第四章GPS卫星导航电文和卫星信号

第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号§4.1GPS卫星的导航电文§4.2GPS卫星信号§4.3GPS卫星位置的计算§4.4GPS接收机基本工作原理4.1GPS卫星（导航）电文内容：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息。数据码§4.2GPS信号4.2.1概述GPS信号的组成GPS信号的产生GPS信号的调制4.2.2伪随机噪声码的产生及特性4.2.3载波、C/A码、P码4.2.2码、随机噪声码和伪随机噪声码•码：表达信息的二进制数及其组合。•随机噪声码：每一时刻，码元是0或是1完全是随机的一组码序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。特性：它是一种非周期序列，无法复制。但是，随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPS码信号测距就是利用了GPS测距码的良好的自相关性才获得成功。自相关性自相关性是指两个结构相同的码序列的相关程度，它由自相关函数描述。自相关函数：码元总数码值相异的码元个数码值相同的码元个数DuSuDuSutR)(１１１１０００１００１１０１０１１１１１１１０００１００１１０１０1110１１１１０００１００１１０１０11伪随机噪声码(PseudoRandomNoise-PRN)伪随机噪声码PRN的产生伪随机噪声码PRN由多级反馈移位寄存器产生。这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有“0”或“1”两种状态，并接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制。4.2.1GPS信号概述GPS卫星信号（续）•GPS卫星信号的组成部分•载波（Carrier）L1L2电离层延迟误差•测距码（RangingCode）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）•卫星（导航）电文（D码）•GPS卫星信号的生成关键设备–原子钟卫星信号导航电文星历GPS信号的产生•由卫星上的原子钟直接产生•基准频率为10.23MHz•卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频载波•作用–搭载其它调制信号–测距–测定多普勒频移•类型–目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm–现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm卫星信号的调制在数字通讯技术中，为了有效地传播信息，一般均将低频信号加载到高频的载波上，这时原低频信号称为调制信号，而加载信号后的载波就称为已调波。GPS信号调制，是采用调相技术实现的。•调制定义：数据码和测距码组合码放到载波上，载波携带着有用信号传上去。（频率变大）•组合码P-D,C/A-D卫星信号的调制①•模二和--运算规则--二进制信号：“+1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则000;110;101;011111;111;111;111信号序列01信号波形+1-1卫星信号的调制②•二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS调相PM卫星信号的调制③•GPS卫星信号的调制原理AP、BP：调制在L1、L2上的P码振幅AC：调制在L1上的C/A码振幅为P码、数据码、C/A码的状态码：卫星编号)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS)(),(),(tCtDtPiiiiGPS卫星信号的调制与解调１、调制调制就是在载波上加上信号码，方法是用调相技术将信号调制到载波上。二进制码（电位）1(-1)0(1)载波相位改变180°不变2、解调解调就是去掉二进制码，只留下载波。4.2.3载波•作用–搭载其它调制信号–测距–测定多普勒频移•类型–目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm–现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm载波•特点–所选择的频率有利于测定多普勒频移–所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响–选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）•优点–减少拥挤，避免“撞车”–适应扩频，传送载波•先将带有导航信息的编码脉冲D（t）调制到伪码（C/A，P码上）；•然后对L波段的载波L1，L2进行调制），L2只调P码，L1C/A，P码GPS卫星信号构成示意图载波相位测量原理SRSR)SR()tR()tS接收机根据自身的钟在时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtStRtS载波精度L1频率：1575.42MHz。波长：19.03cm。测距精度：19.03cm/100=1.9mm。L2频率：1227.60MHz。波长：24.42cm测距精度：24.42cm/100=2.4mm。4.2.3GPS测距码测距码类型–目前•C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上•P（Y）码（PreciseCode）–精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上–现代化后•在L2上调制C/A码•在L1和L2增加调制M码码相关伪距测量原理（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过△t时的传播到达GPS接收机。（2）接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。（3）通过时延器使之延迟时间τ，对两码进相关比较。（4）直至两码完全对齐，相关系数R（t）=max=1，则该时间延迟τ即为传播时间△t（τ=△t）。（5）距离ρ=c·△t=c·τ。复制码１１１１０００１００１１０１０１１１接收码１１１１０００１００１１０１０§4.4GPS接收机的组成及工作原理GPS用户设备：主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。工作原理:1、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；2、接收码比复制码滞后一段时间；3、时延器将复制码延后（向后移位），直到与接收码对齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时间。GPS信号接收机天线单元：将卫星信号微弱的电磁波转化为电流，并对信号电流进行放大和变频处理；接收单元：对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪、处理和测量天线单元•接收天线：把来自卫星的微弱能量转化为相应的电流量；•天线的几何中心与相位中心–几何中心–相位中心–相位中心偏差•天线相位中心的变化–与信号的高度角有关–与信号的方位角有关–相同类型的天线具有相同的相位中心特性•前置放大器：将信号电流予以放大，将高频信号变为中频信号（降低采样率，便于处理、捕获和跟踪）北几何中心平均相位中心接收单元四部分：信号通道单元存储单元计算和显示控制单元电源信号通道单元信号通道：每个通道在某一刻只能跟踪一颗卫星，当某颗卫星被跟踪后，该卫星便占据这一通道直到信号失锁。•根据解调技术：平方型通道、码相位型通道和码相关型通道。•根据跟踪方式：多通道；序贯通道接收机；多路复用通道；码相关型通道、平方型通道和码相位型通道•码相关型通道–优点：可以进行伪距和载波相位测量，信号质量好，可获取导航电文–缺点：要了解码的结构•平方型通道–优点：不需要了解码的结构–缺点：信号质量差，无法测定伪距，无法提取导航电文•码相位型通道–优点：不需要了解码的结构–缺点：精度低序贯通道、多路复用通道和多通道•序贯通道1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号1个跟踪周期大于20ms成本低，无通道间的延迟误差，无法提取导航电文，无法保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂•多路复用通道1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号一个跟踪周期小于20ms成本低，无通道间的延迟误差，可提取导航电文，可保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂•多通道–1个通道跟踪1颗卫星/频率的信号–性能好–成本高、有通道间的延迟误差存储单元：存储星历、伪距观测量和载波相位观测量及各种测站信息数据。（内存还装多种软件：自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件。）微处理器：开机对通道自检，测定、校正和存储时延值；根据跟踪环路输出的数据码解译出星历，根据实时测得的信号传播时间计算出测站的三维地心坐标，计算导航参数等）GPS接收机的类型根据工作原理：码相关型平方型混合型根据信号通道类型：多通道序贯通道多路复用通道根据接收信号的频率：单频双频根据测距码的类型：C/A码P（Y）码根据能否从信号中提取导航电文：有码无码根据用途：导航型测量型授时型