第2-3章 李征航GPS信号和导航电文V13.1

第2-3章GPS卫星的信号和卫星导航电文中南大学122.1GPS卫星信号的组成GPS信号包含有三种信号分量：1、载波；2、测距码；3、数据码。在这三种分量中载波、和测距码用于测量卫星到地面接收机之间的距离；而数据码则提供计算卫星坐标所需的参数，由卫星坐标和卫星到地面间的距离求得地面点的坐标。GPS测量是根据单程测距原理建立的，即用户只需通过接收设备来接收卫星发播的信号，并测定信号传播的单程时间延迟或相位延迟，进而确定从观测站至GPS卫星间的距离，在这种系统中卫星信号的发射和接收，都是由原子钟来控制，所以，这就要求卫星和接收机两者的原子钟，应保持严格同步。中南大学31两种载波在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是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。然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。GPS使用两种载波：L1载波：fL1=154×f0=1575.42MHz,波长λ1=19.032cm,L2载波：fL2=120×f0=1227.6MHz,波长λ2=24.42cm。基准频率f0=10.23MHz选择这两个载波的目的是：测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差。中南大学42.1.2测距码（P27）•1伪随机码•1．随机噪声码码是用以表达某种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列。而这一序列又可以表达成以0和1为幅度的时间的函数，假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但其出现的概率均为1／2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，通常称为随机码序列，也叫做随机噪声码序列。它是一种非周期序列，无法复制。随机码的特性是其自相关性好，而自相关性的好坏，对于提高利用GPS卫星码信号测距的精度是极其重要的。中南大学52．伪随机噪声码及其特性虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的序列，不服从任何编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此，为了实际的应用，GPS采用了一种伪随机噪声码(PseudoRandomNoise—PRN)，简称伪随机码或伪码。这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的，可以容易地复制。伪随机码的产生：“多极反馈移位寄存器”的装置产生，移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置“l”脉冲。特性：伪随机码既只有与随机码相类似的良好自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。这样，用户接收机便可容易地复制卫星所发射的伪随机码，以便通过接收码与复制码的比较，可准确地测定其间的时间延迟。注：模二相加：1+1=0；0+1=1；1+0=1；0+0=0中南大学6中南大学7•3C/A码(粗码)1)产生方式C/A码是伪随机操声码的中一种，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。两个移位寄存器于每星期六/日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，两个移位寄存器，分别产生序列G1（t）和G2（t）。G2(t)序列经过相位选择器，输入一个与G2（t）平移等价的m序列，然后与G1(t)模2相加，便得到C/A码。中南大学82)C/A码特点C／A码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，为了捕获C／A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C／A码逐个进行搜索。因为C／A码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20．5秒便可达到目的。由于C/A码易于捕获，而且通过捕获的C／A码所提供的信息，又可以方便地捕获GPS的P码。所以通常C/A也称为捕获码。3)C/A码精度C／A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1／10—1／100，则这时相应的测距误差可达29．3—2．9m。由于其精度较低，所以C／A码也称为粗码。中南大学94P码1）产生方式P码是卫星的精测码，码率为10.23MHz。它是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的。2）P码精度由于P码的码元宽度为C／A码的1／10，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l／10—l／100，则由此引起的相应距离误差约为2．93-0．29m，仅为C／A码的1／10。所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码。3）P码特点根据美国国际部规定，P码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。即使如此，美国国防部又宣布实施AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对禁止非特许用户应用。中南大学102.2GPS卫星的导航电文(P27)1、GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。中南大学11GPS卫星广播星历预报参数及其定义如下：（参见SNR/8000用户手册）toe——星历表参考历元（秒），IODE（AODE）——星历表数据龄期（N），M0——按参考历元toe计算的平近点角（弧度），△N——卫星平均角速度的摄动改正数（弧度），e——轨道偏心率，——轨道长半径的平均根（0.5m），Ω0——按参考历元toe计算的升交点赤经（弧度），i0——按参考历元toe计算的轨道倾角（弧度），ω——近地点角距（弧度），——轨道倾角的变化率（弧度/秒）IaCuc——纬度幅角的余弦调和项改正的振幅（弧度），Cus——纬度幅角正弦调和项改正的振幅（弧度），中南大学12Crc——轨道半径的余弦调和项改正的振幅（米），Crs——轨道半径的正弦调和项改正的振幅（米），Cic——道倾角的余弦调角和项改正的振幅（弧度），Cis——轨道倾角的正弦调角和项改正的振幅（弧度），GPD——周数（周），Tgd——电离层延迟改正（秒），IODC——星钟的数据龄期（N），ɑ0——卫星钟差（秒）——时间偏差，ɑ1——卫星钟速（秒/秒）——频率偏差系数，ɑ2——卫星钟速变率（秒/秒2）——漂移系数，卫星精度——（N），卫星健康——（N）。其中△n中包括了轨道根数W。△n中主要是二阶带谐项引起的W的长期漂移，包括了日、月引力摄动和太阳光压摄动。在Ω中主要是二阶带谐项引起Ω的长期漂移，也包括了极移的影响。中南大学13中南大学142、导航电文内容它的基本单位是长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。中南大学15导航电文的结构中南大学中南大学16171遥测字(TLM—TelemetryWord)，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了—个同步的起点，使用户便于解释电文数据。2交接字(HOW—HandOverWord），紧接着各子帧开头的遥测字，主要是向用户提供用于捕获P码的Z计数。所谓Z计数是从每星期六／星期日子夜零时起算的时间计数．它表示下一子帧开始瞬间的GPS时。但为了实用方便，Z计数一般表示为从每星期六／星期日子夜零时开始发播的子帧数。因为每一子帧播送延续的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬时即为6xZ。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获P码。中南大学183第一数据块第一子帧的第3-10个字，称为第一数据块，它含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。现对其中的主要内容介绍于下：(1)．星期序号WN(WeekNumber)。表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数(最大表示1023周),位于第3个字的1-10bit。(2)．调制何种测距码的标示符，位于第3个字的11-12bit。表示在L2上究竟是调制C/A码还是P码。•(3)．传输参数N位于第3个字的13-16bit。它表示了广播星历的精度对定位的影响。•(4)．时延差改正Tgd第7字码的第17—24比特表示信号从生成到离开卫星发射天线之间有一定的时间延迟，其数值最大可达数米。中南大学19•(5)．卫星钟的改正参数的数据龄期(AODC)•它表示了卫星钟改正参数的外推时间。•(6)．卫星钟改正参数•a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率。当巳知这些参数后，便可按下式计算任意时刻t的钟改正数△t△t＝a0十a1(t—toc)十a2(t—toc)2(4-2)•a0：为参考时刻TOC时的钟差•a1：为参考时刻TOC时的钟速•a2：为参考时刻TOC时的钟速变化率的一半•第二数据块包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据块一般称为卫星星历，其主要包括的参数及符号如表(p41)3—3所列。数据块二提供了用户利用GPS实时导航和定位的基本数据。•数据龄期AODC第3字码的第23、和第24比特,以及第8字码的第1—8比特，均表示卫星时钟的数据龄期AODC。GPS试验卫星的AODC只占8个比特，而GPS工作卫星却扩展到了10个比特。A0DC是时钟改正数的外推时间间隔，它向用户指明对卫星时钟改正数的置信度，且知•AODC＝toc-tl(4-1)•式中:toc为第一数据块的参考时刻，tl是计算时钟参数所作测量的最后观测时间。中南大学204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坐标位置的信息。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）中南大学211.开普勒六参数这6个参数为：①sqrt(a)，②e,③i0,④Ω0,⑤ω,⑥M0。2.轨道摄动九参数这9个参数为：①Δn(平均角速度改正值），②升交点赤经的变化率dΩ/dt,③轨道倾角i的变化率di/dt，Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis（其含义同3.4）表2-1导航电文中的参数3.星历表的数据龄期AODE星历表的数据龄期AODE，有：AODE＝toe-t1（４－３）Toe：从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻；式中TL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。中南大学225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。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。中南大学232.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）。第三数据块的作用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。中南大学24CUC卫星钟差改正数TOEIODEGPS周2.10NAVIGATIONDATAG(GPS)RINEXVERSION/TYPEDAT2RINW3.10001zfh05MAR0519:43:57PGM/RUNBY/DATECOMMENT.1024D-07.0000D+00-.5960D-07.0000D+00IONALPHA.9011D+05.0000D