第三章-GPS的组成及信号结构

1第三章GPS的组成及信号结构2主要内容回顾GPS系统的组成§1.GPS卫星信号的构成§2.GPS卫星的测距码信号§3.GPS卫星的导航电文§4.GPS接收机基本工作原理3概述4GPS卫星测距原理概述测距原理卫星信号于“T”时刻发射GPS接收机于“T+Δt”收到信号站星距离=信号传播时间×光速ThereceiverusesitsinternalclockandthecodedinformationfromeachGPSsatellitetodeterminethetimeittookthesignalstoreachthereceiver.5GPS卫星测距原理概述测距原理GPS定位的基本测量，是观测站至GPS卫星的距离，它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟），或者测定卫星载波信号相位在该路径上变化的周数（相位延迟）来导出的。ρ=v•Δt卫星至观测站距离ρ=传播速度v×传播时间ΔtTwo-wayandone-wayranging6§1GPS卫星信号的构成7一、概述导航信号概述卫星导航信号是一种由导航卫星发送的，可供无数用户共享的空间信息资源。GPS信号是一种多调制波、多信号格式和多用途的无线电信号。8一、概述测距码信号关于GPS卫星信号GPS卫星所发播的信号，包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或称D码）等多种信号分量，而其中的P码和C/A码，统称为测距码。GPS卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题，虽然GPS的用户一般可以不去深入研究，但了解其基本概念，对理解GPS定位的原理仍是必要的。9一、概述测距码信号关于GPS卫星信号1、满足多用户系统的要求：GPS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播发的信号，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。这种单程测距系统，不仅有利于简化地面的接收设备，而且，凡具有接收设备的用户，都可以利用GPS进行定位。10一、概述测距码信号关于GPS卫星信号2、满足实时定位的要求：利用GPS导航或实时定位的基本原理，类似于经典测量中的后方距离交会，即在同一观测站上，必须同时观测数颗瞬时位置已知的卫星，以确定观测站至这些卫星的距离。GPS工作卫星的数量及分布，既保障了定位的全球性和连续性，同时还通过卫星发送的导航电文，给出了有关卫星瞬时位置的信息，这就满足了GPS用户连续实时定位的要求。11一、概述测距码信号关于GPS卫星信号3、满足高精度定位的需要：由于卫星信号穿过电离层时，将受到电离层的折射影响，因此，GPS卫星发射了具有两种频率的电磁波信号，以便应用双频观测技术计算电离层影响的改正，提高定位的精度。另外，GPS卫星发射的电磁波还具有较高的频率，这样既提高了计算电离层折射修正量的精度，同时也满足了用户通过测量电磁波的多普勒频移，进行高精度测速的要求。12一、概述测距码信号关于GPS卫星信号4、满足军事保密的要求：GPS是美国国防部门，主要为军事方面的需要，而建立的现代化导航系统，但为了兼顾民用部门的需要，卫星信号里包含两种测距码，即C/A码和P码。其中，C/A码精度较低，但码的结构是公开的，可供具有GPS接收设备的广大用户使用；而P码精度较高，是结构不公开的保密码，专供美国军方以及得到特许的用户使用。13一、概述导航信号概述GPS信号的特点：多调制波：包括D码、C/A码和P码三种码。多信号格式：D码是一种不归零的二进制码组成的编码脉冲串C/A码和P码均为伪随机噪声码载波是处于L波段的微波连续波多用途：可军用、可民用，也可作静态定位、动态测量，可以用来测量运动载体的七维状态参数，也可以用来测量载体的三维姿态参数。14二、卫星信号的结构导航信号卫星信号的结构前已指出，GPS卫星信号包含有三种信号分量，即载波、测距码和数据码。而所有这些信号分量，都是在同一个基本频率的控制下产生的。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）MHzf23.10015二、卫星信号的结构导航信号卫星信号的结构基准频率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16§2GPS卫星的测距码信号17一、码与码的产生测距码信号码与码的产生1、有关码的基本概念：在现代数字化通信中，广泛使用二进制数及其组合来表示各种信息。这些表达不同信息的二进制数及其组合，便称为码。在二进制中，一位二进制数叫做一个码元或一比特。比特（binarydigit-bit）意为二进制数，被取为码的度量单位。18一、码与码的产生测距码信号码与码的产生2、随机噪声码：码是用以表达某种信息的二进制数的集合,是一组二进制的数码序列。这一序列，又可以表达成以0和1为幅度的时间函数。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。19一、码与码的产生测距码信号码与码的产生随机码是一种非周期性序列，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卫星码测距的精度，是极其重要的。自相关性：一个信号和自己本身的不同时延的信号的相似程度20一、码与码的产生测距码信号码与码的产生3、伪随机噪声码及其产生：pseudorandomnoisecode,PRN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，简称伪随机码或伪码。21一、码与码的产生测距码信号码与码的产生伪随机码的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自相关性，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。22一、码与码的产生测距码信号码与码的产生23三、GPS的测距码测距码信号GPS的测距码GPS卫星采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属伪随机码。但因其构成的方式和规律更为复杂，故不详细介绍，仅了解其性质、特点及作用。24三、GPS的测距码测距码信号GPS的测距码1、C/A码：C/A码是一种用于识别卫星、测量距离和向民间用户传送导航电文的伪噪声码。特点：码长很短，易于捕获（通常C/A码也称为捕获码）码元宽度较大，精度较低（所以C/A码也称为粗码）25三、GPS的测距码测距码信号GPS的测距码2、P码：P码是由两个载波发送给GPS用户的另一个伪噪声码，是美国军方严格控制使用的保密军用码。特点：保密性高，是GPS卫星的军用码码长很长，难以捕获码元宽度为C/A码的1/10，可用于较精密的定位26三、GPS的测距码测距码信号GPS的测距码3、C/A码和P码的作用：①为用户传送导航电文。②用作测量GPS信号接收天线和GPS卫星之间距离的测距信号，以实现导航定位的实时解算。③用于识别来自不同GPS卫星而同时到达GPS信号接收天线的GPS信号。27载波作用•搭载其它调制信号•测距•测定多普勒频移类型•目前–L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cm–L2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm•现代化后–增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03cmL224.42cm28载波特点•所选择的频率有利于测定多普勒频移•所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响•选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟与信号的频率有关）29§3GPS卫星的导航电文30一、导航电文的定义导航电文导航电文的定义所谓导航电文，就是GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的运行轨道、卫星钟的改正参数、电离层延迟修正参数及卫星的工作状态等信息的二进制代码，也称数据码（D码）。导航电文是利用GPS进行定位的数据基础。31二、导航电文的结构导航电文导航电文的结构导航电文基本构成（导航电文的内容包括5部分）：•遥测码（TLW）•转换码（HOW）•第一数据块•第二数据块•第三数据块导航电文的格式是：主帧、子帧、字码和页码。每主帧电文长度为1500bit，播送速率为50bit/s，所以发播一帧电文需要30s时间。32四、导航电文的结构导航电文导航电文的结构1遥测码每个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导。2转换码每个子帧的第二个字码是转换码，它的主要作用是帮助用户从捕获的C/A码转换到P码的捕获。33四、导航电文的结构导航电文导航电文的结构3第一数据块第一子帧的第3~10个字码为第一数据块。它的主要内容是：（1）标识码，指明载波L2的调制波类型(“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码)、星期序号(WN–GPS周)、卫星的健康状况等；（2）数据龄期(AODC)；（3）卫星时钟改正系数。34四、导航电文的结构导航电文导航电文的结构4第二数据块第二和第三子帧共同构成第二数据块，它表示GPS卫星的星历。这是GPS定位中最有用的电文。第2、3子帧的第3~10个字星历参数开普勒轨道根数（6个）轨道摄动参数（9个）星历参考时刻toe星历龄期IODE35四、导航电文的结构导航电文导航电文的结构5第三数据块第4、5子帧的第3~10个字内容：所有卫星历书（概略星历）卫星健康状态GPS时间与UTC之间的关系的参数电离层改正参数第三数据块的内容每12.5分钟重复一次36§4GPS接收机基本工作原理37一、GPS接收机及其分类GPS接收机GPS接收机及其分类前面已经介绍过，GPS主要包括空间卫星星座、地面监控站和用户接收设备三大部分。在用户接收设备中，接收机是用户利用GPS进行测量和导航的关键设备。38一、GPS接收机及其分类GPS接收机GPS接收机及其分类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。天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源39一、GPS接收机及其分类GPS接收机GPS接收机及其分类GPS信号接收机可以分为下列类型：1.按用途分类（1）测地型接收机：厘米级精度，测后数据处理（2）导航型接收机：米级精度，实时数据处理（3）授时型接收机：专用于时间测定和频率控制40一、GPS接收机及其分类GPS接收机GPS接收机及其分类GPS信号接收机可以分为下列类型：2.按所用载波频率多少分类（1）单频接收机：仅使用第一载波及其调制波（2）双频接收机：同时使用两个载波及其调制波41一、GPS接收机及其分类GPS接收机GPS接收机及其分类GPS信号接收机可以分为下列类型：3.按接收机通道数分类（1）多通道接收机（2）序贯通道接收机（3）多路复用通道接收机42一、GPS接收机及其分类GPS接收机GPS接收机及其分类GPS信号接收机可以分为下列类型：4.按工作原理分类（1）码相关型接收机（2）平方型接收机（3）混合型接收机（4）干涉型接收机43二、GPS接收机基本结构GPS接收机GPS接收机基本结构天线前置放大器信号处理器微处理器振荡器控制、显示及存储设备电源天线（含前置放大器）信号处理器微处理器显示、控制及存储设备振荡器电源44三、接收机的通道GPS接收机接收机的通道是GPS卫星信号经由天线进入接收机的路径；是软硬件的结合体；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。45四、GPS接收机的天线GPS接收机GPS接收机的天线1、作用：•接收来自卫星的信号•放大•经（频率变换）•用于（跟踪、处理、量测）46四、GPS接收机的天线GPS接收机GPS接收机的天线2、天线的相位中心：天线的几何中心与相位中心-几何中心-相位中心-相位中心偏差天线相位中心的变化-