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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 GlobalPositioningSystem 2 内容提要 GPS卫星播发的信号伪随机码扩频与相关接收C A码与P码GPS卫星信号的构成GPS卫星的导航电文GPS接收机基本工作原理 GlobalPositioningSystem 3 4 1GPS卫星播发的信号 概述GPS是一种无线电导航系统观测量是时间延迟或载波变化周数GPS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 GlobalPositioningSystem 4 4 1GPS卫星播发的信号 概述导航电文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 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 GlobalPositioningSystem 5 4 1GPS卫星播发的信号 概述GPS信号应满足的要求GPS卫星广播信号能实现保密通讯 提高抗干扰能力能对各卫星发射的信号进行区分选择实现精密定位和实时导航 GlobalPositioningSystem 6 4 1GPS卫星播发的信号 伪随机码码的基本概念码 二进制数组合构成的数码序列码元 比特 一位二进制数编码 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 数码率 比特率 每秒钟传输的码元数 单位 bit s或BPS或HZ GlobalPositioningSystem 7 4 1GPS卫星播发的信号 伪随机码随机码GPS信号中的关键技术 采用了伪随机码扩频技术随机码扩频的优点 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 GlobalPositioningSystem 8 4 1GPS卫星播发的信号 伪随机码随机码随机码特点 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 模2和运算11 0 10 1 01 1 00 0 GlobalPositioningSystem 9 4 1GPS卫星播发的信号 伪随机码伪随机码产生原因 随机码序列没有周期性 无法复制定义 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产生装置 多级反馈移位寄存器 分类 截短序列 复合序列等 GlobalPositioningSystem 10 4 2伪随机码扩频与相关接收 伪码扩频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 简称伪码扩频优越性保密性强 信号深埋在噪声中 抗干扰耗电量少 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 GlobalPositioningSystem 11 4 2伪随机码扩频与相关接收 伪码测距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 GlobalPositioningSystem 12 4 2伪随机码扩频与相关接收 伪码测距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 GlobalPositioningSystem 13 4 2伪随机码扩频与相关接收 码分多址为什么用码分多址类型 频分多址FDMA 时分多址TDMA 空分多址SDMA 码分多址CDMA原因 同时观测多颗卫星 只有两个载频区别 GPS导航定位中采用码分多址 GLONASS采用频分多址 GlobalPositioningSystem 14 4 2伪随机码扩频与相关接收 码分多址什么叫码分多址所谓码分多址 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 GlobalPositioningSystem 15 4 3C A码与P码 概述测距码是用于测定卫星至接收机间的距离的二进制码 GPS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 C 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 GlobalPositioningSystem 16 4 3C A码与P码 C A码定义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 提供给民用产生C A码是由两个10级移位寄存器相结合而产生的 GlobalPositioningSystem 17 4 3C A码与P码 C A码基本特性是GPS卫星的民用伪噪声码码长1023bit 很短 易于捕获 捕获码 码元宽度977 517nsec时间周期1ms 1sec对应长度293Km不同的卫星具有不同的C A码是L1载波的调制信号测距误差2 93 29 3m 精度较低 粗码 GlobalPositioningSystem 18 4 3C A码与P码 P码产生由两组各有两个12级反馈移位寄存器结合产生的 GlobalPositioningSystem 19 4 3C A码与P码 P码基本特性是GPS卫星的军用码码元宽度为C A码的1 10时间周期266天9小时45分55 5秒是L1L2载波的调制信号不同的卫星具有不同的P码测距误差0 29 2 93m 精度较高 精码 GlobalPositioningSystem 20 4 4GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制GPS信号的组成数据码 D码 导航电文编码 测距码 C A码和P码 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 GlobalPositioningSystem 21 4 4GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制GPS信号的组成 GlobalPositioningSystem 22 4 4GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制两个载波频率L1载波 频率1575 42MHz 波长19 03cmL2载波 频率1227 60MHz 波长24 42cm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 GlobalPositioningSystem 23 4 4GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制调制调幅 载波振幅随调制信号的变化而变化调频 载波频率随调制信号的变化而变化调相 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 GlobalPositioningSystem 24 4 4GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制调制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 GlobalPositioningSystem 25 4 4GPS卫星信号的构成 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 GlobalPositioningSystem 26 4 5GPS卫星的导航电文 导航电文及其格式定义所谓导航电文 是指包含导航信息的数据码 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 它是用户利用GPS进行导航定位的数据基础 GlobalPositioningSystem 27 4 5GPS卫星的导航电文 导航电文及其格式格式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 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 GlobalPositioningSystem 28 4 5GPS卫星的导航电文 导航电文内容遥测字各子侦的第一个字 作为捕获导航电文的前导作用 协助用户快速解译导航电文 判定卫星可用与否 GlobalPositioningSystem 29 4 5GPS卫星的导航电文 导航电文内容交接字各子侦的第二个字 向用户提供用于捕获P码的Z计数作用 快速捕获到P码 GlobalPositioningSystem 30 4 5GPS卫星的导航电文 导航电文内容第一数据块WN 卫星时间计数器调制码标识URA 卫星测距精度表示导航数据是否正常TGD 电离层延迟改正参数AODC 时钟数据龄期toc 卫星时钟参数对应的参考时刻卫星钟改正参数 GlobalPositioningSystem 31 4 5GPS卫星的导航电文 导航电文内容第二数据块 核心部分 卫星星历 开普勒六参数轨道摄动九参数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 GlobalPositioningSystem 32 4 5GPS卫星的导航电文 导航电文内容第三数据块 历书数据 1 24颗卫星的历书 概略星历 卫星健康状况和GPS星期编号识别符25 32颗卫星的历书反电子欺骗的特征符电离层延时改正模型 GlobalPositioningSystem 33 4 6GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的分类定义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 GlobalPositioningSystem 34 4 6GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的分类接收机的分类按用途分类 测地型 导航型 授时型按所用载波频率多少分类 单频 双频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 GlobalPositioningSystem 35 4 6GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的分类接收机通道定义 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 组成 是软硬件的结合体 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 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 GlobalPositioningSystem 36 4 6GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理组成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 接收单元信号通道 跟踪 处理 量测卫星信号 存储器 记录观测资料 微处理器 计算 管理 控制 自检核 输入输出设备 输入命令 设置参数 显示工作状态 电源 为接收机供电 GlobalPositioningSystem 37 4 6GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理GPS接收机天线天线与前置放大器应密封为一体 以保障其正常工作 减少信号损失能接收到天空任何方向的卫星信号应有防护与屏蔽多路径效应的措施保持天线相位中心高度稳定 并与其几何中心尽量一致 GlobalPositioningSystem 38 4 6GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理GPS接收机信号通道平方型通道优点 无须掌握测距码的结构便能获得载波信号缺点 完全消除了信号的测距码和数据码 无法解译出导航电文 GlobalPositioningSystem 39 4 6GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理GPS接收机信号通道码相位型通道优点 无须知道伪噪声码的结构即可进行C A码和P码的测量 对非特许用户有很大的好处缺点 需另外提供GPS星历 用以测后数据处理 GlobalPositioningSystem 40 4 6GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理GPS接收机信号通道相关型通道优点 可以从伪噪声码中提取导航电文 实现实时定位 并且具有良好的信噪比缺点 要求用户掌握伪噪声码的结构 以便接收机产生复制码信号 GlobalPositioningSystem 41 4 6GPS接收机基本工作原理 几种常见的GPS接收机Ashtech系列GPS接收机 阿斯泰克 国家 美国公司 麦哲伦公司 GlobalPositioningSystem 42 4 6GPS接收机基本工作原理 几种常见的GPS接收机Trimble系列GPS接收机 天宝 国家 美国公司 天宝导航公司 GlobalPositioningSystem 43 4 6GPS接收机基本工作原理 几种常见的GPS接收机THALES系列GPS接收机 泰雷兹 国家 法国公司 THALES导航定位公司 GlobalPositioningSystem 44 4 6GPS接收机基本工作原理 几种常见的GPS接收机LeicaWildGPS接收机 徕卡 国家 瑞士公司 Leica公司 GlobalPositioningSystem 45 4 6GPS接收机基本工作原理 几种常见的GPS接收机SOKKIAGPS接收机 索佳 国家 日本公司 日本株式会社索佳 GlobalPositioningSystem 46 小结 GPS卫星播发的信号包括 测距码 数据码和载波信号伪随机码扩频与相关接收C A码是民用码 也叫粗码 P码是军用码 也叫做精码GPS卫星的导航电文是指包含导航信息的数据码GPS接收机基本工作原理 GlobalPositioningSystem 47 习题与思考 GPS信号的基准频率是多少 GPS信号包含哪些成分 各有什么作用 什么叫做伪随机码 它有什么特点 什么叫做伪码扩频 它有什么优越性 什么叫做伪码测距 它的基本原理是什么 什么叫做码分多址 什么叫做频分多址 GPS系统和GLONASS系统分别采用什么技术对卫星信号进行识别和处理 GlobalPositioningSystem 48 习题与思考 C A码和P码有哪些区别 GPS系统为什么要使用两个载波频率 GPS的伪随机码通过什么技术调制在载波上 目前两个载波上分别调制了哪些码 将来还会调制哪些信号 什么叫做重建载波 什么叫做导航电文 包括哪些内容 GPS接收机有哪些分类方法 如何分类 什么叫做接收机通道 它有什么作用 如何分类