GPS卫星的导航电文和卫星信号

GPS卫星的导航电文和卫星信号遥感学院测绘工程系2009第四章课程名称：全球定位系统GlobalPositioningSystem2内容提要一．GPS卫星播发的信号二．伪随机码扩频与相关接收三．C/A码与P码四．GPS卫星信号的构成五．GPS卫星的导航电文六．GPS接收机基本工作原理GlobalPositioningSystem3§4.1GPS卫星播发的信号一．概述1.GPS是一种无线电导航系统①观测量是时间延迟或载波变化周数②GPS信号包含三种成分：数据码（D码）、测距码（C/A码和P码）、载波信号（L1和L2）GlobalPositioningSystem4§4.1GPS卫星播发的信号一．概述2.导航电文①数据码中包含有多种与导航有关的信息。这些信息是卫星的星历、卫星钟钟差改正参数、测距时间标志及大气折射改正参数，以及由C/A码捕获P码等其他导航信息。这些信息为GPS导航定位提供数据基础，故又称为导航电文。②导航电文是一组二进制的数码序列，码值取0对应脉冲状态（+1），码值取1对应脉冲状态（-1）GlobalPositioningSystem5§4.1GPS卫星播发的信号一．概述3.GPS信号应满足的要求①GPS卫星广播信号能实现保密通讯，提高抗干扰能力②能对各卫星发射的信号进行区分选择③实现精密定位和实时导航GlobalPositioningSystem6§4.1GPS卫星播发的信号二．伪随机码1.码的基本概念①码：二进制数组合构成的数码序列②码元（比特）：一位二进制数③编码：将某种信息通过量化，并按某种规定的标准表示成二进制组合序列，这一过程称为编码。④数码率（比特率）：每秒钟传输的码元数。单位：bit/s或BPS或HZGlobalPositioningSystem7§4.1GPS卫星播发的信号二．伪随机码2.随机码①GPS信号中的关键技术：采用了伪随机码扩频技术②随机码扩频的优点：不仅能提高系统的导航定位精度，而且可以使系统具有极高的抗电子干扰能力和极强的保密性GlobalPositioningSystem8§4.1GPS卫星播发的信号二．伪随机码2.随机码③随机码特点（良好的自相关特性）–随机码为非周期性码序列，不存在任何编码规则，因此不能被复制–随机码序列中0和1出现的概率均为1/2–两随机码序列的模2和为0两码元相同；两随机码序列的模2和为1两码元相异。自相关函数=1时已对齐；自相关函数≠1时没有对齐。④模2和运算–11=0，10=1，01=1，00=0GlobalPositioningSystem9§4.1GPS卫星播发的信号二．伪随机码3.伪随机码①产生原因：随机码序列没有周期性，无法复制②定义：具有良好的自相关特性的有周期性的序列称伪随机序列。由二进制码元组成的伪随机序列称二进制伪随机码简称伪码③产生装置：“多级反馈移位寄存器”④分类：截短序列、复合序列等GlobalPositioningSystem10§4.2伪随机码扩频与相关接收一．伪码扩频1.定义将原拟发送几十比特速率的导航电文变换成发送几兆甚至更高比特率的由导航电文和伪噪声码组成的组合码，称之为伪随机码扩频，简称伪码扩频2.优越性①保密性强：信号深埋在噪声中，抗干扰②耗电量少：降低了信噪比，节省卫星电能可以很小的发射功率实现2万公里的定位GlobalPositioningSystem11§4.2伪随机码扩频与相关接收二．伪码测距1.定义在计算卫星发射信号由卫星到用户的传播延时时，主要利用了卫星发射信号中的伪随机码和地面GPS接收机中复制的跟踪伪码的相关接收技术，故称为伪码测距GlobalPositioningSystem12§4.2伪随机码扩频与相关接收二．伪码测距2.基本原理利用一伪码延时锁相环路，使本地复制的跟踪码和接收到的伪码在码元上对齐，也即是在时间上对准，再将跟踪伪码与本地的基准伪码进行比对，得到时间差GlobalPositioningSystem13§4.2伪随机码扩频与相关接收三．码分多址1.为什么用码分多址①类型：频分多址FDMA、时分多址TDMA、空分多址SDMA、码分多址CDMA②原因：同时观测多颗卫星，只有两个载频③区别：GPS导航定位中采用码分多址，GLONASS采用频分多址GlobalPositioningSystem14§4.2伪随机码扩频与相关接收三．码分多址2.什么叫码分多址①所谓码分多址，就是针对不同的GPS卫星，预先指定使用不同结构的伪随机码②特点：每颗卫星的伪噪声码不同，因此可以按卫星所用伪噪声码不同对卫星进行编号，即PRN编码GlobalPositioningSystem15§4.3C/A码与P码一．概述①测距码是用于测定卫星至接收机间的距离的二进制码。②GPS卫星采用两种测距码，即C/A码和P码，它们均属于伪随机码。③C/A码也称粗码，P码也称精码。各卫星所采用的测距码互不相同且互相正交GlobalPositioningSystem16§4.3C/A码与P码二．C/A码1.定义C/A码用于分址、搜捕卫星信号和粗测距，是具有一定抗干扰能力的明码，提供给民用2.产生C/A码是由两个10级移位寄存器相结合而产生的GlobalPositioningSystem17§4.3C/A码与P码二．C/A码3.基本特性①是GPS卫星的民用伪噪声码②码长1023bit，很短，易于捕获（捕获码）③码元宽度977.517nsec④时间周期1ms，1sec对应长度293Km⑤不同的卫星具有不同的C/A码⑥是L1载波的调制信号⑦测距误差2.93~29.3m，精度较低（粗码）GlobalPositioningSystem18§4.3C/A码与P码二．P码1.产生由两组各有两个12级反馈移位寄存器结合产生的。GlobalPositioningSystem19§4.3C/A码与P码二．P码2.基本特性①是GPS卫星的军用码②码元宽度为C/A码的1/10③时间周期266天9小时45分55.5秒④是L1L2载波的调制信号⑤不同的卫星具有不同的P码⑥测距误差0.29~2.93m，精度较高（精码）GlobalPositioningSystem20§4.4GPS卫星信号的构成一．卫星载波信号与调制1.GPS信号的组成①数据码（D码、导航电文编码）②测距码（C/A码和P码）③载波（L1和L2）所有这三种信号分量都是在一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生的。GlobalPositioningSystem21§4.4GPS卫星信号的构成一．卫星载波信号与调制1.GPS信号的组成基准频率10.23MHZC/A码1.023MHZP码10.23MHZL21227.60MHZL11575.42MHZP码10.23MHZ数据码D码50BPS数据码D码50BPS154120÷204600÷10GPS卫星信号示意图GlobalPositioningSystem22§4.4GPS卫星信号的构成一．卫星载波信号与调制2.两个载波频率①L1载波：频率1575.42MHz，波长19.03cm②L2载波：频率1227.60MHz，波长24.42cm③目的：使用两个载波频率发射是为了对电离层延迟进行双频改正GlobalPositioningSystem23§4.4GPS卫星信号的构成一．卫星载波信号与调制2.调制①调幅：载波振幅随调制信号的变化而变化②调频：载波频率随调制信号的变化而变化③调相：载波相位随调制信号的变化而变化GPS卫星的伪随机码是利用调相技术调制到载波上的（与+1相乘，相位不变；与-1相乘，相位改变180度）GlobalPositioningSystem24§4.4GPS卫星信号的构成一．卫星载波信号与调制2.调制GPS卫星天线发射的信号，是将导航电文经过两级调制后的信号。一级调制是将低频D码分别调制高频C/A码和P码，实现导航电文的伪随机码扩频；二级调制是将一级调制的组合码再分别调制在两个载波频率上。GlobalPositioningSystem25§4.4GPS卫星信号的构成二．卫星信号的解调重建载波由于在GPS信号中已用二进制相位调制的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因此接收到的卫星信号的相位已不再连续。所以在进行载波相位测量前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新恢复载波。这一工作称为重建载波。GlobalPositioningSystem26§4.5GPS卫星的导航电文一．导航电文及其格式1.定义①所谓导航电文，是指包含导航信息的数据码。②导航信息指的是：卫星星历、卫星工作状态、卫星历书、时间系统、星钟改正参数、轨道摄动改正参数、大气折射改正参数、遥测码以及由C/A码确定P码的交换码等。③它是用户利用GPS进行导航定位的数据基础GlobalPositioningSystem27§4.5GPS卫星的导航电文一．导航电文及其格式2.格式①导航电文是二进制编码文件，按规定格式组成数据侦，按侦向外播发。每侦电文1500bit，播送速度为每秒50bit，所以，一侦电文的传播时间是30秒。②每侦电文含有5个子侦，每个子侦含有5个字，每个字为30bit；所以每一子侦共含300bit，按上述比特率50bit/s速度播发，每幅子侦需播发6s。GlobalPositioningSystem28§4.5GPS卫星的导航电文二．导航电文内容1.遥测字①各子侦的第一个字，作为捕获导航电文的前导②作用：协助用户快速解译导航电文，判定卫星可用与否GlobalPositioningSystem29§4.5GPS卫星的导航电文二．导航电文内容2.交接字①各子侦的第二个字。向用户提供用于捕获P码的Z计数②作用：快速捕获到P码GlobalPositioningSystem30§4.5GPS卫星的导航电文二．导航电文内容3.第一数据块①WN——卫星时间计数器②调制码标识③URA——卫星测距精度④表示导航数据是否正常⑤TGD——电离层延迟改正参数⑥AODC——时钟数据龄期⑦toc——卫星时钟参数对应的参考时刻⑧卫星钟改正参数GlobalPositioningSystem31§4.5GPS卫星的导航电文二．导航电文内容4.第二数据块（核心部分，卫星星历）①开普勒六参数②轨道摄动九参数③时间两参数数据块包含了计算卫星运行位置的信息，GPS接收机根据这些参数可以进行实时的导航定位计算GlobalPositioningSystem32§4.5GPS卫星的导航电文二．导航电文内容5.第三数据块（历书数据）①1-24颗卫星的历书（概略星历）②卫星健康状况和GPS星期编号③识别符④25-32颗卫星的历书⑤反电子欺骗的特征符⑥电离层延时改正模型GlobalPositioningSystem33§4.6GPS接收机基本工作原理一．GPS接收机的分类1.定义GPS接收机是能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备。GlobalPositioningSystem34§4.6GPS接收机基本工作原理一．GPS接收机的分类2.接收机的分类①按用途分类：测地型、导航型、授时型②按所用载波频率多少分类：单频、双频③按接收机通道数分类：多通道接收机、序贯通道接收机、多路多用通道接收机④按工作原理分类：码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机GlobalPositioningSystem35§4.6GPS接收机基本工作原理一．GPS接收机的分类3.接收机通道①定义：跟踪、处理、量测卫星信号的部件；（一个时刻一颗卫星一个频率）②组成：是软硬件的结合体；③作用：主要用来跟踪、处理和量测卫星信号，获取工作所需的数据和信息。④分类：–按跟踪方式：序贯通道、多路复用通道、多通道–按工作原理：码相关型通道、平方型通道、码相位型通道GlobalPositioningSystem36§4.6GPS接收机基本工作原理二．GPS接收机的组成及工作原理1.组成①天线单元–带前置放大器（卫星信号十分微弱，需放大）–接收天线（有单极、微带、锥形，常用微带）②接收单元–信号通道