(10)-3.5 衛(wèi)星信號分類GNSS測量與數(shù)據(jù)處理

3.1衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)3.2衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)3.3GPS衛(wèi)星星歷3.4GPS衛(wèi)星的坐標(biāo)計(jì)算3.5載波與測距碼3.6導(dǎo)航電文3.7衛(wèi)星信號的調(diào)制第3章GPS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和衛(wèi)星星歷、信號1.衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)知識：開普勒定律2.無攝運(yùn)動(dòng)下衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算3.廣播星歷下衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算4.精密星歷的插值方法5.GPS衛(wèi)星信號分類GPS衛(wèi)星信號分類基礎(chǔ)知識1.載波信號2.測距碼3.導(dǎo)航電文GPS衛(wèi)星發(fā)射的三類信號載波信號（CarrierPhase）測距碼(RangingCode)P碼（或Y碼）(Precisecode)C/A碼(Coarse/Acquisitioncode)數(shù)據(jù)碼（或D碼）(NavigationMessage/DataMessage)§3.5GPS衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星信號包含三種信號分量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。信號分量的產(chǎn)生都是在同一個(gè)基本頻率f0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生基本頻率10.23MHzL1載波1575.42MHzL2載波1227.60MHzC/A碼1.023MHzP1碼10.23MHz數(shù)據(jù)碼50BPSP2碼10.23MHz數(shù)據(jù)碼50BPS15412010204600L2C碼L5載波1176.45MHz115載波作用：搭載其它信號，也可用于測量（測距）類型L1：頻率：1575.43MHz，波長：19.03cmL2：頻率：1227.60MHz，波長：24.42cm增加L5：1176.45MHz，波長：25.48cm（115）（1）碼的概念在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進(jìn)制數(shù)（0和1）及其組合，來表示各種信息表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合，稱為碼一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)碼元或一比特

(bit)在二進(jìn)制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)稱為數(shù)碼率，表示數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為bit/s（2）隨機(jī)噪聲碼假設(shè)一組碼序列u(t)，對某一時(shí)刻來說，碼元是0或1完全是隨機(jī)的，但出現(xiàn)的概率均為1/2。這種碼元幅度的取值完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機(jī)碼（或隨機(jī)噪聲碼）是一種非周期性序列，無法復(fù)制自相關(guān)性好相關(guān)性的好壞，對提高利用GPS衛(wèi)星碼信號測距精度，極其重要。GNSS測距碼隨機(jī)碼的自相關(guān)性將隨機(jī)序列u(t)平移k個(gè)碼元，得到一個(gè)新的隨機(jī)序列u

(t)，如果兩隨機(jī)序列u(t)和u

(t)所對應(yīng)的碼元中，相同的碼元數(shù)（同為0或1）為Au，相異的碼元數(shù)為Bu，則隨機(jī)序列u(t)的自相關(guān)系數(shù)R(t)定義為：

R(t)=(Au

-Bu)/(Au+Bu)當(dāng)平移的碼元數(shù)k=0，說明兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的隨機(jī)碼序列，相應(yīng)的碼元相互對齊，Bu=0，自相關(guān)系數(shù)R(t)=1。當(dāng)k0時(shí)，由于碼序列的隨機(jī)性，當(dāng)序列中碼元數(shù)充分大時(shí)，則AuBu，即自相關(guān)系數(shù)

R(t)0。根據(jù)碼序列自相關(guān)系數(shù)的取值，可以判斷兩個(gè)隨機(jī)碼序列的相應(yīng)碼元是否對齊。GNSS測距碼（3）偽隨機(jī)噪聲碼及其產(chǎn)生盡管隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)性，但卻是一種非周期序列，不服從任何編碼規(guī)則，實(shí)際中無法復(fù)制和利用GPS采用了一種偽隨機(jī)噪聲碼（PseudoRandomNoise——PRN）簡稱偽隨機(jī)碼或偽碼。特點(diǎn)是：具有隨機(jī)碼的良好自相關(guān)性，又具有某種確定的編碼規(guī)則，是周期性的，容易復(fù)制偽隨機(jī)碼是由一個(gè)“多極反饋移位寄存器”的裝置產(chǎn)生的。移位寄存器由一組連接在一起的存儲單元組成，每個(gè)存儲單元只有0或1兩種狀態(tài)。移位寄存器的控制脈沖有兩個(gè)：鐘脈沖和置1脈沖。移位寄存器是在鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)和置1脈沖的作用下而工作的。GNSS測距碼GPS衛(wèi)星所采用的兩種測距碼-C/A碼和P碼（或Y碼），均屬于偽隨機(jī)碼C/A碼：是由兩個(gè)10級反饋移位寄存器組合產(chǎn)生碼長Nu=210-1=1023比特碼元寬為tu=1/f1=0.97752s,（f1為基準(zhǔn)頻率f0的1/10，1.023MHz）相應(yīng)的距離為293.05m周期為Tu=Nutu=1ms，數(shù)碼率為1.023Mbit/s。1023個(gè)碼元，以每秒50碼元的速度搜索，只需20.5s，易于捕獲，稱捕獲碼碼元寬度大，假設(shè)兩序列的碼元對齊誤差為1/100，則相應(yīng)的測距誤差為2.9m。由于精度低，又稱粗碼GNSS測距碼GPS衛(wèi)星所采用的C/A碼和P碼（或Y碼），均屬于偽隨機(jī)碼。P碼：P碼產(chǎn)生的原理與C/A碼相似，電路采用的是兩組各由12級反饋移位寄存器構(gòu)成。碼長Nu2.351014比特碼元寬tu=1/f0=0.097752s相應(yīng)的距離29.3m。周期Tu=Nutu

267d數(shù)碼率10.23Mbit/sGNSS測距碼GPS衛(wèi)星所采用的C/A碼和P碼（或Y碼），均屬于偽隨機(jī)碼。P碼：電路采用的是兩組各由12級反饋移位寄存器構(gòu)成。相應(yīng)的距離29.3m。周期Tu=Nutu

267dP碼的周期長267天，實(shí)際應(yīng)用時(shí)P碼的周期被分成38部分，（每一部分為7天，碼長約6.191012bit）其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星使用P碼的不同部分，都具有相同的碼長和周期，但結(jié)構(gòu)不同。碼分多址P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)航電文信息，捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的距離誤差為0.29m，故P碼稱為精碼。GNSS測距碼導(dǎo)航電文：是包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動(dòng)改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼（或D碼）。碼速：50bps內(nèi)容：廣播星歷（導(dǎo)航信息）衛(wèi)星鐘改正歷書（概略星歷）電離層信息衛(wèi)星健康狀況GPS導(dǎo)航電文1.導(dǎo)航電文及其格式導(dǎo)航電文也是二進(jìn)制碼，依規(guī)定格式組成，按幀向外播送。每幀電文含有1500比特，播送速度50bit/s，每幀播送時(shí)間30s。123451234567891030s6s0.02s0.6s25頁10個(gè)字30比特導(dǎo)航電文1.導(dǎo)航電文及其格式每幀導(dǎo)航電文含5個(gè)子幀，每個(gè)子幀分別含有10個(gè)字，每個(gè)字30比特，故每個(gè)子幀共300比特，播發(fā)時(shí)間6s。為記載多達(dá)25顆衛(wèi)星，子幀4、5各含有25頁。子幀1、2、3和子幀4、5的每一頁構(gòu)成一個(gè)主幀。主幀中1、2、3的內(nèi)容每2小時(shí)更新一次，4、5的內(nèi)容僅當(dāng)給衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航電文后才得以更新。123451234567891030s6s0.02s0.6s25頁10個(gè)字30比特導(dǎo)航電文一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容TLMHOW數(shù)據(jù)塊—1時(shí)鐘修正參數(shù)TLMHOW數(shù)據(jù)塊—2星歷表TLMHOW數(shù)據(jù)塊—2星歷表繼續(xù)TLMHOW數(shù)據(jù)塊—3衛(wèi)星歷書等TLMHOW數(shù)據(jù)塊—3衛(wèi)星歷書等12345一個(gè)子幀6s長，10個(gè)字，每字30比特1幀30s1500比特遙測字（TLM—TelemetryWORD）位于每個(gè)子幀的開頭，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。交接字（HOW—HandOverWord）緊接各子幀的遙測字，主要向用戶提供用于捕獲P碼的Z記數(shù)。所謂Z記數(shù)是從每個(gè)星期六/星期日子夜零時(shí)起算的時(shí)間記數(shù)，表示下一子幀開始瞬間的GPS時(shí)。數(shù)據(jù)塊1：第一數(shù)據(jù)塊位于第l子幀的第3-10字碼,含有衛(wèi)星鐘改正參數(shù)及數(shù)據(jù)齡期、星期的周數(shù)編號、電離層改正參數(shù)、和衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息。衛(wèi)星鐘改正參數(shù)a0、a1、a2分別表示該衛(wèi)星的鐘差、鐘速和鐘速變化率。任意時(shí)刻t的鐘改正數(shù)為

t=a0+a1(t-t0c)+a2(t-t0c)2衛(wèi)星鐘參數(shù)的數(shù)據(jù)齡期AODC：表示基準(zhǔn)時(shí)間t0C與最近一次更新星歷的時(shí)間之差，主要用于評價(jià)鐘改正數(shù)的可信程度?，F(xiàn)時(shí)星期編號WN：表示從1980年1月6日UTC零點(diǎn)起算的GPS時(shí)星期數(shù)。參考?xì)v元t0e為數(shù)據(jù)塊1的基準(zhǔn)時(shí)間，從GPS時(shí)星期六/星期日子夜零時(shí)起算，變化于0-604800s之間。導(dǎo)航電文的內(nèi)容數(shù)據(jù)塊2：包含在2、3兩個(gè)子幀里，主要向用戶提供有關(guān)計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行位置的信息。該數(shù)據(jù)一般稱為衛(wèi)星星歷。數(shù)據(jù)塊3：包含在4、5兩個(gè)子幀中，主要向用戶提供GPS衛(wèi)星的概略星歷及衛(wèi)星的工作狀態(tài)信息，稱為衛(wèi)星的歷書。導(dǎo)航電文的內(nèi)容GPS衛(wèi)星取L波段的兩種不同電磁波頻率為載波L1波長為19.03cm；L2波長為24.42cm；L5波長為25.48cm。在L1載波上，調(diào)制有C/A碼、P1碼（或Y1碼）和數(shù)據(jù)碼；在L2載波上，調(diào)制有L2C碼、P2碼（或Y2碼）和數(shù)據(jù)碼。