第四章 卫星导航定位信号结构

第四章卫星导航定位信号结构厦门理工学院空间信息科学与工程系主要内容§4.1载波与测距码§4.2导航电文§4.3卫星信号调制§4.4GPS卫星位置计算学习要求掌握卫星信号的基本组成掌握几种主要的载波频率，理解其间的关系理解测距码产生的原理，理解并掌握二进制运算规则，掌握C/A码、P码的周期、码元宽度等相关概念了解导航电文总体结构，掌握卫星轨道6个基本参数所表示的意义理解卫星信号调制的过程理解并掌握卫星位置计算的基本思路•GPS卫星信号的组成部分–载波（Carrier）•L1•L2–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（Message）卫星信号组成概述卫星信号组成概述GPS卫星信号的生成关键设备–原子钟4.1载波与测距码一、载波•作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移•类型L1–频率：1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：1227.60MHz；波长：24.42cm增加L5–频率：1176.45MHz；波长：25.48cm•目的：消除或削弱电离层误差L119.03cmL224.42cm4.1载波与测距码二、测距码•定义–伪随机噪声（PRN－PseudoRandomNoise）序列或PRN码的二进制码•作用–测距•形成方式：多级反馈移位寄存器产生的m序列4.1载波与测距码（一）基本知识码•在现代数字化通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其组合来表示各种信息。这些二进制数及其组合，称为码。•一位二进制数叫做一个码元或一比特。比特（bit)为码的度量单位。•将各种信息量化，并按预定规则表示为二进制的组合形式，则此过程称为编码。4.1载波与测距码（一）基本知识码元、码元宽度、码速率码元宽(时间或距离)1码速率：bit/每秒0110004.1载波与测距码（一）基本知识随机噪声（随机码）（P48）一组码序列在某一时刻的码元为0或1完全是随机的，这种码元取值完全无规律的码序列，称为随机（噪声）码序列。是一种非周期性序列，无法复制，但自相关性好。根据码序列的自相关系数可判断两个随机码序列的相应码元是否已对齐。码序列码序列4.1载波与测距码（一）基本知识伪随机噪声（PseudoRandomNoise-PRN）是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。产生的基础：“移位寄存器”特点：（1）具有随机码的良好自相关性；（2）具有某种确定的编码规则；（3）可以容易地复制测距码（C/A码与P码）属于伪随机噪声码4.1载波与测距码（一）基本知识基本规则•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4.1载波与测距码（一）基本知识m序列（P48）5.1载波与测距码（一）基本知识基本规则4.1载波与测距码（二）C/A码4.1载波与测距码（二）C/A码主要特征主要作用①捕获卫星信号②粗略测距1.023Mbit/s4.1载波与测距码二、测距码（三）P码（PreciseCode）→Y码由两个伪随机码相乘构成；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。Y码=P码⊕W码AS电子欺骗技术4.2导航电文导航电文一组反映卫星运行轨道、卫星钟改正参数、电离层延迟修正参数及卫星工作状态等信息的二进制代码，也称数据码（D码）4.2导航电文导航电文传播过程地面主控站编制导航电文，传送到注入站将导航电文注入到卫星的存储系统地面注入站解译导航电文，计算出测站的三维位置、速度和时间4.2导航电文一、总体结构...第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits)...第10字(30bits)第1子帧（第1数据块）(300bits)第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits)...第10字(30bits)第2子帧（第2数据块）(300bits)第3子帧（第2数据块）(300bits)第4子帧（第3数据块）(300bits)第5子帧（第3数据块）(300bits)第1主帧(1500bits)第2主帧(1500bits)...第1子帧（第1数据块）(300bits)...第5子帧（第3数据块）(300bits)第25主帧(1500bits)导航电文4.2导航电文一、总体结构4.2导航电文捕获导航电文前导Z计数4.2导航电文二、第1子帧（第一数据块）–第1子帧的第3~10个字–内容：•WN–GPS周•L2所调制测距码标识符–“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码•用户测距精度N–URA•卫星健康状况•TGD–信号在卫星内部的时延（平均群延差）•星钟数据龄期AODC•星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）2210)()(ococSVttattaat4.2导航电文三、第2、3子帧（第二数据块）（一）卫星轨道表示方法(P63)开普勒轨道根数及其变化率——广播星历(预报星历)卫星空间位置及运动速度——IGS精密星历15分钟每周四12-18天2.5cm最终星历15分钟每天17时17-41小时2.5cm快速星历15分钟每天03，09，15，21时3-9小时3cm超快速星历——1-2小时实时100cm广播星历采样率更新周期延迟精度类型卫星星历4.2导航电文4.2导航电文人卫正常轨道（二）人卫轨道理论卫星轨道六要素（P64）Y升交点赤经Ω轨道倾角i近地点张角真近点角Mf轨道长半轴a近地点赤道平面轨道偏心率22abea升交点Ω卫星rXωZiMfb4.2导航电文4.2导航电文开普勒轨道根数（轨道参数）升交点赤经轨道倾角长半轴偏心率近地点角距卫星过近地点的时刻（真近点角）卫星轨道平面相对位置卫星轨道形状参数卫星轨道椭圆定向卫星瞬时位置4.2导航电文三、第2、3子帧（第二数据块）–第2、3子帧的第3~10个字–内容•发送信号卫星的星历－广播星历–星历参数4.2导航电文三、第2、3子帧（第二数据块）（二）人卫轨道理论作用在卫星上的外力万有引力（1）万有引力（2）日月引力、大气阻力、太阳光压力摄动力地球引力场摄动力影响约为地球引力场摄动力影响约为1010--33量级，其他摄量级，其他摄动力影响大多小于或接近于动力影响大多小于或接近于1010--55量级。量级。4.2导航电文（二）人卫轨道理论作用在卫星上的外力人卫轨道理论人卫真实轨道总和人卫正常摄动理论轨道摄动地球引力（2）：形状摄动力日、月引力大气阻力光压力其它作用力摄动力人卫正常轨道理论（二体问题）人卫正常轨道地球引力（1）：地球正球（质点）的引力轨道理论卫星轨道作用在卫星上的力4.2导航电文4.2导航电文三、第2、3子帧（第二数据块）（三）第2、3子帧参数参考时刻6个轨道参数9个轨道摄动参数其他参数AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,,,,,,,,,,,,,,,,0004.2导航电文四、第4、5子帧（第三数据块）第4、5子帧的第3~10个字内容：（1）所有卫星历书（概略星历P66）（2）所有卫星健康状况（3）所有卫星AS标识及卫星类型标识（4）GPS时域UTC间关系参数（5）电离层改正参数第三数据块的内容每12.5分钟重复一次在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。载波携带着有用信号传送出去。调制数据码数据码测距码测距码调制信号调制信号载波信号载波信号4.3卫星信号调制4.3卫星信号调制信号调制方式：调频FM调幅AM调相4.3卫星信号调制一、C/A码+导航电文4.3卫星信号调制二、二进制信号的相位调制——C/A码+导航电文+载波GPS卫星信号结构载波L1C/A码P码载波L2D码(导航电文)相移90°()()iiGtDt()iDt()iPt()()iiPtDt()iGt振荡器模2加法器调制器信号合成器4.4卫星轨道位置计算作用在卫星上的外力万有引力（1）万有引力（2）日月引力、大气阻力、太阳光压力摄动力地球引力场摄动力影响约为地球引力场摄动力影响约为1010--33量级，其他摄量级，其他摄动力影响大多小于或接近于动力影响大多小于或接近于1010--55量级。量级。4.4卫星轨道位置计算研究卫星运动的步骤研究卫星的研究卫星的无摄运动无摄运动规律，描述规律，描述卫星轨道的基本特征卫星轨道的基本特征研究各种研究各种摄动力摄动力的影响，对卫星的影响，对卫星的无摄轨道修正的无摄轨道修正确定卫星确定卫星受摄运动轨道受摄运动轨道的瞬时特征的瞬时特征4.4卫星轨道位置计算Y升交点赤经Ω轨道倾角i近地点角距真近点角Mf轨道长半轴a近地点赤道平面轨道偏心率22abea升交点Ω卫星rXωZiMfb4.4卫星轨道位置计算春分点零子午面4.4卫星轨道位置计算一、用广播星历计算卫星位置变换公式变换公式卫星在轨道面坐标系中的位置卫星在天球坐标系中的位置地球坐标系下卫星的位置协议地球坐标系下卫星的位置极移改正4.4卫星轨道位置计算00nt为参考时刻时的平均角速度nn为摄动参数,为观测瞬间卫星的平均角速度M为观测瞬间卫星的平近地点角00()MMntt03()GMnA0nnn①计算观测瞬间卫星的平近点角1432843.98600510GMWGSmsA称为地球引力常数，在系中定义为：轨道长半轴的平方根4.4卫星轨道位置计算②计算观测瞬间卫星的偏近点角sinEMeEcoscos1cosEeveE21sinsin1coseEveE21sintancoseEvacrEe③计算观测瞬间卫星的真近点角4.4卫星轨道位置计算ucusrcrsicisCCCCCC、、、、、cos2'sin2'cos2'sin2'cos2'sin2'uucusrrcrsiicisCuCuCuCuCuCu④计算升交距角（未经改正的）④计算卫星向径（未经改正的）⑤计算摄动改正项'uv'1cosErae为摄动参数2()aA4.4卫星轨道位置计算00''1cosE()urriuurraediiittdt⑥进行摄动改正cossinxruyru⑦卫星在轨道面坐标系位置0z轨道平面坐标系与天球坐标系4.4卫星轨道位置计算轨道平面坐标系与天球坐标系3cossin0()sincos0001R1100()0cossin0sincosRiiiii3cossin0()sincos0001R313xxyRRRyzzCS⑧卫星在瞬时天球坐标系位置4.4卫星轨道位置计算3cos()sin()0()sin()cos()0001GASTGASTRGASTGASTGAST3y()zTSxxRGASTyzCS21()()ppCTSxxyRxRyyzzTS⑨卫星在瞬时地球坐标系位置4.4卫星轨道位置计算升交点Z'(Z)Y'X'ro春分点轨道平面卫星Ω升交点赤经i轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点ω近地点角距长半径t0过近地点时刻e轨道偏心率地心f真近点角XY起始子午面Ω升交点经度kGASTxy第二种思路4.4卫星轨道位置计算•升交点经度的计算•观测时升交点经度：4.4卫星轨道位置计算–计算升交点经度–计算卫星在地固坐标系下的坐标oeeoeektttt)()()(0