GPS知识讲座

ProfessionalWirelessSolutionProviderQuectelWirelessSolutionsGPS知识讲座、美国GPS系统2、欧洲GALILEO卫星系统3、俄罗斯GLONASS系统4、中国北斗系统、GPS概述2、GPS系统组成3、GPS定位原理4、GPS数据帧结构及调试方式5、GPS灵敏度和CN0值6、GPS天线选择及布局7、定位精度年代联合研制的新型卫星导航系统，它的英文名称是“NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem”，其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称GPS系统。由三部分组成：GPS空间部分、地面监控站和GPS用户接收机部分。系统组成——空间部分GPS空间部分由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成。卫星分布可保证全球任何地区、任何时刻都不少于4颗卫星供观测。24颗卫星中3颗做为备份。每个轨道平面上有4颗卫星，它们按与地球成55°的相同方向运行，空间间隔约为90°。高度约20200km，运行周期为11小时58分钟。因此，在地球表面的任何地点和时刻，至少可以观测到4颗卫星，最多可以观测到11颗。而同一观测点的上空每天出现的GPS卫星分布图形基本相同只是每天提前约4分钟。系统组成——GPS地面监控系统●地面监控系统包括1个主控站，3个注入站和5个监控站，分布于地球的5个地点，（如下图所示）。●主控站的任务包括采集数据、推算编制导航电文，给定GPS时间基准，协调管理所有地面监测站和注入站，调整卫星运行状态和启用备用卫星。●检测站自动对卫星进行持续不断的跟踪测量，并将自动采集的伪距观测量、气象数据和时间标准等进行处理，然后存储和传送到主控站。●注入站将主控站传来的卫星星历，钟差信息，导航电文和其它控制指令注入到卫星的存储器中。每天注入3次，阿森松岛、迭戈加西亚、夸贾林。系统组成——GPS接收机◆只接收卫星信号而不发射任何信号；◆通过观察和跟踪卫星信号确定自身位置；定位原理空间定位原理：已知点--卫星位置和时间(X,Y,Z，T)未知点--地面点或其他待测点(x,y,z，t)观测量--卫星到接收机天线的距离(R)R=卫星信号传播时间*光速观测方程:(（T-t）*c)2=(X-x)2+(Y-y)2+(Z-z)2定位原理假设接收到的卫星的位置和时间信息为：iiiiTZYX,,,那么根据空间几何学有如下方程组：◆2D定位与3D定位2424244232323322222222121211zZyYxXctTzZyYxXctTzZyYxXctTzZyYxXctT星期数，卫星精度和健康数据，时钟校正项TLMHOW星历参数TLMHOW星历参数TLMHOW历书TLMHOW历书TLMHOW子帧1子帧2子帧3子帧4子帧5：GPS星期数，卫星精度，健康数据，时钟校正项；帧2：星历表Ephemeris，当前卫星位置信息，每小时更新一次，4小时有效；帧3：（同上）帧4：历书，第25~32颗卫星的星历和健康数据，特殊电文，卫星配置标志，电离层和UTC数据；帧5：第1~24颗卫星的星历数据和健康数据，星历基准时刻和星期数。、coldstart2、warmstart3、hotstart接收机状态：无任何可用信息，如星历、历书、当前位置信息等，不知道当前哪些卫星可见；接收机需要完成动作：◆搜索所有卫星（码域）；◆下载搜索到卫星的轨道参数等；◆利用下载的信息计算定位接收机状态：◆星历无效；◆历书可用；◆距离上一次定位超过2小时，卫星偏移较大；◆知道大概位置；◆本地时钟基本准确；接收机需要完成动作：◆下载星历信息；◆完成定位；接收机状态：◆星历可用；◆历书可用；◆距离上次定位小于2小时；◆知道大概位置；◆本地时钟精确；接收机在这种状态下不需要下载任何数据，可以快速锁定卫星，完成定位。(TTFF41sec)WarmStart(TTFF33sec)HotStart(TTFF2.5sec)Ephemeris2hrsold.NotAvailableNotAvailableRequiredAlmanac6mthsold.NotAvailableRequiredRequiredPositionwithin0.5degrees.NotAvailableRequiredRequiredTimewithinafewsecondsofUTCNotAvailableRequiredRequired技术在没有辅助信息的情况下，接收机要完成定位必须完整下载GPS数据帧中的前3帧数据，下载前三帧的时间为18秒。AGPS是通过其他方式获得这三帧数据的方法。分类根据获取辅助信息的方式不同，AGPS分为两种：1、OnlineAGPS:实时通过GSM、GPRS、CDMA或UMTS等取得辅助信息，每次定位需下载1~3K数据；2、OfflineAGPS：通过网络或其他方式下载今后一段时间的修正信息，存于本地存储器上，等下次定位的时候可直接使用此信息辅助定位。1天星历信息约10K，14天的约90K。offline模式只对温启动有效，对冷启动无效。、MS-based终端在取得网络辅助资料后，独立运算得到当前位置信息，对终端系统的运算资源要求较高；2、MS-assisted：终端将接收到的卫星资料传送给网络服务器，有服务器计算出结果后再将位置信息传送回给终端。优点：降低终端的运算负荷；能进行较复杂运算以获得更精确的位置；缺点：定位过程中一旦网络终端，将失去定位结果；调制方式分三步：step1：基带数据速率50bps，通过扩频码变成码率为1.023MHz的信号；step2：将扩频后信号先通过BPSK调制方式变成模拟信号；step3：将BPSK信号上变频到1575.42MHz载波上向地面发射；中，分配给每个用户的是不同的标记序列（或波形），用户用它对不同的信号进行调制和扩频。GPS采用码分多址的方式，用一组伪噪声码（PN码）同导航电文（D码）相乘，将50bps的基带数据扩展到2.046MHz的带宽上，使得调制后的信号功率谱密度远比噪声功率谱密度低，极大地提高了系统的抗干扰能力。的多址方式——扩频调制的实现一条被K个用户共用的信道，每个用户被分配到一个持续时间为T（符合间隔）的标记波形gk（t），比如，标记波形为：式中，是一个取值为{±1}的L个码片组成的伪噪声（PN）序列，p（t）是码宽为Tc的脉冲。对于第K个用户的长度为N的数据块相应的等效低通发射波形为：的多址方式——扩频调制的实现扩频举例，假如采用4位扩频码，则有以下四组正交序列：（1，1，1，1）；（1，1，-1，-1）；（1，-1，-1，1）；（1，-1，1，-1）假如有基带数据（1，-1），用序列（1，1，-1，-1）乘，后序列变为：（1，1，-1，-1，-1，-1，1，1）解扩时候，如果以其他正交序列与上述序列移位相乘，每四位相加，则结果为：（0，0）而以扩频时候用的（1，1，-1，-1）相乘，每四位相加，则结果为：（1，-1）的多址方式——解扩的实现的多址方式——优点1、抗干扰能力强2、保密性好的多址方式——优点3、抗多径干扰利用扩频码序列的相关特性，在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成，变害为利，提高接收信噪比4、可以实现码分多址扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户、不同码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取有用信号，实现码分多址5、能精确地定时和测距利用电磁波的传播特性和伪随机码的相关性，可以比较正确地测出两个物体之间的距离的多址方式——多通道的好处GPS定位时为了得到精确的位置坐标，用户必须从4颗卫星获得信号，这可以通过几种不同的方法来实现1、单通道接收机接顺序接收4颗卫星的信号这种定序可以以1/4-1秒的速率进行从而使用户大约每5秒钟就可以获得一次定位信息这种定位系统成本最低2、多通道接收机以5通道为例5通道接收机可以通过4个通道锁住4颗卫星的信号第5个通道用于获取低频导航数据这种方法得到了最高的信噪比因为任一给定的卫星信号都将被连续而不是在1/4个工作周期内被接收（t），码率fd=50HZ，采用BPSK的调制方式。对于BPSK来说，用载波地两个相位分别代表“0”和“1”，因此其对应的两个信号波形为：P0(t)=AccoswctP1(t)=-Accoswct，那么其中Icorr_in和Icorr_out为相关器输入、输出端的干扰信号而在相关器的输出端，信号和干扰具有同样的带宽，值＊灵敏度定义：接收机能正确解调信号所需要的最低信号强度＊公式表示如下：P灵敏度＝N白噪声*NF*(SNR)o,min*B（单位为w）＝KT＋NF＋(SNR)o,min＋B（单位为dBw）其中：K＝1.38×10-23T为环境温度，假定为290KNF为接收机前端的噪声系数B为通信系统带宽系统为例，信道带宽200KHz，在T＝290K的时候，假设芯片解调信号所需要的最低信噪比为5dB。射频前端的噪声系数为3dB，衰减3dB，那么在没有干扰的情况下，灵敏度Pmin＝-174+10lg200000+5+3+3＝-174+53+11＝-110dBm而对于GPS系统，信道带宽为2.046MHz，则在那么宽的信道内，热噪声基底的功率为：，因此系统的增益控制以及A/D量化阈值主要由热噪声确定，与输入信号强度基本无关。GPS信号的CNo同功率的关系可由下面推导得到：CNo＝174-NF+P所以，要想提高CNo值，需要提高解调P并减少噪声系数NF方法：◆改善天线性能，尽量选用大尺寸天线；◆减少天线馈点到第一级LNA之间