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1、第四章第四章第四章第四章 GPSGPS卫星信号卫星信号卫星信号卫星信号引言引言 GPS信号概述信号概述GPS信号信号卫星向卫星向广袤用户发送的用于广袤用户发送的用于导航定位的调制波导航定位的调制波2信号的成分信号的成分u考虑三个方面：1、为了供应卫星的瞬时位置导航电文 数据码：D码2、为了保密通信，提高信号的抗干扰实力；以及不同的卫星的区分选择和精密测距伪随机码 测距码：C/A码，P码3、为了信号的传播将扩频后的编码脉冲对L波段的两个载波进行调制后放射 载波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ)3OutlineuGPS信号信号GPSGPS的导航电文的导航电文GPSGPS的伪
2、随机噪声码的伪随机噪声码GPSGPS载波信号载波信号uGPS信号的调制信号的调制uGPS信号接收机信号接收机4第一节第一节 导航电文导航电文u导航电文的概念导航电文的概念u导航电文的格式导航电文的格式u导航电文的内容导航电文的内容P345一、导航电文一、导航电文u导航电文导航电文卫星通过无线电信号向地面发卫星通过无线电信号向地面发播的电文，是用户用来定位和导航的数据基础，播的电文，是用户用来定位和导航的数据基础，即一组数据码。即一组数据码。6二、导航电文的播发格式二、导航电文的播发格式7三、导航电文的播发内容三、导航电文的播发内容u卫星的星历卫星的星历u卫星的工作状态卫星的工作状态u卫星的时钟
3、改正卫星的时钟改正u电离层时延改正电离层时延改正uC/A码捕获码捕获P码码u其它卫星的星历其它卫星的星历8播发内容播发内容子桢号子桢号1个字桢个字桢6秒长，秒长，10个字，每个字个字，每个字30bit1桢桢30秒秒，1500bit91 1、遥测码、遥测码 TLM-Telemetry wordTLM-Telemetry wordu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第第18bit18bit为同步码（为同步码（1000100110001001），为各子帧），为各子帧供应了一个同步起点，运用户便于解码供应了一个同步起点，运用户便于解码第第922bit922bit为遥测电文，包
4、括地面监控系统为遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息，注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息，以此指示用户是否选用该卫星。以此指示用户是否选用该卫星。第第2323、24bit24bit无意义，无意义，第第2530bit2530bit为奇偶检验码。为奇偶检验码。102 2、转换码转换码 HOW-Hand over wordHOW-Hand over wordu转换码转换码向用户供应用于捕获向用户供应用于捕获P P码的码的Z Z计数计数uZ Z计数计数它表示从每星期六它表示从每星期六/星期日午夜零时起先播星期日午夜零时起先播发的发的D D码的子桢数。知道码的子桢数。
5、知道Z Z计数，就知道观测时刻计数，就知道观测时刻P P码在周码在周期中的精确位置，以此较快地捕获期中的精确位置，以此较快地捕获P P码码第117bit表示Z计数，第18bit表明卫星注入电文后是否发生滚动动量矩缺载现象。第19bit用于指示数据帧的时间是否与PN1(t)钟信号同步。第2022bit是子帧识别标记。第23、24bit无意义。第2530bit为奇偶检验码。113 3、第一数据块第一数据块 第一子帧的第第一子帧的第3-103-10个字码为第一数据块。它的个字码为第一数据块。它的主要内容是：主要内容是：(1)(1)大气传播大气传播时延改正值时延改正值T Tgdgd；(2)(2)星期序
6、号星期序号WNWN，GPSGPS星期数星期数;(3)(3)卫星卫星时钟改正时钟改正系数系数(4)(4)数据龄期数据龄期AODCAODC，时钟改正数的外推时间间隔时钟改正数的外推时间间隔；124 4、其次数据块、其次数据块 其次和第三子帧共同构成其次数据块，它表示GPS卫星的星历。(1)开普勒6参数 (2)轨道摄动9参数 (3)时间2参数 星历参考时刻 星历数据龄期135 5、第三数据块、第三数据块u第三数据块是由第第三数据块是由第4 4和第和第5 5两个子帧构成的，两个子帧构成的，它供应它供应GPSGPS卫星的历书数据。卫星的历书数据。u当接收机捕获得某颗卫星后，利用第三数当接收机捕获得某颗卫
7、星后，利用第三数据块供应其它卫星的概略星历、时钟改正、据块供应其它卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星工作状态等数据。码分地址和卫星工作状态等数据。u用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，而且还可依据所在的位置，选择最佳星星，而且还可依据所在的位置，选择最佳星座，依据已知的卫星座，依据已知的卫星PRNPRN号进行设置，以快号进行设置，以快速捕获和定位速捕获和定位14四、用户接收到的导航文件四、用户接收到的导航文件uGPS接收机对导航电文进行解码，输出；接收机对导航电文进行解码，输出；u可以通过随机软件将输出的接收机文件转可以通过随机软件将输出的接收机文
8、件转换成换成ASCIIASCII格式的通用格式的格式的通用格式的RINEX文件文件uReceiver Independent Exchange format(RINEX)ftp:/igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex2.txtu文件名称格式：文件名称格式：4-charDay of yearSession.yyn e.g.brdc0120.02n15RINEXRINEX标准标准16四、卫星位置的计算（四、卫星位置的计算（4.34.3）计算卫星运计算卫星运动的平均角动的平均角速度速度观测时刻与观测时刻与参考时刻之参考时刻之差差平近点角的平近点角的计算
9、计算偏近点角的偏近点角的计算计算真近点角的真近点角的计算计算升交距角升交距角（升交点（升交点卫星）卫星）轨道参数的轨道参数的摄动改正摄动改正轨道平面坐轨道平面坐标系上的坐标系上的坐标标卫星在瞬时卫星在瞬时地球坐标系地球坐标系的坐标的坐标升交点经度升交点经度升交距角、升交距角、地心向量、地心向量、轨道倾角轨道倾角P4017卫星位置卫星位置近地点近地点i卫星卫星yxz升交点升交点春分点春分点轨道轨道赤道赤道 sfs计算卫星运行计算卫星运行的平均角速度的平均角速度n开普勒参数表开普勒参数表示的卫星位置示的卫星位置卫星在轨道平面坐标卫星在轨道平面坐标系上的位置系上的位置地球坐标系的坐标地球坐标系的坐标
10、协议地球坐标系协议地球坐标系18其次节其次节 GPS的信号（的信号（4.2.2）P37uGPS信号信号GPSGPS的伪随机噪声码的伪随机噪声码测距测距GPSGPS载波信号载波信号uGPS信号的调制信号的调制19一、一、GPSGPS的测距码的测距码u什么是伪随机噪声码什么是伪随机噪声码u伪随机噪声码的产生伪随机噪声码的产生u伪随机噪声码测距伪随机噪声码测距uGPS的测距码的测距码201、伪随机噪声码、伪随机噪声码u伪随机噪声码伪随机噪声码PRN码码 Pseudo Random Noice Codeu什么是伪随机噪声码什么是伪随机噪声码u以预先确定并可重复产生和复制，具有白噪声统计特性的二进以预先
11、确定并可重复产生和复制，具有白噪声统计特性的二进制码，有确定周期的，取值制码，有确定周期的，取值0或或1的二进制序列的二进制序列u为什么用它测距？为什么用它测距？u仙农仙农“噪声通信理论噪声通信理论”：可实现低信噪比的接收，可实现码分：可实现低信噪比的接收，可实现码分多址通信，具有良好的保密特性多址通信，具有良好的保密特性212、伪随机噪声码的产生、伪随机噪声码的产生uGPS产生伪随机码的方式：产生伪随机码的方式：m序列发生器序列发生器-多级线性移位反馈寄存器多级线性移位反馈寄存器模二相加模二相加a2a1 a0置置1脉冲脉冲钟脉冲钟脉冲 a3反馈序列反馈序列输出序列输出序列例：例：22M序列的
12、特点：统计特性序列的特点：统计特性统计特性统计特性u“1”出现的次数比出现的次数比“0”出现的次数出现的次数多一多一 “0”“1”u移位相加特性移位相加特性 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 23M序列的特点：相关特性序列的特点：相关特性u相关函数：描述两个序列的相像性程度相关函数：描述两个序列的相像性程度连续连续离散离散u通用计算方法通用计算方法 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 24相关特性的应用相关特性的应用253、伪
13、随机噪声码测距、伪随机噪声码测距u原理原理利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测卫星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测值值ReceiverSatelliteTime deference26GPS测距测距t时刻时刻 tt+t时刻时刻27GPS测距测距284、GPS的测距码的测距码GPS的测距码的测距码粗测码粗测码C/A码码精测码精测码P码码C/AP29(1)、粗测码、粗测码uC/A码：由两个十级
14、反馈移位寄存器产生码：由两个十级反馈移位寄存器产生uC/A码的特性码的特性 长度周期：长度周期：码元长度：码元长度：时间周期：时间周期：频率：频率：uC/A码的特点码的特点u 易于搜寻和捕获；易于搜寻和捕获；u 码长约为码长约为300kmu 一个码长一个码长293m，测量（比对）精度，测量（比对）精度1%10%30(2)、精测码、精测码uP码的特性码的特性 长度周期：长度周期：码元长度：码元长度：时间周期：时间周期：频率：频率：uP码的特点码的特点 周期长，码率高，不易于捕获；周期长，码率高，不易于捕获；易于保密，难于破译；易于保密，难于破译；AS政策政策:P+W=Y 一个码长一个码长29.3
15、m，测量（比对）精度测量（比对）精度1%10%31思索与探讨思索与探讨u用测距码测距，就像用一个与对应码用测距码测距，就像用一个与对应码长长度相等的尺子丈量卫地距离？长长度相等的尺子丈量卫地距离？u测量的精度与单个码元长度相关，就测量的精度与单个码元长度相关，就像尺子的最小刻度影响估读精度？像尺子的最小刻度影响估读精度？32二二 GPS的载波信号的载波信号电磁波的基本概电磁波的基本概念念GPS的载波信号的载波信号331、电磁波传播的基本概念、电磁波传播的基本概念电磁波是一种随时间t变更的正弦或余弦波。设电磁波初相角为0，角频率，振幅为Ae，则电磁波的数学表达式为 y=Aesin(t+0)0 t
16、+0t0t1y=Aesin(t+0)Ae补充学问补充学问ty341）电磁波参数的关系）电磁波参数的关系 设电磁波的频率为f，周期为T，相位为，当t=0时有初相位0，角频率，有如下关系：=2f；f=1/T，=t/T+0352）电磁波的传播）电磁波的传播v假设电磁波在真空中的传播速度为cvac，则有 v v cvac=vacf=vac/Tv在卫星大地测量中，国际上当前接受的真空光速为：v v c=2.99782458108(m/s)。363）信号的折射）信号的折射v实际的电磁波传播是在大气介质中，若干大气层可能变更电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。v电磁波在大气中的传播速度可以用
17、折射率n来表示，n=c/v。折射率与大气的组成和结构亲密相关，其实际值接近于1。Satellite OrbitIonosphereTroposphere5020020000kmkmkm372、GPS的载波信号的载波信号L1载波载波 频率：频率：1572.42MHZ 波长：波长：19cmL2载波载波 频率：频率：1227.6MHZ 波长：波长：24cm38三三 GPS信号的构成信号的构成信号的生成信号的生成信号的调制信号的调制信号的特点信号的特点P36391、信号的生成、信号的生成402、GPS信号的调制信号的调制X伪随机噪声码导航电文(50 Hz)X载波调制调制调制调制二二级级调调制制41数据
18、码和测距码的调制数据码和测距码的调制42码和载波的调制码和载波的调制The Cbined withThe PRN code.produces theModulated carrier signal which is transmitted.demodulated.43GPS Signal EncodingP3744L1L1上调制的信号上调制的信号L1 Carrier Wave 1575.42MHzC/A Code 1.023 MHzNavigation Message50HzPrecise Code 10.23 MHz45L2L2上调制的信号上调制的信号L2 Carrier Wave 1227
19、.6MHzNavigation Message50 HzPrecise Code10.23 MHz46GPS信号结构信号结构473、信号的特点、信号的特点u载波频率选用载波频率选用L频段的两个频率，受频段的两个频率，受电离层影响小，并可测定电离层延迟；电离层影响小，并可测定电离层延迟；u利用伪随机噪声码测距技术，具有良利用伪随机噪声码测距技术，具有良好的抗干扰性；好的抗干扰性；u接受二级调制技术，把发送低码率的接受二级调制技术，把发送低码率的D码转换成发送复合码，既节约了卫星码转换成发送复合码，既节约了卫星的电能，有增加抗干扰性和保密性；的电能，有增加抗干扰性和保密性；48第四节第四节 GPS
20、接收机接收机uGPS接收机接收机接收接收GPS卫星放射的信号，卫星放射的信号，并进行处理和量测，以获得导航电文和必要并进行处理和量测，以获得导航电文和必要的观测量的观测量p4349一、接收机的基本工作原理一、接收机的基本工作原理50二、接收机的分类二、接收机的分类u依据接收机的工作原理依据接收机的工作原理u依据接收机信号通道的类型依据接收机信号通道的类型u依据接收机的卫星信号频率依据接收机的卫星信号频率u依据接收机的用途依据接收机的用途511、依据接收机的工作原理、依据接收机的工作原理u码相关型接收机码相关型接收机能够产生于所测卫星的测能够产生于所测卫星的测距码，结构完全相同的复制码，工作中通
21、过逐步距码，结构完全相同的复制码，工作中通过逐步相移，是接收码与复制码达到最大相关；相移，是接收码与复制码达到最大相关；u平方型接收机平方型接收机利用载波信号的平方技术去利用载波信号的平方技术去掉调制码，从而获得载波相位测量所必需的载波掉调制码，从而获得载波相位测量所必需的载波信号；信号；u混合型接收机混合型接收机综合利用上述方法，同时获综合利用上述方法，同时获得码相位和精密的载波相位观测值；得码相位和精密的载波相位观测值；52信号的解调信号的解调模二和算法:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0Bit shifts aligned532、依据接收机信号通道的类型、依据接收机信号通道的
22、类型u接收机的信号通道接收机的信号通道GPS卫星放射的信卫星放射的信号，经由天线进入接收机的路径。号，经由天线进入接收机的路径。多通道接收机多通道接收机序贯穿道接收机序贯穿道接收机多路复用接收机多路复用接收机543、依据接收卫星信号频率、依据接收卫星信号频率u单频接收机单频接收机u双频接收机双频接收机思索：单频接收机能接收到那些信号？双频接收机呢？554、依据接收机的用途、依据接收机的用途u导航型导航型u测量型测量型u授时型授时型思索：导航型接收机能接收到那些信号？测量型接收机呢？56课堂练习课堂练习1、GPS信号包括那些内容？，各类信号包括那些内容？，各类信号的作用和特点是什么？信号的作用和特点是什么？2、GPS定位的距离测量和电磁波测定位的距离测量和电磁波测距仪的距离测量有什么区分？各自的距仪的距离测量有什么区分？各自的特点是什么？特点是什么？57