GPS卫星的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中国矿业大学环境与测绘学院王坚本章需学习的内容：4.1GPS卫星导航电文（指卫星星历、时钟改正、转换码等）4.2GPS卫星信号（指测距用伪随机码信号及载波信号）4.3卫星位置的计算（由导航电文计算观测时刻卫星的地球坐标系坐标）4.4GPS接收机基本工作原理§4.1GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码（D码））：是用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延码转换到捕获P码的信息。它的基本单位是长1500bit的一个主帧（如图4-1所示），传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。§4.1GPS卫星的导航电文4.1.1遥测码（TLW，即TelemetryWord）遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据的状态，以次指示用户是否选用该颗卫星。4.1.2转换码（HOW,即HandOverWord）转换码位于每个子帧的第二个字码，其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数，它表示从每星期天零时到星期六24小时，P码子码X1的周期（1.5秒）重复数。4.1.3第一数据块第一数据块位于第1子帧的第3~10字码，它的主要内容包括：①标识码，时延差改正；②星期序号；③卫星健康状况；④数据龄期；⑤卫星时钟改正系数等。1.时延差改正时延差改正就是载波L1、L2的电离层时延差。当使用单频接收机时，为了减小电离层的影响，提高定位精度，要用改正观测结果，双频接收机可通过L1，L2两频率的组合来消除电离层的影响，不需要此项改正。2.数据龄期AODC卫星时钟的数据龄期AODC是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。AODC=Toc-tl(4-1)式中：toc为第一数据块的参考时刻；tl是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间。3.星期序号WNWN表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。4.卫星时钟改正GPS时间系统是以地面主控站的主原子钟为基准。由于主控站主钟的不稳定性，使得GPS时间和UTC时间之间存在着差值。地面监控系统通过临测确定出这种差值，并用导航电文播发给广大用户。每一颗GPS卫星的时钟相对GPS时系存在着差值，需加以改正，这是卫星时钟改正：Δts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)24.1.4第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类。（如图4-2所示）1.开普勒六参数这6个参数为：，e,i0,Ω0，ω，M02.轨道摄动九参数这9个参数为：Δn，,，Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis（其含义同3.4）3.时间二参数(1)从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe；(2)星历表的数据龄期AODE，有:AODE＝toe-t1式中t1为作预报星历测量的最后观测时间，因此AODE就是预报星历的外推时间长度。a4.1.5第三数据块第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。1.第4子帧(1)第2，3，4，5，7，8，9，10页面提供第25～32颗卫星的历书；(2)第17页面提供专用电文，第18页面给出电离层改正模型参数和UTC数据；(3)第25页面提供所以卫星的型号、防电子对抗特征符和第25～32颗卫星的健康状况；(4)第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24页作备用，第13，14，15页为空闲页。2.第5子帧(1)第1～24页面给出第1～24颗卫星的历书；(2)第25页面给出第1～24颗卫星的健康状况和星期编号。在第三数据块中，第4和第5子帧的每个页面的第3字码，其开始的8个比特是识别字符，且分成两种形式：（a）第1和第2比特为电文识别（DATAID）；(b)第3～8比特为卫星识别（SVID）。GPS卫星信号的产生GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、测距码和数据码。时钟基本频率为10.23MHz。GPS信号的产生，如图4-3所示。GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其载波处于L(22cm)波段，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码。GPS卫星向广大用户发送的导航电文称为数据码，其码的码率f=50HZ。怎样才能有效将低码率的导航电文发送给用户这是关系到GPS系统成败与否的大问题。一种有效的发送方法是：用低码率的数据码作二级调制(扩频)。第一级，用50Hz的D码调制一个伪噪声码，如调制一个被叫做P码的伪噪声码，后者的码率高达10.23MHZ。D码调制P码的结果是形成一个组合码，致使D码信号的频带宽度从50Hz扩展到了10.23MHZ，也就是说，GPS卫星原拟发送50bit／s的D码，转变为发送10.23Mbit／s的组合码P(t)D(t)。§4.2GPS卫星信号GPS卫星信号的产生在D码调制伪噪声码以后，再用它们的组合码去调制L波段的载波，实现D码的第二级调制．从而形成向用户发送的已调波。每颗GPS卫星向用户发送两种巳调波。为了叙述方便，分别将两者称为第一和第二GPS卫星射电信号，总称为GPS信号。§4.2GPS卫星信号GPS卫星信号的产生基准频率10.23MHZL11575.42MHZC/A码1.023MHZP码10.23MHZL21227.60MHZP码10.23MHZ1015412050比特/S卫星信息电文(D码)每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ)两种载波(L1和L2)两种码信号(C/A码和P码)一组导航电文(信息码，D码)§4.2GPS卫星信号卫星信号的频率基本频率(f0)–10.23MHz载波相位L1(154f0)=1575.42MHz载波相位L2(120f0)=1227.60MHzPCode(f0)–10.23MHzC/ACode(f0/10)–1.023MHz导航信息(f0/204600)–50Hz4.2GPS卫星信号4.2GPS卫星信号GPS卫星信号:调制波.含载波（L1=1575.42MHz，L2=1227.6MHz）、测距码(C/A,P)、数据码。伪随机码PRN：波形图与信号结构见右图。测距码调制方式：相位调制。GPS信号结构:L1上S（t）=ApP（t）D（t）cos（ωt+φ1）+AcC（t）D（t）sin（ωt+φ2）L2上S（t）=BpP（t）D（t）cos（ωt+φ2）Ap，Bp，Ac分别为：P码与C/A码的振幅；D（t）为数据码伪随机噪声码的相位调制伪随机噪声码的产生及特性伪随机噪声码又叫伪随机码或者伪噪声码，简称：PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。他不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。GPS信号中使用了伪随机码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。伪随机噪声码的产生方式很多。GPS技术采用m序列，即产生于最长线性反馈移位寄存器。4.2GPS卫星信号伪随机码的产生--M序列线性反馈移位寄存器M序列的特性:1.均衡性：一周中1与0基本相等。1比0多1个。不允许全0。2.游程分布：相同码元连在一起为一游程。左图4级M序列为8个游程：长度为1的4个，长度为2的2个，长度为3的1个，长度4的1个。3.移位相加特性：一个M序列与其移位后另一M序列相加仍是M序列。4级M序列的周期m=154.自相关特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m5.伪噪声特性：M序列为伪随机码或人工复制噪声码。a3a2a1a0初始10001100111011110111…………4级M序列的产生方框图输出M序列:000111101011001输出m序列伪随机噪声码的自相关特性对齐时：000111101011001未对齐时：000111101011001000111101011001100011110101100A=15,D=0,R=（A-D）/m=1A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15C/A码与P（y）码C/A码—粗测距码。周期为1ms的两个m序列G1（t）和G2（t）模2相加(序列相乘)得C/A（t）=G1（t）*G2（t+it0）采用不同的it0值，可产生1023个G2（t）。每颗卫星选择一个C/A（t），每个接收机同时具有所有卫星的C/A（t）。这些C/A码具有相同的码长N=1023bit，相同的周期Tu=Ntu=1ms，相同的码元宽tu=1/f=0.98μs-293.1m。P(y)码—精测距码。由两个伪随机码PN1（t）和PN2（t）相乘组成。码长为2.35E14，周期为267天。码元宽度0.098μs.P（t）=PN1（t）*PN2（t+niτ）ni取0-36不同的数值，可得到37种P码。实际应用中P码采用7天的周期。每周六午夜零点P码置全1状态为起始点。GPS广播星历中用于卫星轨道计算的参数：1个参考时刻、6个轨道参数、9个受摄动影响的参数参考时刻toe：又叫预报时刻。以星期日零点为起点。星历表数据量AODE=toe-tl，星钟数据量AODC=toc-tlGPD—周数，Tgd—时延差改正，ao,a1,a2钟差参数。6个轨道参数：Mo，e，a，io，Ωo，ω。（对应toe）9个摄动参数：△n，dΩ/dt，di/dt，Cuc，Cus，Crc，Crs，Cic，Cis。星期日0h定轨观测最后时刻tl星历预报toeAODE星钟预报tocAODC观测时刻t§4.3GPS卫星的坐标计算根据开普勒轨道参数，可计算卫星在不同坐标系中的瞬时坐标，而在实际工作中，由于轨道摄动的影响，具体计算方法有所不同。本节介绍在协议地球坐标系中GPS卫星位置的计算步骤：1.计算真近点角Vk计算平均角速度加上导航电文给出的摄动改正数得卫星运行的平均角速度为2/130saGMnnnnn0§4.3GPS卫星的坐标计算计算归化时间首先对观测时刻做卫星钟差改正然后将改正后观测时刻t归化到GPS时间系统中（为观测时刻与广播星历之间时间间隔）注意不同2210)()(ococttattaattttoektttocoett,t计算观测时刻t的平近点角Mk和偏近点角Ek计算观测时刻的真近点角Vk（与Ek唯一对应）kkntMM0kkkEeMEsin)cossin1arctan(2eEEeVkkk2.计算升交距角及轨道摄动改正项升交距角：摄动改正项3.计算升交距角、卫星的地心距离及轨道倾角kickiskrckrskuckusCCiCCrCCu2cos2sin2cos2sin2cos2sin)()cos1(0oekkttiiiirEearuukkV4.计算卫星在轨道坐标系中的坐标（x,y,z）(这里的X轴指向了升交点）5.计算升交点的经度6.计算在地固坐标系中的空间直角坐标)/(10292115.7))((5000sradttteezyxiRRZYX)()(13iiiiiiiRRcossin0coscoscoscossinsinsincossincos)()(130sincosururzyx7.计算在协议地球坐标系中的空间直角坐标