(hào)GPS的導(dǎo)航電文GPS的偽隨機(jī)噪聲碼GPS載波信號(hào)GPS信號(hào)的調(diào)制GPS信號(hào)接收機(jī)4第一節(jié)導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文的概念導(dǎo)航電文的格式導(dǎo)航電文的內(nèi)容P345一、導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文——衛(wèi)星通過(guò)無(wú)線電信號(hào)向地面發(fā)播的電文，是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，即一組數(shù)據(jù)碼。6二、導(dǎo)航電文的播發(fā)格式7三、導(dǎo)航電文的播發(fā)內(nèi)容衛(wèi)星的星歷衛(wèi)星的工作狀態(tài)衛(wèi)星的時(shí)鐘改正電離層時(shí)延改正C/A碼捕獲P碼其它衛(wèi)星的星歷8播發(fā)內(nèi)容子楨號(hào)1個(gè)字楨6秒長(zhǎng)，10個(gè)字，每個(gè)字30bit1楨30秒，1500bit91、遙測(cè)碼TLM--Telemetryword遙測(cè)碼——每個(gè)子幀的第一個(gè)字碼都是遙測(cè)碼，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)第1~8bit為同步碼（10001001），為各子幀提供了一個(gè)同步起點(diǎn)，使用戶便于解碼第9~22bit為遙測(cè)電文，包括地面監(jiān)控系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)信息、診斷信息和其它信息，以此指示用戶是否選用該衛(wèi)星。第23、24bit無(wú)意義，第25~30bit為奇偶檢驗(yàn)碼。102、轉(zhuǎn)換碼HOW--Handoverword轉(zhuǎn)換碼——向用戶提供用于捕獲P碼的Z計(jì)數(shù)Z計(jì)數(shù)——它表示從每星期六/星期日午夜零時(shí)開(kāi)始播發(fā)的D碼的子楨數(shù)。知道Z計(jì)數(shù)，就知道觀測(cè)時(shí)刻P碼在周期中的準(zhǔn)確位置，以此較快地捕獲P碼第1~17bit表示Z計(jì)數(shù)，第18bit表明衛(wèi)星注入電文后是否發(fā)生滾動(dòng)動(dòng)量矩缺載現(xiàn)象。第19bit用于指示數(shù)據(jù)幀的時(shí)間是否與PN1(t)鐘信號(hào)同步。第20~22bit是子幀識(shí)別標(biāo)志。第23、24bit無(wú)意義。第25~30bit為奇偶檢驗(yàn)碼。113、第一數(shù)據(jù)塊第一子幀的第3--10個(gè)字碼為第一數(shù)據(jù)塊。它的主要內(nèi)容是：(1)大氣傳播時(shí)延改正值Tgd；(2)星期序號(hào)WN，GPS星期數(shù);(3)衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)(4)數(shù)據(jù)齡期AODC，時(shí)鐘改正數(shù)的外推時(shí)間間隔；124、第二數(shù)據(jù)塊第二和第三子幀共同構(gòu)成第二數(shù)據(jù)塊，它表示GPS衛(wèi)星的星歷。(1)開(kāi)普勒6參數(shù)(2)軌道攝動(dòng)9參數(shù)

(3)時(shí)間2參數(shù)星歷參考時(shí)刻星歷數(shù)據(jù)齡期135、第三數(shù)據(jù)塊第三數(shù)據(jù)塊是由第4和第5兩個(gè)子幀構(gòu)成的，它提供GPS衛(wèi)星的歷書(shū)數(shù)據(jù)。當(dāng)接收機(jī)捕獲得某顆衛(wèi)星后，利用第三數(shù)據(jù)塊提供其它衛(wèi)星的概略星歷、時(shí)鐘改正、碼分地址和衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。用戶不僅能選擇工作正常和位置適當(dāng)?shù)男l(wèi)星，而且還可根據(jù)所在的位置，選擇最佳星座，依據(jù)已知的衛(wèi)星PRN號(hào)進(jìn)行設(shè)置，以快速捕獲和定位14四、用戶接收到的導(dǎo)航文件GPS接收機(jī)對(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行解碼，輸出；可以通過(guò)隨機(jī)軟件將輸出的接收機(jī)文件轉(zhuǎn)換成ASCII格式的通用格式的RINEX文件ReceiverIndependentExchangeformat(RINEX)/igscb/data/format/rinex2.txt文件名稱(chēng)格式：

[4-char][Dayofyear][Session].[yy]n

e.g.brdc0120.02n15RINEX標(biāo)準(zhǔn)16四、衛(wèi)星位置的計(jì)算（4.3）計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度觀測(cè)時(shí)刻與參考時(shí)刻之差平近點(diǎn)角的計(jì)算偏近點(diǎn)角的計(jì)算真近點(diǎn)角的計(jì)算升交距角（升交點(diǎn)—衛(wèi)星）軌道參數(shù)的攝動(dòng)改正軌道平面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)衛(wèi)星在瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)升交點(diǎn)經(jīng)度升交距角、地心向量、軌道傾角P4017衛(wèi)星位置近地點(diǎn)i衛(wèi)星yxz升交點(diǎn)春分點(diǎn)軌道赤道Ωsfs計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度n開(kāi)普勒參數(shù)表示的衛(wèi)星位置衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系上的位置地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)協(xié)議地球坐標(biāo)系18第二節(jié)GPS的信號(hào)（4.2.2）P37GPS信號(hào)GPS的偽隨機(jī)噪聲碼——測(cè)距GPS載波信號(hào)GPS信號(hào)的調(diào)制19一、GPS的測(cè)距碼什么是偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生偽隨機(jī)噪聲碼測(cè)距GPS的測(cè)距碼201、偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼——PRN碼PseudoRandomNoiceCode什么是偽隨機(jī)噪聲碼以預(yù)先確定并可重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的二進(jìn)制碼，有一定周期的，取值0或1的二進(jìn)制序列為什么用它測(cè)距？仙農(nóng)“噪聲通信理論”：可實(shí)現(xiàn)低信噪比的接收，可實(shí)現(xiàn)碼分多址通信，具有良好的保密特性212、偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生GPS產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的方式：m序列發(fā)生器-多級(jí)線性移位反饋寄存器模二相加a2a1

a0置1脈沖⊕鐘脈沖

a3反饋序列輸出序列例：22M序列的特點(diǎn)：統(tǒng)計(jì)特性統(tǒng)計(jì)特性“1”出現(xiàn)的次數(shù)比“0”出現(xiàn)的次數(shù)多一“0”——“1”——移位相加特性11110101100100001111010110010023M序列的特點(diǎn)：相關(guān)特性相關(guān)函數(shù)：描述兩個(gè)序列的相似性程度連續(xù)離散通用計(jì)算方法11110101100100001111010110010024相關(guān)特性的應(yīng)用253、偽隨機(jī)噪聲碼測(cè)距原理——利用接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼與衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機(jī)碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)測(cè)量相關(guān)函數(shù)最大值的位置來(lái)測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)的傳播延遲，從而求得衛(wèi)星至接收機(jī)的距離觀測(cè)值ReceiverSatelliteTimedeference26GPS測(cè)距t時(shí)刻△tt+△t時(shí)刻27GPS測(cè)距284、GPS的測(cè)距碼GPS的測(cè)距碼粗測(cè)碼——C/A碼精測(cè)碼——P碼C/AP29(1)、粗測(cè)碼C/A碼：由兩個(gè)十級(jí)反饋移位寄存器產(chǎn)生C/A碼的特性長(zhǎng)度周期：碼元長(zhǎng)度：時(shí)間周期：頻率：C/A碼的特點(diǎn)易于搜索和捕獲；碼長(zhǎng)約為300km

一個(gè)碼長(zhǎng)293m，測(cè)量（比對(duì)）精度1%~10%30(2)、精測(cè)碼P碼的特性長(zhǎng)度周期：碼元長(zhǎng)度：時(shí)間周期：頻率：P碼的特點(diǎn)周期長(zhǎng)，碼率高，不易于捕獲；易于保密，難于破譯；

AS政策:P+W=Y

一個(gè)碼長(zhǎng)29.3m，測(cè)量（比對(duì)）精度1%~10%31思考與討論用測(cè)距碼測(cè)距，就像用一個(gè)與對(duì)應(yīng)碼長(zhǎng)長(zhǎng)度相等的尺子丈量衛(wèi)地距離？測(cè)量的精度與單個(gè)碼元長(zhǎng)度相關(guān)，就像尺子的最小刻度影響估讀精度？32二GPS的載波信號(hào)電磁波的基本概念GPS的載波信號(hào)331、電磁波傳播的基本概念電磁波是一種隨時(shí)間t變化的正弦或余弦波。設(shè)電磁波初相角為0，角頻率，振幅為Ae，則電磁波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

y=Aesin(t+0)0t+0t0t1y=Aesin(t+0)Ae補(bǔ)充知識(shí)ty341）電磁波參數(shù)的關(guān)系設(shè)電磁波的頻率為f，周期為T(mén)，相位為，當(dāng)t=0時(shí)有初相位0，角頻率，有如下關(guān)系：=2f；f=1/T，=t/T+0352）電磁波的傳播假設(shè)電磁波在真空中的傳播速度為cvac，則有

cvac=vacf=vac/T在衛(wèi)星大地測(cè)量中，國(guó)際上當(dāng)前采用的真空光速為：

c=2.99782458108(m/s)。363）信號(hào)的折射實(shí)際的電磁波傳播是在大氣介質(zhì)中，若干大氣層可能改變電磁波傳播的方向、速度和強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為大氣折射。電磁波在大氣中的傳播速度可以用折射率n來(lái)表示，n=c/v。折射率與大氣的組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其實(shí)際值接近于1。SatelliteOrbitIonosphereTroposphere5020020000kmkmkm372、GPS的載波信號(hào)L1載波頻率：1572.42MHZ

波長(zhǎng)：19cmL2載波頻率：1227.6MHZ

波長(zhǎng)：24cm38三GPS信號(hào)的構(gòu)成信號(hào)的生成信號(hào)的調(diào)制信號(hào)的特點(diǎn)P36391、信號(hào)的生成402、GPS信號(hào)的調(diào)制X偽隨機(jī)噪聲碼導(dǎo)航電文(50Hz)X載波調(diào)制調(diào)制二級(jí)調(diào)制41數(shù)據(jù)碼和測(cè)距碼的調(diào)制42碼和載波的調(diào)制TheCarrier...

combinedwithThePRNcode...

producestheModulatedcarriersignal

whichistransmitted...

demodulated...43GPSSignalEncodingP3744L1上調(diào)制的信號(hào)L1CarrierWave1575.42MHzC/ACode1.023MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz45L2上調(diào)制的信號(hào)L2CarrierWave1227.6MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz46GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)473、信號(hào)的特點(diǎn)載波頻率選用L頻段的兩個(gè)頻率，受電離層影響小，并可測(cè)定電離層延遲；利用偽隨機(jī)噪聲碼測(cè)距技術(shù)，具有良好的抗干擾性；采用二級(jí)調(diào)制技術(shù)，把發(fā)送低碼率的D碼轉(zhuǎn)換成發(fā)送復(fù)合碼，既節(jié)省了衛(wèi)星的電能，有增強(qiáng)抗干擾性和保密性；48第四節(jié)GPS接收機(jī)GPS接收機(jī)——接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并進(jìn)行處理和量測(cè)，以獲取導(dǎo)航電文和必要的觀測(cè)量p4349一、接收機(jī)的基本工作原理50二、接收機(jī)的分類(lèi)根據(jù)接收機(jī)的工作原理根據(jù)接收機(jī)信號(hào)通道的類(lèi)型根據(jù)接收機(jī)的衛(wèi)星信號(hào)頻率根據(jù)接收機(jī)的用途511、根據(jù)接收機(jī)的工作原理碼相關(guān)型接收機(jī)——能夠產(chǎn)生于所測(cè)衛(wèi)星的測(cè)距碼，結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，工作中通過(guò)逐步相移，是接收碼與復(fù)制碼達(dá)到最大相關(guān)；平方型接收機(jī)——利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制碼，從而獲得載波相位測(cè)量所必需的載波信號(hào)；混合型接收機(jī)——綜合利用上述方法，同時(shí)獲得碼相位和精密的載波相位觀測(cè)值；52信號(hào)的解調(diào)模二和算法:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0Bitshiftsaligned532、根據(jù)接收機(jī)信號(hào)通道的類(lèi)型接收機(jī)的信號(hào)通道——