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单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版标题样式,第,4,章,GPS,卫星信号,黄海军,中国地质大学（武汉）测绘工程系,第4章 GPS卫星信号黄海军,2,GPS,卫星信号的组成,1,2GPS卫星信号的组成1,3,4.1.1,关于,GPS,卫星信号,GPS,卫星发射的三类信号,载波信号 （,Carrier Phase,）,L1,L2,测距码,(,Ranging Code,),P,码（或,Y,码）,(,Precise code,),分别被调制在,L1,和,L2,上,C/A,码,(,Coarse/Acquisition code,),被调制在,L1,上,卫星的导航电文,(,Navigation Message/Data Message,),GPS,卫星信号的生成,关键设备,原子钟,34.1.1 关于GPS卫星信号GPS卫星发射的三类信号,4.1.2 GPS,卫星信号结构,4,4.1.2 GPS卫星信号结构4,由卫星上的原子钟直接产生,频率为,10.23MHz,卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或者分频,4.1.3 GPS,卫星的基准频率,f,0,5,由卫星上的原子钟直接产生4.1.3 GPS卫星的基准频率f0,4.1.4,载波,6,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,f,0,=1575.43MHz,；波长：,19.03cm,L2,频率：,120,f,0,=1227.60MHz,；波长：,24.42cm,现代化后,增加,L5,频率：,115,f,0,=1176.45MHz,；波长：,25.48cm,4.1.4载波 6作用,4.1.4,载波,7,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）,4.1.4 载波7特点,8,GPS,的测距码信号,2,8GPS的测距码信号2,4.2.1,伪随机噪声码,-,码的基本概念,9,码（,code,）,:,表达不同信息的二进制数组合。,编码（,coding,）,：将文字，图像、声音等信息，按照一定规则，表示为二进制数组合的过程。通过编码可以将各种信息转变为相应的文本、栅格图像、矢量图形、音频、视频等具有固定格式，便于存储、编辑、传播和显示输出的数字信息集合。,一个比特（,bit,）或一个码元,：一位二进制数。,比特率：,在信息传播的过程中，每秒传输的比特数。单位,bit/s,，或者用,BPS,（,Bit Per Second,）表示。,比特,和,比特率,都是码的基本单位。,4.2.1 伪随机噪声码-码的基本概念9码（code）:表达,4,.2.,2,随机噪声码,码是一组二进制的数码序列，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，称为,随机码,（,Random Noice,）序列（或,随机噪声码,序列）,不可复制的,非周期性序列,具有良好的自相关性：相关性的好坏，对提高利用,GPS,卫星码信号测距精度，极其重要,10,4.2.2 随机噪声码码是一组二进制的数码序列，可以表达,11,4.2.3,随机噪声码的自相关性,将随机序列,u(t),平移,k,个码元，得到一个新的随机序列,u(t),，如果两随机序列,u(t),和,u(t),所对应的码元中，相同的码元数（同为,0,或,1,）为,A,u,，相异的码元数为,B,u,，则随机序列,u(t),的自相关系数,R(t),定义为：,当平移的码元数,k=0,，说明两个结构相同的随机码序列，相应的码元相互对齐,Bu=0,，自相关系数,R(t)=1,。,当,k0,时，由于码序列的随机性，当序列中码元数充分大时，则,AuBu,，即自相关系数,R(t)0,。,根据码序列,自相关系数的取值,，可以判断两个随机码序列的相应码元是否对齐。,114.2.3 随机噪声码的自相关性将随机序列u(t)平移,12,4.2.3,随机噪声码的自相关性,假设,GPS,卫星发射的是一个随机码序列,u(t),，而,GPS,接收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列,u(t),，则由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的,u(t),与,u(t),之间产生了平移，即,相应的码元错开,，因而,R(t)0,如果通过一个时间延迟器来调整,u(t),，使之与,u(t),的码元,相互完全对齐,，即有,R(t)=1,则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而准确测定,GPS,卫星到测站的距离,随机序列相关性的好坏，对提高利用,GPS,卫星码信号测距精度，非常重要,124.2.3 随机噪声码的自相关性假设GPS卫星发射的是,13,4.2.4,伪随机噪声码及其产生,尽管,随机码,具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中,无法复制和利用,GPS,采用了一种,伪随机噪声码,（,Pseudo Random Noise-PRN,）简称,伪随机码或伪码,，特点是：,具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。,伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。,移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有,0,或,1,两种状态。,移位寄存器的控制脉冲有两个：,钟脉冲,和,置,1,脉冲,。,移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置,1,脉冲的作用下而工作的,134.2.4 伪随机噪声码及其产生尽管随机码具有良好的自,4.2.4,伪随机噪声码及其产生,14,四级反馈移位寄存器,4.2.4伪随机噪声码及其产生14四级反馈移位寄存器,状态编号,各存储单元状态,模二相加,输出码元,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,1 1 1 1,1 1 1 0,1 1 0 0,1 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 1 0 0,1 0 0 1,0 0 1 1,0 1 1 0,1 1 0 1,1 0 1 0,0 1 0 1,1 0 1 1,0 1 1 1,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,4.2.4,伪随机噪声码及其产生,状态编号各存储单元状态模二相加输出码元11 1 1,4.2.4,伪随机码及其产生,码序列的产生也可以选择其它的反馈方式，以上介绍的是的反馈方式，还可以是等其他方式。一般说来，对于一个,r,级反馈移位寄存器来说，它可能经历的状态有,N,u,是码序列的长度，如果每个钟脉冲的时间周期为,t,u,该码序列的最大周期为：,以上例子,r,4,，属于周期较短的伪码。在,GPS,测距中，为了保证测量精度还需要周期更长，结构更复杂的伪随机噪声码。,2024/11/24,16,4.2.4 伪随机码及其产生码序列的产生也可以选择其它的反,GPS,卫星所采用的两种测距码，即,C/A,码和,P,码（或,Y,码），均属于,伪随机码,。,C/A,码,：是由两个,10,级反馈移位寄存器组合产生,码长,N,u,=2,10,-1=,1023,比特,码元宽为,t,u,=1/f,1,=0.97752,s,（,f,1,为基准频率,f,0,的,1/10,，,1.023 MHz,）,相应的距离为,293.05m,周期为,T,u,=,N,u,t,u,=1ms,，数码率为,1.023Mbit/s,。,C/A,码的码长短，共,1023,个码元，若以每秒,50,码元的速度搜索，只需,20.5s,，易于捕获，称,捕获码,。,码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为,1/100,，则相应的测距误差为,2.9m,。由于精度低，又称,粗码,4.2.5,C/A,码,（,Coarse/Acquisition Code,）,17,GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均,P,码,P,码产生的原理与,C/A,码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由,12,级反馈移位寄存器构成。,码长,N,u,2.3510,14,比特,码元宽,t,u,=1/f,0,=0.097752,s,相应的距离,29.3m,。周期,T,u,=,N,u,t,u,267d,数码率,10.23Mbit/s,被调制在,L1,和,L2,上,4.2.6 P,码,（,Precise Code,）,18,P码4.2.6 P码（Precise Code）18,P,码,P,码的周期长，,267,天，实际应用时,P,码的周期被分成,38,部分，（每一部分为,7,天，码长约,6.19,10,12,bit,）,其中,1,部分闲置，,5,部分给地面监控站使用，,32,部分分配给不同卫星，每颗卫星使用,P,码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。,码分多址,P,码的捕获一般是先捕获,C/A,码，再根据导航电文信息，捕获,P,码。由于,P,码的码元宽度为,C/A,码的,1/10,，若取码元对齐精度仍为码元宽度的,1/100,，则相应的距离误差为,0.29m,，故,P,码称为,精码,。,4.2.6 P,码,（,Precise Code,）,19,P码4.2.6 P码（Precise Code）19,20,GPS,卫星的导航电文,3,20GPS卫星的导航电文 3,导航电文是包含有关卫星的星历、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,P,码等导航信息的数据码（或,D,码）。,导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有,1500,比特，播送速度,50bit/s,，每帧播送时间,30s,。,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,30s,6s,0.02s,0.6s,25,页,10,个字,30,比特,4.3.1,导航电文及其格式,21,导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟,每帧导航电文含,5,个子帧，每个子帧分别含有,10,个字，每个字,30,比特，故每个子帧共,300,比特，播发时间,6s,。为记载多达,25,颗卫星，子帧,4,、,5,各含有,25,页。,子帧,1,、,2,、,3,和子帧,4,、,5,的每一页构成一个主帧。主帧中,1,、,2,、,3,的内容每小时更新一次，,4,、,5,的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,30s,6s,0.02s,0.6s,25,页,10,个字,30,比特,4.3.1,导航电文及其格式,22,每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,30s,6s,0.02s,0.6s,25,页,10,个字,30,比特,4.3.1,导航电文及其格式,23,123451234567891030s6s0.02s0.6s,TLM,HOW,数据块,1,时钟修正参数,TLM,HOW,数据块,2,星历表,TLM,HOW,数据块,2,星历表继续,TLM,HOW,数据块,3,卫星历书等,TLM,HOW,数据块,3,卫星历书等,1,2,3,4,5,一个子帧,6s,长，,10,个字，每字,30,比特,1,帧,30s,1500,比特,4.3.2,导航电文的内容,24,TLMHOW数据块1时钟修正参数TLMHOW数据块2星历,（,1,）遥测字（,TLMTelemetry WORD,）,位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。,（,2,）交接字（,HOWHand Over Word,）,紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获,P,码的,Z,记数。所
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