GPS衛(wèi)星信號構(gòu)成與導(dǎo)航電文

GPS原理及其應(yīng)用

第四講

黃鷹第四章 GPS衛(wèi)星信號的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)航電文

載波相位測量距離測量與GPS定位>載波相位測量測距方法雙程測距

用于電磁波測距儀單程測距

用于GPS距離測量與GPS定位>利用測距碼測定衛(wèi)地距>測距方法信號傳播時間測距碼測距原理①距離測定的基本思路信號（測距碼）傳播時間的測定信號傳播時間的測定距離測量與GPS定位>利用測距碼測定衛(wèi)地距>測距碼測距原理測距碼測距原理②利用測距碼測距的必要條件必須了解測距碼的結(jié)構(gòu)利用測距碼進(jìn)行測距的優(yōu)點(diǎn)采用的是CDMA（碼分多址）技術(shù)易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號可提高測距精度便于對系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理（如AS）每顆GPS衛(wèi)星都采用特定的偽隨機(jī)噪聲碼微弱信號的捕獲距離測量與GPS定位>利用測距碼測定衛(wèi)地距>測距碼測距原理測距碼作用測距性質(zhì)為偽隨機(jī)噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>測距碼偽距測量的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)無模糊度缺點(diǎn)精度低距離測量與GPS定位>利用測距碼測定衛(wèi)地距>偽距測量的特點(diǎn)4.2偽隨機(jī)序列

香農(nóng)(Shannon)指出，為了實現(xiàn)最有效的通信，應(yīng)采用具有白噪聲的統(tǒng)計特性的信號。為了實現(xiàn)高可靠的保密通信，也利用隨機(jī)噪聲。隨機(jī)噪聲的缺點(diǎn)：難以重復(fù)產(chǎn)生和處理。偽隨機(jī)噪聲具有類似于隨機(jī)噪聲的一些統(tǒng)計特性，又便于重復(fù)產(chǎn)生和處理。偽隨機(jī)噪聲都是由數(shù)字電路產(chǎn)生的周期序列(偽隨機(jī)序列)。

PN序列(PseudoNoise)----m序列

產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的電路為一反饋移存器。它又可分為線性反饋移存器和非線性反饋移存器兩類。由線性反饋移存器產(chǎn)生出的周期最長的二進(jìn)制數(shù)字序列稱為最大長度線性反饋移存器序列(m序列)。

4級反饋移存器。1)初始狀態(tài)為輸出周期最長為15的序列：0001111010110012)初始狀態(tài)為移位后得到的仍為全“0”狀態(tài)。反饋移存器中應(yīng)避免出現(xiàn)全“0”狀態(tài)。用盡可能少的級數(shù)產(chǎn)生盡可能長的序列。

2.n級反饋移存器一個n級反饋移存器可能產(chǎn)生的最長周期等于m=(2n–l)。--m序列的產(chǎn)生為了使m序列產(chǎn)生器的組成盡量簡單，使用項數(shù)最少的那些本原多項式。本原多項式最少有三項（這時只需用一個模2加法器）。3.m序列的性質(zhì)

1)均衡性在m序列的一周期中，“1”和“0”的數(shù)目基本相等?！?”的個數(shù)比“0”的個數(shù)多一個。

2)游程分布把一個序列中取值相同的那些連在一起的元素合稱為一個“游程”。在一個游程中元素的個數(shù)稱為游程長度。例如，在圖10-2中給出的m序如下：

000111101011001

共有8個游程：長度為4的游程有一個；長度為3的游程有一個；長度為2的游程有兩個；長度為1的游程有4個。在m序列中，長度為1的游程占游程總數(shù)的1/2；長度為2的游程占游程總數(shù)的1/4；長度為3的游程占游程總數(shù)的1/8；…。長度為k的游程數(shù)目占游程總數(shù)的2k

，而且在長度為k的游程中[l≤k≤(n–2)]，連“l(fā)”的游程和連“0”的游程各占一半。

3)移位相加特性一個m序列Mp與其經(jīng)任意次遲延移位產(chǎn)生的另一不同序列Mr模2相加，得到的仍是Mp的某次遲延移位序列Ms

，即[例]m=7的m序列Mp=1110010,Mr=0111001,Ms與Mp向右移位5次的結(jié)果相同。

4)自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)

A—該序列與其j次移位序列一個周期中對應(yīng)元素相同的數(shù)目；

D—該序列與其j次移位序列一個周期中對應(yīng)元素不同的數(shù)目；

m—該序列的周期。改寫成上式分子就等于m序列一個周期中“0”的數(shù)目與“1”的數(shù)目之差；由m序列的均衡性可知，m序列一周期中“0”的數(shù)目比“l(fā)”的數(shù)目少一個，自相關(guān)函數(shù)也有周期性，周期也是m;自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù).

10.4.3噪聲產(chǎn)生器要求能產(chǎn)生限帶白色高斯噪聲。設(shè)m序列的碼元寬度為T1秒，則大約在零至(1/T1)×45%Hz的頻率范圍內(nèi)，可以認(rèn)為它具有均勻的功率譜密度。對于多次進(jìn)行某一測量，都有較好的可重復(fù)性。10.4.4通信加密將信源產(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)字消息和一個周期很長的偽隨機(jī)序列模2相加，這樣就將原消息變成不可理解的另一序列。偽隨機(jī)序列的應(yīng)用C/A碼（Coarse/AcquisitionCode）–粗碼/捕獲碼碼長：Nu=210-1=1023碼元碼元周期tu≈0.97752μs(相應(yīng)的碼距為293.1m)周期Tu=1ms數(shù)碼率=1.023Mbit/s碼生成：由兩個十級反饋移位寄存器的輸出信號模二相加而成，G(t)=G1(t)⊕G2i[t+i(10tu)]

其中i為偏移量，共有1023不同值，僅選擇其中36個互異的C/A碼。全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>測距碼>C/A碼和P碼P（Y）碼（PreciseCode）–精碼碼長：Nu≈1.35×1014

碼元碼元周期tu≈0.097752μs(相應(yīng)的碼距為29.31m)周期Tu≈267天數(shù)碼率=10.23Mbit/s碼生成：G(t)=G1(t)⊕G2i[t+itu)]

（由兩個20級的移位寄存器構(gòu)成）其中i為偏移量，i為1~37之間的整數(shù)，產(chǎn)生37個互異的P碼相位，其中32個分給不同的衛(wèi)星使用，5個給地面監(jiān)控系統(tǒng)使用。P碼周期很長，267天重復(fù)一次，實際使用7天被重置，實際按7天周期計算。1周期含碼元數(shù)：6187104000000；如碼序列對齊誤差為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的測距誤差可大0.29m。全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>測距碼>C/A碼和P碼載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波①重建載波將非連續(xù)的載波信號恢復(fù)成連續(xù)的載波信號。載波調(diào)制了電文之后變成了非連續(xù)的波偽距測量與載波相位測量距離測量與GPS定位>載波相位測量>載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波②碼相關(guān)法方法將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）與接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼相乘。技術(shù)要點(diǎn)衛(wèi)星信號（弱）與接收機(jī)信號（強(qiáng)）相乘。特點(diǎn)限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波長的載波，信號質(zhì)量好（信噪比高）碼相關(guān)法距離測量與GPS定位>載波相位測量>載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波③平方法方法將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）自乘。技術(shù)要點(diǎn)衛(wèi)星信號（弱）自乘。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無需了解碼的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：無法獲得導(dǎo)航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信號質(zhì)量較差（信噪比低，降低了30dB）平方法距離測量與GPS定位>載波相位測量>載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波④互相關(guān)（交叉相關(guān)）方法在不同頻率的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）進(jìn)行相關(guān)處理，獲取兩個頻率間的偽距差和相位差技術(shù)要點(diǎn)不同頻率的衛(wèi)星信號（弱）進(jìn)行相關(guān)。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無需了Y解碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了27dB）距離測量與GPS定位>載波相位測量>載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波⑤Z跟蹤方法：將衛(wèi)星信號在一個W碼碼元內(nèi)與接收機(jī)復(fù)制出的P碼進(jìn)行相關(guān)處理。在一個W碼碼元內(nèi)進(jìn)行衛(wèi)星信號（弱）與復(fù)制信號（強(qiáng)）進(jìn)行相關(guān)。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無需了解Y碼結(jié)構(gòu)，可測定雙頻偽距觀測值，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了14dB）距離測量與GPS定位>載波相位測量>載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)－重建載波Z跟蹤技術(shù)ASP碼+W碼Y碼W碼的碼元寬度比Y碼大幾十倍Z跟蹤技術(shù)原理將相關(guān)間隔（積分間隔）限定在一個W碼碼元內(nèi)距離測量與GPS定位>利用測距碼測定衛(wèi)地距>Z跟蹤技術(shù)GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)概述GPS衛(wèi)星信號的組成部分載波（Carrier）L1L2測距碼（RangingCode）C/A碼（目前只被調(diào)制在L1上）P(Y)碼（被分別調(diào)制在L1和L2上）衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文（Message）GPS衛(wèi)星信號的生成關(guān)鍵設(shè)備–原子鐘全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>概述GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率f0由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準(zhǔn)頻率的倍頻或分頻全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率

載波①作用搭載其它調(diào)制信號測距測定多普勒頻移類型目前L1–頻率：154f0=1575.43MHz；波長：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長：24.42cm現(xiàn)代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>載波載波②特點(diǎn)所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關(guān)）全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>載波GPS信號的SA政策和AS政策美國政府在GPS的最初設(shè)計中，計劃向社會提供兩種服務(wù)，精密定位服務(wù)（PPS）和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）。精密定位服務(wù)的主要服務(wù)對象是政府部門或其他特許民用部門，使用雙頻P碼，預(yù)期定位精度達(dá)到10米。標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的主要對象是廣大的民間用戶，使用C/A碼單頻接收機(jī)，無法利用雙頻技術(shù)消除電離層的折射的影響，其單點(diǎn)實時定位的精度約為100米。GPS信號的SA政策和AS政策但是在GPS的實驗階段，由于提高了衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定性和改進(jìn)了衛(wèi)星軌道的測定精度，使得利用C/A碼定位的精度達(dá)到14米，利用P碼定位的精度達(dá)到3米，大大優(yōu)于預(yù)期。美國政府出于自身安全的考慮，于1991年在BlockⅡ衛(wèi)星上實施了SA和AS政策，其目的就是降低GPS的定位精度。GPS信號的SA政策和AS政策SA（SelectiveAvailability）政策即可用性選擇政策，通過控制衛(wèi)星鐘和報告不精確的衛(wèi)星軌道信息來實現(xiàn)。它包括兩項技術(shù)：第一項技術(shù)是將衛(wèi)星星歷中軌道參數(shù)的精度降低到200米左右；第二項技術(shù)是在GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率施加高抖動噪聲信號，而且這種信號是隨機(jī)的，從而導(dǎo)致測量出來的偽距誤差增大。通過這兩項技術(shù)，使民用GPS定位精度重新回到原先估計的誤差水平，即大約100米。GPS信號的SA政策和AS政策SA技術(shù)

GPS的SA（SelectiveAvailability）技術(shù)，有選擇可用性技術(shù)，即人為地將誤差引入衛(wèi)星鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低GPS精度。其直接影響是C/A碼的精度從原先的20m降低到100m。

SA技術(shù)的主要內(nèi)容

1、在GPS工作衛(wèi)星信號的基準(zhǔn)頻率中采用δ技術(shù)（引入一個人工高頻抖動信號），使GPS衛(wèi)星頻率發(fā)生快速變化(鐘頻抖動)，鐘頻抖動可達(dá)2Hz，降低測量精度。

2、導(dǎo)航電文經(jīng)ε技術(shù)處理廣播星歷精度由100米下降到200米左右，而且偏差不固定，為不規(guī)則變化的隨機(jī)量。GPS信號的SA政策和AS政策軍用接收機(jī)則由于裝備了特殊的硬件和碼，能減輕“SA”的效果。GPS系統(tǒng)管理人員通過地面指揮旋轉(zhuǎn)開關(guān)，控制“SA”的開與關(guān)。值得指出的是，SA是空間相關(guān)的，所以民用用戶可以通過差分GPS（DGPS）的方法消除SA，當(dāng)然用戶必須對此增加自己的成本。GPS信號的SA政策和AS政策2000年5月2日，SA政策被取消。美國放棄這一舉措，可能基于兩種考慮，一是其國內(nèi)和國外的應(yīng)用需求，以及國際競爭的需要，希望保持GPS的國際領(lǐng)先地位，同時成為國際標(biāo)準(zhǔn)的戰(zhàn)略性策略；二是美國已經(jīng)具備新的阻斷敵對方利用民用信號對其發(fā)動攻擊的能力，尤其是在局部區(qū)域內(nèi)的控制使用能力。AS(Anti-Spoofing)政策即反電子欺騙政策。它將P碼與高度機(jī)密的W碼模2相加形成新的Y碼。其目的在于防止敵方對P碼進(jìn)行精密定位，也不能進(jìn)行P碼和C/A碼相位測量的聯(lián)合求解。SA和AS技術(shù)是各自獨(dú)立實施的。GPS信號的SA政策和AS政策Z跟蹤技術(shù)ASP碼+W碼Y碼W碼的碼元寬度比Y碼大幾十倍Z跟蹤技術(shù)原理方法：將衛(wèi)星信號在一個W碼碼元內(nèi)與接收機(jī)復(fù)制出的P碼進(jìn)行相關(guān)處理。將相關(guān)間隔（積分間隔）限定在一個W碼碼元內(nèi)距離測量與GPS定位>利用測距碼測定衛(wèi)地距>Z跟蹤技術(shù)衛(wèi)星信號的調(diào)制①模二和運(yùn)算規(guī)則二進(jìn)制信號：“1”表示二進(jìn)制“0”，“-1”表示二進(jìn)制“1”，則全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制②二進(jìn)制信號的相位調(diào)制調(diào)頻FM調(diào)幅AM調(diào)相PM注：其它調(diào)制方式全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制③GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制示意圖衛(wèi)星信號的調(diào)制原理全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文①作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息基本結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文②基本內(nèi)容全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文③遙測字（TLM–TelemetryWord）每一子幀的第1個字用作捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)交接字（HOW–HandOverWord）每一子幀的第2個字主要內(nèi)容：Z計數(shù)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文④第一數(shù)據(jù)塊第1子幀的第3~10個字內(nèi)容：WN–GPS周L2所調(diào)制測距碼標(biāo)識符–“10”表示C/A碼，“01”表示P(Y)碼傳輸參數(shù)N–URATGD–信號在衛(wèi)星內(nèi)部的時延星鐘數(shù)據(jù)齡期AODC星鐘改正參數(shù)a0（鐘偏），a1（鐘速），a2（鐘漂）全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文⑤第二數(shù)據(jù)塊第2、3子幀的第3~10個字內(nèi)容該發(fā)送信號衛(wèi)星的星歷－廣播星歷星歷參數(shù)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文⑥第三數(shù)據(jù)塊第4、5子幀的第3~10個字內(nèi)容：所有衛(wèi)星歷書（概略星歷）第三數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容每12.5分鐘重復(fù)一次全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文星歷參數(shù)詳解①全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>星歷參數(shù)詳解星歷參數(shù)詳解②全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>星歷參數(shù)詳解星歷參數(shù)詳解③全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>星歷參數(shù)詳解星歷參數(shù)詳解④全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>星歷參數(shù)詳解GPS衛(wèi)星位置的計算-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置①計算思路首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)然后將上述坐標(biāo)分別繞X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)軌道平面坐標(biāo)系軌道參數(shù)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計算

全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計算

GPS衛(wèi)星位置的計算-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置③計算過程計算衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度計算t時刻衛(wèi)星的平近點(diǎn)角計算偏近點(diǎn)角全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計算

GPS衛(wèi)星位置的計算-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置④計算過程（續(xù)）計算真近點(diǎn)角計算升交距角（未經(jīng)改正的）計算衛(wèi)星向徑全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)>GPS衛(wèi)星位置的計算

GPS衛(wèi)星位置的計算-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置⑤計算過程（續(xù)）計算攝動改正項進(jìn)行攝動改正計算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的位置全球