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第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号 中国矿业大学环境与测绘学院 王坚 本章需学习的内容 4 1GPS卫星导航电文 指卫星星历 时钟改正 转换码等 4 2GPS卫星信号 指测距用伪随机码信号及载波信号 4 3卫星位置的计算 由导航电文计算观测时刻卫星的地球坐标系坐标 4 4GPS接收机基本工作原理 4 1GPS卫星的导航电文 GPS卫星的导航电文 简称卫星电文又叫数据码 D码 是用户用来定位和导航的数据基础 它主要包括 卫星星历 时钟改正 电离层时延码转换到捕获P码的信息 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 4 1GPS卫星的导航电文 4 1 1遥测码 TLW 即TelemetryWord 遥测码位于各子帧的开头 它用来表明卫星注入数据的状态 以次指示用户是否选用该颗卫星 4 1 2转换码 HOW 即HandOverWord 转换码位于每个子帧的第二个字码 其作用是提供帮助用户从所捕获的C A码转换到捕获P码的Z计数 它表示从每星期天零时到星期六24小时 P码子码X1的周期 1 5秒 重复数 4 1 3第一数据块第一数据块位于第1子帧的第3 10字码 它的主要内容包括 标识码 时延差改正 星期序号 卫星健康状况 数据龄期 卫星时钟改正系数等 1 时延差改正时延差改正就是载波L1 L2的电离层时延差 当使用单频接收机时 为了减小电离层的影响 提高定位精度 要用改正观测结果 双频接收机可通过L1 L2两频率的组合来消除电离层的影响 不需要此项改正 2 数据龄期AODC卫星时钟的数据龄期AODC是时钟改正数的外推时间间隔 它指明卫星时钟改正数的置信度 AODC Toc tl 4 1 式中 toc为第一数据块的参考时刻 tl是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间 3 星期序号WNWN表示从1980年1月6日子夜零点 UTC 起算的星期数 即GPS星期数 4 卫星时钟改正GPS时间系统是以地面主控站的主原子钟为基准 由于主控站主钟的不稳定性 使得GPS时间和UTC时间之间存在着差值 地面监控系统通过临测确定出这种差值 并用导航电文播发给广大用户 每一颗GPS卫星的时钟相对GPS时系存在着差值 需加以改正 这是卫星时钟改正 ts a0 a1 t toc a2 t toc 2 4 1 4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运动位置的信息 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 1 开普勒六参数这6个参数为 e i0 0 M02 轨道摄动九参数这9个参数为 n Cuc Cus Crc Crs Cic Cis 其含义同3 4 3 时间二参数 1 从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe 2 星历表的数据龄期AODE 有 AODE toe t1式中t1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 4 1 5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 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 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 2 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 GPS卫星信号的产生 GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波 它包含有 载波 测距码和数据码 时钟基本频率为10 23MHz GPS信号的产生 如图4 3所示 GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波 其载波处于L 22cm 波段 其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码 GPS卫星向广大用户发送的导航电文称为数据码 其码的码率f 50HZ 怎样才能有效将低码率的导航电文发送给用户这是关系到GPS系统成败与否的大问题 一种有效的发送方法是 用低码率的数据码作二级调制 扩频 第一级 用50Hz的D码调制一个伪噪声码 如调制一个被叫做P码的伪噪声码 后者的码率高达10 23MHZ D码调制P码的结果是形成一个组合码 致使D码信号的频带宽度从50Hz扩展到了10 23MHZ 也就是说 GPS卫星原拟发送50bit s的D码 转变为发送10 23Mbit s的组合码P t D t 4 2GPS卫星信号 GPS卫星信号的产生 在D码调制伪噪声码以后 再用它们的组合码去调制L波段的载波 实现D码的第二级调制 从而形成向用户发送的已调波 每颗GPS卫星向用户发送两种巳调波 为了叙述方便 分别将两者称为第一和第二GPS卫星射电信号 总称为GPS信号 4 2GPS卫星信号 GPS卫星信号的产生 基准频率10 23MHZ L11575 42MHZ C A码1 023MHZ P码10 23MHZ L21227 60MHZ P码10 23MHZ 10 154 120 50比特 S 卫星信息电文 D码 每颗卫星都发射一系列无线电信号 基准频率 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 4 2GPS卫星信号 卫星信号的频率 基本频率 f0 10 23MHz载波相位L1 154f0 1575 42MHz载波相位L2 120f0 1227 60MHzPCode f0 10 23MHzC ACode f0 10 1 023MHz导航信息 f0 204600 50Hz 4 2GPS卫星信号 4 2GPS卫星信号 GPS卫星信号 调制波 含载波 L1 1575 42MHz L2 1227 6MHz 测距码 C A P 数据码 伪随机码PRN 波形图与信号结构见右图 测距码调制方式 相位调制 GPS信号结构 L1上S t ApP t D t cos t 1 AcC t D t sin t 2 L2上S t BpP t D t cos t 2 Ap Bp Ac分别为 P码与C A码的振幅 D t 为数据码 伪随机噪声码的相位调制 伪随机噪声码的产生及特性 伪随机噪声码又叫伪随机码或者伪噪声码 简称 PRN 是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串 他不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特性 而且具有某种确定的编码规则 GPS信号中使用了伪随机码技术 识别和分离各颗卫星信号 并提供无模糊度的测距数据 伪随机噪声码的产生方式很多 GPS技术采用m序列 即产生于最长线性反馈移位寄存器 4 2GPS卫星信号 伪随机码的产生 M序列线性反馈移位寄存器 M序列的特性 1 均衡性 一周中1与0基本相等 1比0多1个 不允许全0 2 游程分布 相同码元连在一起为一游程 左图4级M序列为8个游程 长度为1的4个 长度为2的2个 长度为3的1个 长度4的1个 3 移位相加特性 一个M序列与其移位后另一M序列相加仍是M序列 4级M序列的周期m 154 自相关特性 R A D A D A D m 1或 1 m5 伪噪声特性 M序列为伪随机码或人工复制噪声码 a3 a2 a1 a0 初始10001100111011110111 4级M序列的产生方框图输出M序列 000111101011001 输出 m序列伪随机噪声码的自相关特性 对齐时 000111101011001未对齐时 000111101011001000111101011001100011110101100A 15 D 0 R A D m 1A 7 D 8 R A D m 1 15 C A码与P y 码 C A码 粗测距码 周期为1ms的两个m序列G1 t 和G2 t 模2相加 序列相乘 得C A t G1 t G2 t it0 采用不同的it0值 可产生1023个G2 t 每颗卫星选择一个C A t 每个接收机同时具有所有卫星的C A t 这些C A码具有相同的码长N 1023bit 相同的周期Tu Ntu 1ms 相同的码元宽tu 1 f 0 98 s 293 1m P y 码 精测距码 由两个伪随机码PN1 t 和PN2 t 相乘组成 码长为2 35E14 周期为267天 码元宽度0 098 s P t PN1 t PN2 t ni ni取0 36不同的数值 可得到37种P码 实际应用中P码采用7天的周期 每周六午夜零点P码置全1状态为起始点 GPS广播星历中用于卫星轨道计算的参数 1个参考时刻 6个轨道参数 9个受摄动影响的参数 参考时刻toe 又叫预报时刻 以星期日零点为起点 星历表数据量AODE toe tl 星钟数据量AODC toc tlGPD 周数 Tgd 时延差改正 ao a1 a2钟差参数 6个轨道参数 Mo e a io o 对应toe 9个摄动参数 n d dt di dt Cuc Cus Crc Crs Cic Cis 星期日0h 定轨观测最后时刻tl 星历预报toe AODE 星钟预报toc AODC 观测时刻t 4 3GPS卫星的坐标计算 根据开普勒轨道参数 可计算卫星在不同坐标系中的瞬时坐标 而在实际工作中 由于轨道摄动的影响 具体计算方法有所不同 本节介绍在协议地球坐标系中GPS卫星位置的计算步骤 1 计算真近点角Vk计算平均角速度加上导航电文给出的摄动改正数得卫星运行的平均角速度为 4 3GPS卫星的坐标计算 计算归化时间首先对观测时刻做卫星钟差改正然后将改正后观测时刻t归化到GPS时间系统中 为观测时刻与广播星历之间时间间隔 注意不同 计算观测时刻t的平近点角Mk和偏近点角Ek计算观测时刻的真近点角Vk 与Ek唯一对应 2 计算升交距角及轨道摄动改正项 升交距角 摄动改正项3 计算升交距角 卫星的地心距离及轨道倾角 4 计算卫星在轨道坐标系中的坐标 x y z 这里的X轴指向了升交点 5 计算升交点的经度6 计算在地固坐标系中的空间直角坐标 7 计算在协议地球坐标系中的空间直角坐标 8 考虑极移的影响 最后得到在协议地球坐标系中的空间直角坐标 4 4GPS接收机基本工作原理 1 按接收机的用途分类按用途接收机可分为 1 导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航 它可以实时给出载体的位置和速度 这类接收机一般采用C A码伪距测量 单点实时定位精度较低一般为 25m 有SA影响时为 100m 这类接收机价格便宜 应用广泛 根据应用领域的不同 此类接收机可以进一步分为 车载型 用于车辆导航定位 航海型 用于船舶导航定位 航空型 用于飞机导航定位 由于飞机运行速度快 因此 在航空用的接收机要求能适应高速运动 星载型 用于卫星的导航定位 由于卫星的运动速度高达7公里 s以上 因此对接收机的要求更高 4 4 1GPS接收机的分类 2 测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量 这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位 定位精度高 仪器结构复杂 价格较贵 3 授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时 常用于天文台及无线电通讯中时间同步 4 4 1GPS接收机的分类 2 按接收机的载波频率分类 1 单频接收机单频接收机只能接收L1载波信号 测定载波相位观测值进行定位 由于不能有效消除电离层延迟影响 单频接收机只适用于短基线 15km 的精密定位 2 双频接收机双频接收机可以同时接收 载波信号 利用双频对电离层延迟的不一样 可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响 因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位 3 按接收机通道数分类GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号 为了分离接收到的不同卫星的信号 以实现对卫星信号的跟踪 处理和量测 具有这样功能的器件称为天线信号通道 根据接收机所具有的通道种类可分为 1 多通道接收机 2 序贯通道接收机 3 多路多用通道接收机 4 按接收机工作原理分类 1 码相关型接收机码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值 2 平方型接收机平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号 来恢复完整的载波信号 通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差 测定伪距观测值 3 混合型接收机这种仪器是综合上述两种接收机的优点 既可以得到码相位伪距 也可以得到载波相位观测值 4 干涉型接收机这种接收机是将GPS卫星作为射电源 采用干涉测量方法 测定两个测站间距离 GPS接收机主要由1 GPS接收机天线单元 2 GPS接收机主机单元 3 电源三部分组成 接收机主机由变频器 信号通道 微处理器 存贮器及显示器组成 4 4 2GPS接收机的组成及工作原理 1 GPS接收机天线天线由接收机天线和前置放大器两部分所组成 天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流 而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大 为便于接收机对信号进行跟踪 处理和量测 对天线部分有以下要求 天线与前置放大器应密封一体 以保障其正常工作 减少信号损失 能够接收来自任何方向的卫星信号 不产生死角 有防护与屏蔽多路径疚的措施 天线的相位中心保持高度的稳定 并与其几何中心昼一致 GPS接收机天线有下列几种类型 1 单板天线这种天线结构简单 体积较小 需要安装在一块基板上 属单频天线 2 四螺旋形天线四螺旋形天线是由四条金属管线绕制而成 底部有一块金属掏板 这种天线频带寒风 全圆极化性能好 可捕捉低高度角卫星 缺点是不能进行双频接收 抗震性差 常用作导航型接收机天线 3 微带天线微带天线是在厚度为h h 的介质板两边贴以金属片 一边为金属底板 一边做成矩形或圆形等规则形状 见图4 9 这种天线也称为贴片天线 微带天线的特点是高度低 重轻 结构简单并且坚固 易于制造 既可用于单频机 又可用于双频机 缺点是增益较低 目前大部分测地型天线都是微带天线 这种天线更适用于飞机 火箭等高速飞行物上 4 锥形天线锥形天线是在介质锥体上 利用印刷电路技术在其上制成导电圆锥螺旋表面 也称盘旋螺线型天线 这种天线可以同进出在两个频率上工作 锥形天线的特点是增益好 但是由于其天线较高 并且在水平方向上不对称 天线相位中心与几何中心不完全一致 因此 在安置天线时要仔细定向并且要给于补偿 GPS天线接收来自20000km高空的卫星信号很弱 信号电平只有 50 180dB 输入功率信噪比为S N 30dB 即信号源淹没在噪声中 为了提高信号强度 一般在天线后端设有前置放大器 对于双频接收机设有两路前置放大器以养活带宽 控制外来信号干扰 也防止f1 f2信号干扰 大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起 但也有些导航型接收机为减少天线重量 便于安置 避免雷电事故 而将天线和前置放大器分开 2 接收机主机 1 变频器及中频接收放大器经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱 为了使接收机通道得到稳定的高增益 并且使L频段的射频信号变成低频信号 必须采用变频器 2 信号通道信号通道是接收机的核心部分 GPS信号通道是硬软件结合的电路 不同类型的接收机其通道是不同的 GPS信号通道的作用有三 搜索卫星 索引并跟踪卫星 对广播电文数据信号衽解扩 解调出广播电文 进行伪距测量 载波相位测量及多普勒频移测量 从卫星接收到的信号是扩频的调制信号 所以要经过解扩 解调才能得到导航电文 为了达到此目的 在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环 3 存贮器接收机内设有存贮器或存贮卡以存贮卫星星历 卫星历书 接收机采集到的码相位伪距观测值 载波相位观测值及多普勒频移 目前 GPS接收机都装有半导体存贮器 简称内存 接收机内存数据可以通过数据口传到微机上 以便进行数据处理和数据保存 在存贮器内还装有多种工作软件 如 自测试软件 卫星预报软件 导航电文解码软件 GPS单点定位软件等 4 微处理器微处理器是GPS接收机工作的灵魂 GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的 其离要工作步骤为 接收机开机后首先对整个接收机工作善进行自检 并测定 校正 存贮各通道的时延值 接收机对卫星进行搜索捕捉卫星 当捕捉到卫星后即对信号进行牵引和跟踪 并将基准信号译码得到GPS卫星星历 当同时锁定4颗卫星时 将C A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标 并按预置位置更新率计算新的位置 根据机内存贮的卫星历书和测站近似位置 计算所有在轨卫星卫星升降时间 方位和高度角 根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数航偏距 航偏角 航行速度等 接收用户输入信号 如 测站名 测站号 作业员姓名 天线高 气象参数等 5 显示器GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息 并配有一个控制键盘 用户可通过键盘控制接收机工作 对于导航接收机 有的还配有大显示屏 在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图 3 电源GPS接收机电源有两种 一种为内电源 一般采用锂电池 主要用于RAM存贮器供电 以防止数据丢失 另一种为外接电源 这种电源常用可充电的12V直流镉镍电池组 或采用汽车电瓶 当用交流电时 要经过稳压电源或专用电流交换器 综上所述 接收机的主要任务是 当GPS卫星在用户视界升起时 接收机能够捕获到按一不定期卫星高度截止角所选择的待测卫星 并能够跟踪这些卫星的运行 对所接收到的GPS信号 具有变换 放大和处理的功能 以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间 解译出GPS卫星所发送的导航电文 实时地计算出测站的三维位置 甚至三维速度和时间 GPS信号接收机不仅需要功能较强有力的机内软件 而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包 接收机加处理软件包 才是完整的GPS信号用户设备 第四章复习思考题 1 什么叫卫星导航电文 什么叫卫星信号 2 伪随机噪声码的特性有哪些 每个卫星或每个接收机各有几个伪随机C A码 3 根据导航电文计算卫星位置的步骤 最终计算的卫星坐标是什么坐标 4 接收机按用途分为哪几种接收机 什么是单频 双频接收机