GPS系统的组成与GPS信号.ppt

GPS测量定位技术 第三章GPS系统的组成与GPS信号 学习目标第一节GPS定位系统的组成第二节卫星的运行及其轨道第三节卫星的星历与卫星位置计算第四节GPS卫星信号第五节GPS信号的接收本章小结思考题与习题 GPS测量定位技术 第三章GPS系统的组成与GPS信号 学习目标 了解GPS信号的结构 测距码是怎样产生的 导航电文的内容 天线的作用与分类 理解监控系统的作用 投入的可用GPS卫星状况 用户接收机的用途 卫星的运动及其轨道 掌握GPS定位系统的组成共三部分 地面监控部分 空间卫星部分 用户接收部分 卫星的星历 卫星信号的内容 结构及传播 GPS测量定位技术 第一节GPS定位系统的组成 GPS定位系统包括三大部分 1 地面监控部分 2 空间卫星部分 3 用户接收部分 以下分别介绍它们的作用 工作原理和工作状况 一 地面监控部分 一 地面监控站的分布 地面监控站在GPS定位系统试验阶段和工作阶段有所不同 试验卫星的地面监控站由设在范登堡空军基地的一个主控站 一个注入站和一个监测站及其它地方的四个检测部分组成 GPS测量定位技术 一 地面监控站的分布 图3 1GPS卫星地面监控站的分布 GPS测量定位技术 一 地面监控站的分布 GPS工作卫星的地面监测部分由一个主控站 三个注入站和五个监测站组成 其分布情况是 主控站设在美国本土科罗拉多 斯平士 ColoradoSpings 的联合空间执行中心CSOC 即ConsolidatedSpaceOperationCenter 三个注入站分别设在大西洋的阿森松 Ascension 印度洋的狄哥 伽西亚 DiegoGarcia 和太平洋的卡瓦加兰 Kwajalein 三个美国空军基地上 五个监测站 除一个单独在夏威夷外 其余四个都分设在主控站和注入站上 GPS测量定位技术 二 监控系统的作用 1 主控站的作用主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集 计算 传播等设备 其主要作用如下 1 收集数据收集各监测站获得监测的伪距和伪距差观测值 卫星时钟和工作状态数据 气象 监测站自身状态以及参考星历等数据 2 数据处理根据所收集的前述数据计算各卫星的星历 时钟改正 卫星状态 大气传播改正等 具体地就是卫星位置和速度的六个轨道根数的摄动 每个卫星的三个太阳压力常数 卫星的时钟偏差 漂移和漂移率 各个监测站的时钟偏差 对流层残余偏差及极移偏差等状态数据 并将这些数据按一定格式编制成导航电文 并将导航电文及时传送给注入站 GPS测量定位技术 1 主控站的作用 3 监测与协调主控站一方面承担控制和协调各监控站与注入站的工作 另一方面还要监测整个地面监控系统是否正常 检验注入卫星的电文是否正确 监控卫星是否按预定状态将电文发送给用户 4 控制卫星修正卫星的运行轨道 调用备用卫星去接替失效卫星的工作 2 监控站的作用 监控站是无人值守的数据自动采集中心 其位置经精密测定 主要设备包括1台双频接收机 一台高精度原子钟 一台电子计算机和若干台环境数据传感器 监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差 检测出所测卫星的导航定位数据 利用环境传感器测出当地的气象数据 然后将算得的伪距 导航数据 气象数据及卫星状态数据传送给主控站 为主控站编算导航电文提供可靠的数据 GPS测量定位技术 3 注入站的作用 注入站是无人值守的工作站 设有3 66m抛物面天线 1台C波段发射机和一台电子计算机 其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中 供卫星向用户发送 地面监控系统的工作程序方框图如右图所示 图3 2监控系统工作程序 GPS测量定位技术 一 地面监控部分 地面监控部分的工作程序为 由监测站连续接收GPS卫星信号 不断积累测距数据 伪距和伪距差 并将这些测距数据以及气象数据 卫星状态数据等发送到主控站 再由主控站对测距数据进行包括电离层 对流层 相对论效应 天线相位中心的偏移及地球自转和时标改正等的传播时延改正 并用卡尔曼数学滤波器进行连续数据平滑处理及最小二乘与多项式拟合 以提供卫星的位置和速度的六个轨道根数的摄动 每个卫星的三个太阳压力常数 卫星的时钟偏差 漂移和漂移率 各监测站的时钟偏差 对流层残余偏差及三个极移偏差状态数据 并将这些数据编成导航电文传送到注入站 最后由注入站将这些导航电文注入卫星 GPS测量定位技术 二 空间卫星部分 空间卫星部分是由空间运行的多颗卫星按一定的规则组成的GPS卫星星座 本书第一章第二节已有述及 这里仅就空间卫星的作用和有关情况作些说明 美国发射的GPS卫星 有多种编号方式 比如可以按发射的先后顺序编号 也可以根据所采用不同的伪随机噪声码PRN编号 还可以根据内部距离操作码IRON编号 以及根据美国航空航天局在其序列文件中编的NASA编号和根据卫星发射年代与该年代中的发射序列编的识别号 其中 PRN编号是供导航定位用的 识别号是供用户查询卫星有关数据用的 GPS工作卫星BLOCK 是用火箭或航天飞机发射的 其编号方法与试验卫星的编号方法基本相同 其轨道近于圆形 最大偏心率为0 01 轨道长半径也是26560km 轨道倾角为55 卫星的高度为20200km 运行周期为十二恒星时 即每天绕地球运行两周 GPS测量定位技术 二 空间卫星部分 工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道 一方面是为了增大覆盖面积 另一方面是为了使覆盖均匀 从而达到信号强度均匀 接收时间也均匀的目的 GPS卫星的主要作用有三方面 1 接收地面注入站发送的导航电文和其它信号 2 接收地面主控站的命令 修正其在轨运行偏差及启用备件等 3 连续地向广大用户发送GPS导航定位信号 并用电文的形式提供卫星自身的现势位置与其它在轨卫星的概略位置 以便用户接收使用 GPS测量定位技术 二 空间卫星部分 可见GPS卫星定位是以被动定位原理进行工作的 GPS卫星最根本的作用就是向用户发送用户所需要的信号和电文 既然如此 对卫星的寿命长短和时间的精确度就必须高度重视 GPS工作卫星的设计寿命是七年半 但从实验卫星的工作情况来看 使用寿命一般都会超过甚至远远超过设计寿命 GPS工作卫星中安置两台铷原子钟和两台铯原子钟 以便随时启用更替 采用原子钟的目的是因为它的频率稳定度优于1E 14 远高于稳定度为1E 9的石英钟 因而可大幅度提高导航和定位精度 GPS工作卫星共24颗 其中21颗卫星处于工作状态 3颗处于在轨备用状态 组成 21 3 GPS工作卫星星座 GPS工作卫星星座的24颗卫星均匀分布在6个倾角为55 的轨道平面内 各轨道面之间相距60 因此相邻两轨之间的升交点赤经相差60 同一轨道面内相邻两卫星间的升交距角相差90 相邻两轨道面上的卫星升交距角比较 东边比西边超过30 GPS测量定位技术 二 空间卫星部分 GPS卫星的空间布局和运行速度决定了地面观测者具备下列观测条件 1 同一卫星每天可提前四分钟出现 其在地平线以上的可见运行时间为五小时 2 由于观测者所处的位置和时间的不同 可同时观测的卫星个数也各异 但最少能观测到4颗卫星 最多可观测到11颗 3 GPS定位精度与被观测卫星的位置分布有关 对于只能观测到4颗卫星的情况 因在这一时间段内别无选择 其定位精度一般较差 这个短暂的时间段称为 时间间隙段 在时间间隙段内须用新型的GPS GLONASS集成式接收机同时接收GPS信号和GLONASS信号才能消除 间隙段 的影响 间隙段 仅出现在极少数地区 而广大范围内不会出现这种情况 GPS测量定位技术 三 用户接收部分 用户接收部分的基本设备 就是GPS信号接收机 其作用是接收 跟踪 变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号 以达到导航和定位的目的 GPS信号接收机 按用途的不同 可分为导航型 测地型和授时型等三种 按携带形式的不同可分为袖珍式 背负式 车载式 舰用式 空 飞机 载式 弹载式和星载式等七种 按工作原理可分为码接收机和无码接收机 前者动态 静态定位都能用 后者只能用于静态定位 按使用载波频率的多少可分为单频接收机 用一个载波频率L1 和用两个载波频率 L1 L2 的双频接收机 以双频接收机为今后精度定位的主要用机 按型号分 种类就更多 计约160个厂家生产出几百种不同牌 型 号的接收机 GPS测量定位技术 第二节卫星的运行及其轨道 GPS卫星在空间绕地球运行 取决于它所受的作用力 这些作用力包括 地球重力场对卫星的引力 日 月等天体对卫星的引力 以及太阳光压 大气阻力和地球潮汐力等 这些作用力的情况复杂多变 所以卫星的实际运动状况和状态也就比较复杂 很难用既精确又简单的数学模型进行描述 在对卫星所有的作用力中 地球重力场的引力是最主要的 为了研究和实际应用的方便 通常将作用于卫星上的各种作用力按其影响的大小分成两类 一类是假设地球为匀质球体的引力 另一类是摄动力 也称为非中心力 它包括地球非球形对称的作用力 日月引力 大气阻力 光辐射压力 地球潮汐力等 摄动力作用的结果 使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道 在摄动力的作用下 卫星的运动称为受摄运动 相应的卫星轨道称为受摄轨道 GPS测量定位技术 一 理想情况下的卫星运动 所谓理想情况下的卫星运动 是将地球视作匀质球体 且不顾及其它摄动力的影响 卫星只是在地球质心引力作用下而运动 理想情况下的卫星运动是我们的首要研究对象 这是因为 1 它是卫星运动的第一近似描述 2 它是至今唯一能得到的严密分析解的运动 3 它是全部作用力下的卫星运动更精确解的基础 根据牛顿万有引力定律 在上述理想情况下 卫星相对于地球的引力加速度为式中 地球引力常数 地球质量 卫星质量 卫星的地心向径 3 1 GPS测量定位技术 一 理想情况下的卫星运动 因卫星的质量相对于地球的质量很小 若忽略卫星的质量则有 3 2 引力加速度r决定着卫星绕地球运行的基本规律 这些基本规律可以用开普勒定律具体描述 GPS测量定位技术 一 理想情况下的卫星运动 1 开普勒第一定律 卫星运行的轨道是一个椭圆 地球质心位居椭圆的一个焦点上 该定律表明 卫星相对于地球质心的运动轨道是一个椭圆 该椭圆有着固定的形状和大小 椭圆上距离地球质心最远的一点称为远地点 距离地球质心最近的一点称为近地点 如右图所示 图3 3卫星运行轨道椭圆 GPS测量定位技术 一 理想情况下的卫星运动 根据式 3 2 的解 可得卫星绕地球质心运动的轨道方程 式中 卫星的地心距离 椭圆的长半径 椭圆的偏心率 称为真近点角 当 0时 为卫星的近地点距离 当 180 时 为卫星的远地点距离 它描述了任意时刻卫星在轨道上相对近地点的位置 是时间的函数 3 3 GPS测量定位技术 一 理想情况下的卫星运动 2 开普勒第二定律 卫星的地心向径 即地球质心与卫星质心间的距离向量 在相同的时间内所扫过的面积相等 开普勒第二定律表明 卫星沿轨道椭圆的运行速度在不断变化 在近地点处速度最大 在远地点处速度最小 如右图所示 图3 4相等时间地心向径扫过的面积 GPS测量定位技术 一 理想情况下的卫星运动 和其它物体运动一样 卫星的运动也具有两种能量 势能 位能 和动能 势能是由地球重力场的作用而引起 其大小和卫星在轨道上所处的位置有关 在近地点处势能最小 远地点处势能最大 卫星在任一时刻所具有的势能为 动能则是由卫星自身运动所引起 其大小是卫星运动速度的函数 如果取卫星的运动速度为 则其动能为 所以卫星运行至近点处动能最大 远地点处动能最小 根据能量守恒定理 卫星在运动期间 势能与动能之和为一常量 即常数 3 4 GPS测量定位技术 一 理想情况下的卫星运动 3 开普勒第三定律 卫星围绕地球运行的周期的平方与轨道椭圆长半径的立方成正比 其比值等于地球引力常数的倒数 开普勒第三定律的数学形式为 3 5 式中为卫星运动的周期 即卫星绕地球运行一周所需的时间 若假设卫星运动的平均角速度为n0 则顾及式 3 5 可得 3 6 当轨道椭圆的长半径一经确定 卫星运行的平均角速度便随之确定 且保持不变 GPS测量定位技术 二 卫星运行的轨道 由开普勒定律可知 卫星运动的轨道是通过地心平面上的一个椭圆 且椭圆的一个焦点与地心相重合 轨道参数可以有很多 它们的选择也不是唯一的 但是无论如何选择 必须有利于下列问题的解决 1 轨道椭圆的形状和大小 2 轨道平面与地球体的相关位置 3 轨道椭圆在轨道平面上的方位 4 卫星在轨道上的瞬时位置 只有这些问题得到确定 卫星运行的轨道以及卫星在轨道上的瞬时位置也才是唯一确定的 确定椭圆的形状和大小至少需要两个参数 即轨道椭圆长半径和轨道椭圆偏心率 GPS测量定位技术 二 卫星运行的轨道 这里仅将最为适宜的一组轨道参数的符号和含义介绍如下 轨道椭圆长半径 轨道椭圆偏心率 和共同确定了椭圆的形状和大小 其它的几何参数都可以由和推导出来 升交点赤经 升交点即是卫星由南向北的运行轨道与地球赤道面的交点 而升交点赤经就是升交点与春分点所对应的地心夹角 轨道面倾角 即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角 这两个参数 唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向 近地点角距 在轨道平面上近地点与升交点所对应的地心夹角 该参数表达了椭圆在轨道平面上的定向 真近点角V 在轨道平面上卫星与近地点所对应的地心夹角 该参数为时间的函数 它确定了卫星在轨道上的瞬时位置 GPS测量定位技术 二 卫星运行的轨道 对于GPS卫星来说 上述轨道参数的具体数值 则是由不同卫星的发射条件决定的 图3 5卫星轨道参数图3 6真近点角与偏近点角 GPS测量定位技术 二 卫星运行的轨道 在上述描述卫星运动的6个开普勒轨道参数中 只有真近点角是时间的函数 其余参数均为常数 所以确定卫星瞬时位置的关键 在于确定参数 为此 需要引入计算的两个辅助参数和 称为偏近点角 过卫星质心m作平行于椭圆短轴的直线 分别交于近地点于椭圆中心连线的m 点和以长半径所作大圆的m 点 于是就是近地点至m 的圆弧对应的圆心角 GPS测量定位技术 二 卫星运行的轨道 称为平近点角 它是一个假设量 如果卫星通过近地点的时刻为 观测瞬间的时刻为 卫星运行的平均角速度为 则平近点角由下式定义 式中 对某一卫星而言是个常数 所以观测时刻一旦确定 平近点角也就相应确定 根据开普勒方程 偏近点角与平近点角的关系为 已知时 可以采用迭代法按上式计算 迭代计算时先令 因偏心率仅为0 01左右 所以迭代两次便可求得偏近点角 3 7 3 8 GPS测量定位技术 二 卫星运行的轨道 其次 为了计算卫星的瞬时位置 还需要确定真近点角V与偏近点角之间的关系 于是将上式代入轨道方程 3 3 则得由式 3 9 和式 3 10 可得真近点角与偏近点角之关系 3 9 3 10 3 11 3 12 GPS测量定位技术 三 摄动力对卫星运行轨道的影响 地球本身非为匀质球体 在其引力场摄动力的影响下 升交点将沿地球赤道产生缓慢的进动 使升交点的赤经产生周期性变化 设其变化的速率为 若已知某一参考时刻的升交点赤经为 则对于任一时刻的升交点位置可表示为 3 13 事实上 卫星的升交点还同时受到其它摄动力的影响 所以升交点赤经的变率 也不是常量 在地球引力场摄动力的影响下 近地点将在轨道面内转动 使近地点角距 发生缓慢变化 若取近地点角距的变率为 则类似于式 3 13 可以写出任一时刻的近地点角距 3 14 GPS测量定位技术 三 摄动力对卫星运行轨道的影响 同样在地球引力场摄动力的影响下 卫星轨道平近点角也随时间发生变化 任一时刻的平近点角可表示为 3 15 若设 则对GPS卫星可得 卫星在运行中 除主要受到地球中心引力的作用外 还将受到其它各种摄动力的影响 从而引起轨道的摄动 在摄动力加速度的影响下 卫星运行的开普勒轨道参数 不再保持常数而变为时间的函数 理论分析表明 影响卫星运动的摄动力主要是地球引力场摄动力的影响 日月引力的影响和太阳光压的影响 GPS测量定位技术 第三节卫星星历与卫星位置计算 一 GPS卫星星历 卫星的星历就是一组对应某一时刻的轨道参数值 它是计算卫星瞬时位置的依据 这些参数的数值确定卫星的运行轨道和运行状态 有了卫星星历就可以计算出任一时刻的卫星位置 所以卫星星历其实就是赋值后的轨道参数 GPS卫星星历可以分为两种 广播星历 预报星历 和实测星历 精密星历 1 广播星历卫星将地面监测站注入的有关卫星轨道的信息 通过发射导航电文传递给用户 用户接收到这些信号进行解码即可获得所需要的卫星星历 即广播星历 GPS测量定位技术 1 广播星历 广播星历是一种外推星历 通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数 因为卫星在某一参考历元的瞬时轨道参数 随着时间的延续 受到摄动力影响的实际轨道 将偏离其参考轨道 偏离程度主要取决于观测历元与参考历元间的时间差 如果用轨道参数的摄动项对已知的卫星参考星历进行改正 就可以外推出任意观测历元的卫星星历 为了保持广播星历的必要精度 一般采用限制预报星历的外推时间间隔的方法 所以地面检测站每天都根据其观测资料 计算并更新卫星星历参数的数据 并且将其注入卫星加以储存 以备更新卫星的参考轨道 据此 GPS卫星所发射的广播星历 每小时更新一次 供用户使用 广播星历的精度一般估计约为20 40m GPS测量定位技术 1 广播星历 GPS用户所接收到的卫星广播星历中 包括17个卫星星历参数 二个时间参数 1 从星期日子夜零时开始度量的星历参考历元 2 外推星历时的外推时间间隔AODE 亦即星历数据的龄期 它可反映外推星历的可靠程度 六个开普勒轨道参数 1 卫星轨道长半轴的平方根 2 卫星轨道偏心率 3 参考历元的轨道倾角 4 参考历元的升交点赤经 5 近地点角距 6 参考时刻的平近点角 九个轨道摄动力参数 1 平均运动角速度改正值 2 升交点赤经的变化率 3 轨道倾角的变化率 4 升交角距的正弦和余弦的调和改正项之振幅和 5 轨道倾角的正弦和余弦调和改正项之振幅和 6 卫星地心距的正弦和余弦调和改正项之振幅和 GPS测量定位技术 1 广播星历 图3 7广播星历参数 GPS测量定位技术 2 实测星历 广播星历是根据某一参考历元的观测资料向外推算的星历 它的好处是用户在观测同时即可得到实时星历参数和卫星位置 这对导航和实时定位是非常需要的 但是 由于卫星星历是外推出来的 特别是美国政府实施的限制政策 大幅度降低了广播星历的精度 所以它很难满足高精度定位的需要 实测星历是一些国家根据自己的卫星跟踪站观测资料 经过事后处理直接计算的卫星星历 它向广大用户提供有偿服务 所以大大提高了卫星星历的精度 不过这种星历难以在用户观测期间获得 通常是在用户观测后一段时间才能利用磁盘或Internet网提供 所以它对导航和实时定位意义不大 GPS测量定位技术 二 卫星在其轨道平面内的位置计算 前面介绍的卫星星历是以WGS 84大地坐标系为坐标框架的 GPS定位成果亦属于WGS 84大地坐标系 它是一种地心空间直角坐标系统 为了计算卫星在WGS 84大地坐标系中的位置 首先需要计算卫星在其轨道平面内的位置 此时定义 原点与地心相重合 轴指向升交点 轴在轨道平面内垂直于轴 我们称其为轨道平面直角坐标系 它是一种过度性的坐标系 如右图所示 图3 8轨道平面直角坐标系 GPS测量定位技术 二 卫星在其轨道平面内的位置计算 1 计算卫星运行的平均角速度n由公式 3 6 可算得卫星运行的平均角速度式中为卫星轨道的长半轴 为地球引力常数 含大气层 它们都有确定值 利用导航电文中给出的摄动改正数 则可算出卫星运行的实际平均角速度 3 16 GPS测量定位技术 二 卫星在其轨道平面内的位置计算 2 计算归化时间导航电文提供的轨道参数是相应于参考时刻时的数值 为了求得观测时刻的参数 需求出此时刻相对于参考时刻的时间差 3 17 在GPS时间系统中 时间是从一周的开始 星期日子夜 连续以秒计算的 所以计算归化时间时应顾及到一个星期 604800s 的开始或结束 GPS测量定位技术 二 卫星在其轨道平面内的位置计算 3 计算真近点角首先计算观测瞬间的卫星平近点角 因为导航电文中已经给出参考时刻的平近点角 所以 3 18 其次计算偏近点角 根据导航电文中给出的偏心率和上面计算的平近点角 根据公式 3 8 可以写出 3 19 上式仍按前述的迭代法计算 然后再计算出真近点角 由式 3 12 可得 3 20 GPS测量定位技术 二 卫星在其轨道平面内的位置计算 4 计算升交距角根据计算出的其近点角和导航电文提供的近地点角距 按下式计算升交距角 5 计算经过摄动改正的升交距角 卫星的地心距离及轨道倾角在卫星导航电文中 给出了6个卫星轨道摄动的修正参数 根据这些参数 计算出轨道参数的修正量 3 21 升交距角修正量地心距离修正量轨道倾角修正量 3 22 GPS测量定位技术 二 卫星在其轨道平面内的位置计算 5 计算经过摄动改正的升交距角 卫星的地心距离及轨道倾角经过摄动改正的升交距角 卫星的地心距离 轨道倾角则为 6 计算卫星的轨道平面直角坐标 3 23 3 24 GPS测量定位技术 三 卫星在地心空间直角坐标系中的位置计算 1 计算观测时刻的升交点经度为了计算卫星在地心空间直角坐标系中的位置 必须要知道卫星升交点在观测时刻的精度 假若观测时刻的升交点赤经为 升交点与春分点所对应的地心夹角 观测时刻时的春分点格林尼治恒星时为GAST 由图3 7可知 此时的升交点经度应为 3 25 如果参考时刻的升交点赤经为 其变率为 则观测时刻时的升交点赤经为 3 26 其次 式 3 25 中的GAST将随地球自转而不断增加 其增值速率即为地球自转的速率 设一个星期开始 星期日子夜 时刻的格林尼治恒星时为GAST 则 3 27 GPS测量定位技术 1 计算观测时刻的升交点经度 导航电文给我们提供的不是时的升交点赤经 而是始于格林尼治起始子午线到升交点的准经度 它们之间的关系是将式 3 26 3 27 3 28 一并代入式 3 25 则得升交点的经度为 3 29 3 28 GPS测量定位技术 2 计算卫星在地心空间直角坐标系中的坐标 由式 3 24 可求出卫星在其轨道平面直角坐标系中的坐标 在该坐标系统中卫星的空间位置可表示为 此时轴过地心指向轨道平面的垂直方向 3 30 GPS测量定位技术 2 计算卫星在地心空间直角坐标系中的坐标 这样 轨道直角坐标系 与地心直角坐标系 X Y Z 具有相同的原点 其差别仅是坐标轴的定向不同 为了使两坐标系取得一致 可将坐标系 作如下旋转 1 绕轴方向顺转角度 使轨道平面与赤道平面重合 轴与Z轴相重合 2 绕轴顺转角度 使 轴与X Y轴同时重合 这一过程用旋转矩阵表示如下 3 31 GPS测量定位技术 第四节GPS卫星信号 一 GPS卫星信号的内容 GPS卫星信号所包含的载波 测距码 包含P码 C A码 数据码 导航电文 或称D码 都是在同一个基准频 10 23MHZ的控制下产生的 如左图所示 图3 9GPS信号的产生 GPS测量定位技术 1 GPS载波信号 GPS卫星信号取无线电波中L波段的两种不同频率的电磁波作为载波 它们的频率和波长分别为 L1载波 L2载波 在载波L1上调制有C A码 P码数据码 在载波L2上只调制有P码和数据码 GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的 由于伪随机码只有 1 和 0 两种状态 当码值取0时 对应的码状态为 1 而码值取1时 对应的码状态为 1 在载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制 此时码信号被加载到载波上 经过播发可供用户接收 GPS测量定位技术 2 GPS的测距码 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 PRN 这种二进制的数码序列不仅具有良好的自相关特性 而且又是一种结构确定 可以复制的周期性序列 1 C A码C A码的码长较短 易于捕获 但码元宽度较大 测距精度较低 所以C A码又称为捕获码或粗码 C A码的码长 码元宽度 相应距离为293 1m 周期 数码率 在GPS导航和定位中 为了捕获C A码以测定卫星信号传播时间 通常需要对C A码逐个进行搜索 因为C A码总共只有1023个码元 若以每秒50个码元的速度搜索 约需20 5s便可达到目的 由于C A码的码元宽度较大 如果两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1 10 1 100 相应的测距精度为29 3 2 9m GPS测量定位技术 2 P码 P码即精密测距码或称精码 它的特征是 P码的码长Nu 2 35 1414bit 码元宽度tu 0 097752 s 相应距离为29 3m 周期Tu Nutu 267d 数码率pu 10 23Mbit s 实际上P码的周期被分成38部分 每一部分为7d 码长约6 19 1012bit 其中1部分闲置 5部分给地面监测站使用 32部分分配给不同的卫星 这样 每颗卫星使用P码的不同部分 码长和周期相同 但结构不同 由于P码的码元宽度为C A的1 10 如果码元的对齐精度仍为码元宽度的1 10 1 100 则由此引起的距离误差约为2 93 0 29m 仅为C A码的1 10 所以P码用于精密的导航和定位 GPS测量定位技术 2 P码 但是 尽管C A码的精度较低 但码的结构是公开的 可供GPS接收机的广大用户使用 而P码精度虽高 但结构不公开 专供美国军方及特许用户使用 目前P码的结构正逐渐被大家所熟悉而难以继续保密 所以GPS卫星将发射一种与P码相似的保密码 即Y码 以取代P码 3 数据码 D码 数据码即导航电文 它包含着卫星的星历 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 由C A码捕获P码的信息等 导航电文亦是二进制数码 依规定的格式组成 按帧向外播送 每帧电文的长度为1500bit 播送速率为50bit s GPS测量定位技术 二 GPS信号的结构 左图是GPS卫星信号的构成示意图 图中说明所有信号分量是根据同一基准频率 图中A点 产生的 其中包括载波 B点 L2 C点 调制在载波L1上的调相信号C A码 D点 P码 F点 和数据码 G点 经卫星发射天线 H点 发射的信号分量包括 C A码信号 J点 L1 P码信号 K点 和L2 P码信号 L点 图3 10GPS信号的构成 GPS测量定位技术 二 GPS信号的结构 载波L1由数据码D t 和P码与C A码两种编码分别以同相和正交方式进行调制 且数据码D t 是一种不归零二进制码组成的编码脉冲串 所以的L1信号结构为式中 为精码即P码码元的振幅值 为粗测捕获码即C A码码元的振幅值 肩标I为卫星编号 为的角频率 为信号起始相位 为数据码 P码和C A码的速率分别为10 23MHz和1 023MHz P码为 1的伪随机码与数据码模二相加 记作 对L1进行同相调制 C A码为Gold码 与数据码模二相加 形成 对L1频率进行正交调制 L2的信号结构为其中 为精码的码元幅值 且L2信号仅由P码进行双相调制 PSK调制 其它符号的意义与式 3 32 中的含义相类似 3 33 3 32 GPS测量定位技术 三 测距码的产生 P码由两个伪随机噪声码PN1 t 和PN2 t 的乘积构成 P码的码率为10 23MHz PN1 t 的周期为1 5s 一周的码位数N1为位比的周期长37个码元 因此有所以P码为 0 n 36 3 34 式中为码元宽度 可取0 1 2 36 即可得37种P码 P码的码元数为位P码的周期为星期 GPS测量定位技术 三 测距码的产生 从以上分析可以看出 P码的周期约38星期 实际应用中采用7天为一周期 即在中取某一段周期为7天的P码 且规定每星期六午夜零点使P码置全 1 状态作为周期的起始点 这样使每星期P码互不相同 便于识别 而且也便于实行对P码的保密 使其无从破译 P码的产生原理如下图所示 图3 11P码产生原理图 GPS测量定位技术 三 测距码的产生 C A码码率为1 023MHz 周期为1ms 一周期内有1023个码位 C A码由两个1023bit的伪随机码和的乘积构成的Gold码 即 3 35 式中 为和间相位偏值的码元数 其偏值量为 也就是有1023个不同的C A码 加上和产生的两个m序列 共有1025个周期为1ms 码元数为1023的不同结构的C A码 其形成原理由下图的方框图表示 图3 12C A码形成方框图 GPS测量定位技术 四 GPS信号的传播 GPS采用了信号扩频调制 把窄带信号扩展到一个很宽的频带上发射出去 以达到抗干扰 保密和省电的目的 在信息理论中我们把一组不包含我们想要的有用信息的量称为噪声 长期以来在通讯 计算机以及其它各种电子技术中 噪声总是作为信号的对立面出现的 人们想方设法试图消灭它 然而上世纪四十年代末 人们对白噪声的看法发生了剧变 终于发现历来被人们憎恶的白噪声在许多场合下也具有许多有用的特性 其中最主要的是具有良好的自相关特性 GPS测量定位技术 四 GPS信号的传播 根据四十年代末信息论的奠基人仙侬 C E Shanon 定理 在高斯白噪声干扰条件下 信息容量为 3 36 式中 B为信息频带宽度 Hz S为信号功率 N为噪声功率 C为信息容量 当信息容量一定时 增大频带宽度B 可以减少信噪比S N 如C 10 23Mbit s 当信号功率S为噪声功率N的1 5倍时 信带宽度B为若 有 GPS测量定位技术 四 GPS信号的传播 因为卫星是靠太阳能蓄电池工作的 不可能增大发射机发射功率 而扩频技术解决了这一问题 另外 采用扩频技术的信号被深深埋在噪声之中 信噪比很低 不易被人捕获 具有很好的保密性 再则 由于接收机接收信号后 又进行了相关处理 将宽带大大变窄了 改变了信噪比 设 S N out为接收机输出信噪比 S N in为接收信噪比 其处理增益Gp为 3 37 可见扩频技术抑制了干扰能力 所以有抗干扰作用 当然 GPS毕竟是以军事为主要目的 为了加强保密性 美国还采用了SA技术 它是一种使非特许用户不能获得高精度实时定位的方法 其中包括对GPS卫星基准频率采用的 技术 对导航电文采用的 技术及对P码采用的译码技术等 会导致非特许用户得到随机的低精度乃至错误信息 所以在应用GPS定位时要加以注意 特别是在非常时期更应小心 GPS测量定位技术 五 导航电文 GPS卫星的导航电文主要包括卫星星历 时钟改正 电离层时延改正 工作状态和C A码转换到捕获P码的信息 将这些信息以数据 即以二进制码的形式向用户发送 所以导航电文又称为数据码 即D码 D码的基本单位是包含1500比特的一个主帧 如右图所示 其传播速率为50bit s 一个主帧含5个子帧 其中第1 2 3子帧各有10个字 每个字为30比特 第4 5子帧各有25个页面 计37500比特 图3 13导航电文的基本构成 GPS测量定位技术 五 导航电文 每一个子帧都是以一个遥测码 TLM 开始 第一个字主要是遥测码 其中第1 8比特是同步码 作为识别电文内容的序文 第9 22比特为遥测电文 主要是供地面监测站使用的信息 第23 24比特无意义 第25 30比特为奇偶校验码 第二个字为转换码 HOW 转换码的作用是帮助用户从捕获的C A码转换到对P码的捕获 并以 图3 14电文一主帧结构图 同步进行锁定 第一子帧第三到第十个字称为数据块和电文块 如左上图所示 第一子帧内为数据块 第二 三子帧为数据块 第四子帧为电文块 第五子帧为数据块 GPS测量定位技术 五 导航电文 图3 15导航电文的格式 GPS测量定位技术 五 导航电文 下面结合导航电文的格式 分析各数据块和电文块的详细内容和作用 一 数据块 数据块 主要是卫星时钟校正和电离层校正信息 其中包含指明载波调制波类型 卫星序号 卫星健康状况等的标识码 数据龄期 卫星时钟改正系数等 1 传输参数N 由第三字的第13 16比特给出 目的是向用户说明可能达到的测距精度Mpd一般不优于2m 当缺乏精度预估值 N为1111 15 时 未经特许的用户不能确保其定位精度 2 电离层时延差改正Tgd 由第七字的第17 24比特表示载波L1 L2的电离层时延改正数Tgd 供精度要求不高的单频接收机用户使用 对双频接收机的用户 则还要考虑 0 1 2 3 0 1 2 3等8个电离层延迟校正参数 GPS测量定位技术 五 导航电文 3 由第三字的第23 24比特以及第八字的第1 8比特 均表示卫星时钟校正的数据龄期 为用户提供时钟改正的置信度 3 38 其中 为数据块 的参考时间 从全球定位系统时间每星期历元开始量度 是校正参数的最后观测时间 随着龄期的加长 精度会有所下降 这是用户选择最佳观测卫星的参考数据 GPS测量定位技术 五 导航电文 4 卫星时钟改正 即卫星钟差 卫星是在高速运动 且它与用户处于不同的引力位 这就产生了相对频移 由于相对论效应 卫星时钟每秒钟比地面时钟快约448ps 每天相差3 87E 5s 为了消除这种影响 而将卫星时钟10 23MHz的标准频率减小到10 22999999545MHz的实际频率 以进行相对论效应的常数项改正 但由于相对论效应所产生的时间偏移并不是一个常数 且时钟本身也有误差 所以对卫星时钟还需加入改正 ts 这就是时钟改正 其值为 式中为卫星时钟相对于GPS时系的钟差系数 是卫星标称频率相对于其实际频率的偏差系数 即钟速 为时钟频率的漂移系数 即钟速变化率 载于第九 十字 至于GPS时间和协调时UTC时间存在的变化差值 由地面检测站出并在导航电文中播发 3 39 GPS测量定位技术 二 数据块 三 电文块电文块有25个页面 其分配状况如下 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 3 第18页面提供电离层改正模型和协调时UTC数据 4 第25页面提供32颗卫星的防电子对抗特征符 卫星型号和第25 32颗卫星的健康状况 5 第13 14 15页面为空闲页 6 其余11个页面为备用页 四 数据块 1 第1 24页面提供第1 24颗卫星的历书 2 第25页面提供第1 24颗卫星的健康状况和星期编号 数据块 表示GPS卫星的星历 是导航定位电文的主要部分 它分三种共17个参数描述卫星的运行及其轨道 GPS测量定位技术 第五节GPS信号的接收 一 信号接收设备的组成 GPS用户设备主要包括有GPS接收机及其天线 微处理机及其终端设备和电源等 其中接收机和天线是用户设备的核心部分 它们的基本结构如右图所示 图3 16GPS信号接收系统的结构 GPS测量定位技术 一 信号接收设备的组成 如果把GPS信号接收设备作为一个用户测量系统 按其结构和作用可以分为 1 天线 带前置放大器 2 信号处理器 用于信号接收 识别和处理 3 微处理器 用于接收机的控制 数据采集和导航计算 4 用户信息传输 包括操作板 显示板和数据存储器 5 精密振荡器 用以产生标准频率 6 电源 GPS信号接收系统如果按其构成部分的性质和功能又可分为 1 硬件部分 主要指上述的接收机 天线和电源等硬件设备 2 软件部分 软件部分是现代GPS测量系统的重要组成部分 它是支持接收机硬件实现其功能 完成各种导航和定位的重要条件 一个功能齐全 品质良好的软件不仅能为用户提供极大方便 而且对于提高定位作业效率和改善定位精度 满足用户多方面的需要 具有重要的意义 GPS测量定位技术 二 天线单元 GPS信号接收机的天线单元为接收设备的前置部分 天线单元包含接收天线和前置放大器两部分 其中天线部分可能是全向振子天线或小型螺旋天线或微带天线 但从发展趋势来看 以微带天线用的最广 最有前途 微带天线是在厚度为h h 的介质基片的上下两面覆盖两块金属片构成 一块辐射金属片作为接地板 完全覆盖基片的底面 另一块辐射金属片作为辐射元置于基片顶面 这种天线把诸如放大器 震荡器 开关 可变衰减器 混频器 调相器 调制器等都一起敷设在一个介质基片上 因而它的优点是体积小 重量轻 成本低 有两种工作频率 有利于提高定位精度 缺点是增益较低 目前大部分测地型接收机天线都是微带天线 其更适用于飞机 火箭等高速飞行物上 GPS测量定位技术 二 天线单元 在地面上接收来自20200km高空的GPS卫星信号 其信号电平只有 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 一般在天线后端设置前置放大器 前置放大器的作用是将由极微弱的GPS信号的电磁波能量转换成为弱电流放大 前置放大器分外差式和高放式两种 由于外差式前置放大器不仅具有放大功能 还具有变频功能 即将高频的GPS信号变换成中频信号 这有利于获得稳定的定位精度 所以绝大多数测地型的GPS接收机采用外差式天线单元 GPS测量定位技术 三 接收单元 1 信号通道信号通道是一种软件和硬件相结合的复杂电子装置 是接收单元中的核心部分 其主要功能是跟踪 处理和量测卫星信号 以获得导航定位所需要的数据和信息 通道数目有1到24个不等 由接收机的类型而定 总的来讲 信号通道目前有相关型 平方型和相位型等三种 1 相关型通道新一代GPS信号接收机广泛采用相关型通道 它能迅速地从伪噪声码中解译出卫星电文 从而测得运动载体的实时位置 它主要由伪噪声跟踪环路和载波跟踪环路组成 GPS测量定位技术 1 信号通道 伪噪声跟踪环路的工作原理如右图的方框图所示 其主要作用是从C A码或P码中提取伪距观测量 同时对卫星信号进行解调 以获得导航电文和载波 所谓跟踪 就是使本地噪声码与接收噪声码 对齐 对齐 的功能是由环路滤波器和压控时钟构成的反馈环路等完成的 图3 17伪噪声码跟踪环路方框图 GPS测量定位技术 1 信号通道 载波信号跟踪环路的工作原理如右图的方框图所示 图中为同相乘法器 为正交乘法器 压控振荡器在误差电压的调节下工作 当压控振荡器的振荡频率与GPS信号的中心频率相同时 这时误差电压为零 即不起调节作用 这时振荡器的振荡频率稳定不变 这种情况下就叫做载波跟踪环路的相位锁定 即达到了跟踪载波的目的 这时经过低频滤波器输出的信号是纯净的数据码D t 这就可以解译GPS导航电文了 相关型通道的主要优点是 既可进行伪距测量 又可进行载波相位测量 同时还可获得导航电文 图3 18载波跟踪环路方框图 GPS测量定位技术 1 信号通道 2 平方型通道下图所示的平方型通道 在用户接收到GPS信号以后 经过变频而得到中频GPS信号 于是载波频率降低了 将中频GPS信号 自乘 得 图3 19平方型波道原理图 中频信号U的调制波A是取值为 1的二进制信号波形 其自乘结果恒等于1 因此乘法器B的输出信号是一种纯净载波 但其频率却是中频的二倍 该信 号称为重建载波 平方型波道压缩了频带宽度 但抑制数据码D t 无法检译出GPS卫星发送的导航电文 GPS测量定位技术 1 信号通道 3 码相位通道它也是一种平方型通道 如右图所示 其区别是它所得到的信号不是重建载波 而是一种码率正弦波 图中 接收码 C A码或P码 从A点输入 经延时 即二分之一码元宽度 经C点滤波得复合码 再经D点得码率正弦波 即接收机时钟所产生的秒脉冲启开时间间隔计数器后开始计数 遇到码率正弦波计数 计数 遇到码率 图3 20码相位波道示意图 正弦波 其正向过零点时关闭计数器 这样由开 关计数器的时间之差便可确定测站和卫星间的距离 这里要说明的是码相位波道只能测得不足一个码元宽度的时间间隔 因此存在多值解的问题 这可通过多普勒测量来解决 目前使用的测量型GPS接收机 多为混合型接收机 其通道普遍采用了相关和平方技术的优点 它可以同时获得码相位和载波相位观测量 导航电文和时间信息 GPS测量定位技术 2 存储器 这是GPS信号中接收机将定位现场采集的伪距 载波相位测量 人工量测的数据及解译的卫星星历储存起来的一种装置 以供差分导航和作相对定位的测后数据 存储器中的记录器有两种 一种是盒式磁带记录器 另一种是叫做内存器的内装式半导体存储器 前者在1998年以前用的较多 而后者广泛用于1998年以后的接收机中 如美国的Trimble4800 Trimble5800等 GPS测量定位技术 3 微处理机 接收机的计算部分由微处理机和机内软件组成 机内软件是由接收机生产厂家提供的 是实现数据采集 波道自校自动化的重要组成部分 主要用于信号捕获 跟踪和点位计算 微处理机结合机内软件作下列计算和处理 1 开机后指令各波道自检 并测定 校正和存储各波道的时延值 2 解译卫星星历 计算测站的三维坐标 3 由测站点位坐标和卫星星历计算所有卫星的升降时间 方位和高度角 提供可视卫星数据及卫星的工作状况 以便获得最佳定位星位 提高定位精度 4 电源一般都采用蓄电池做电源 有机内电源和机外电源轮换使用的 设置机内电池作用有三 即当机外电池电压不足时 机内电池自动接通而不中断观测 当更换机外电池时也是如此 第三个作用是关机后为存储器供电 防止数据丢失 GPS测量定位技术 本章小结 GPS定位系统包括三大部分 1 地面监控部分 2 空间卫星部分 3 用户接收部分 GPS定位的起算基准是依GPS卫星的已知瞬时位置为准 为了确定卫星的瞬时位置 必须了解卫星的运动状态和运行轨道 GPS卫星所受的作用力包括 地球重力场对卫星的引力 日 月等天体对卫星的引力 以及太阳光压 大气阻力和地球潮汐力等 理想情况下的卫星运动 是将地球视作匀质球体 且不顾及其它摄动力的影响 卫星只是在地球质心引力作用下而运动 GPS测量定位技术 本章小结 用开普勒三个定律具体描述卫星绕地球运行的基本规律 卫星的星历就是一组对应某一时刻的轨道参数值 它是计算卫星瞬时位置的依据 这些参数的数值确定卫星的运行轨道和运行状态 有了卫星星历就可以计算出任一时刻的卫星位置 GPS卫星的导航电文主要包括卫星星历 时钟改正 电离层时延改正 工作状态和C A码转换到捕获P码的信息 GPS用户设备主要包括有GPS接收机及其天线 微处理机及其终端设备和电源等 GPS测量定位技术 思考题与习题 1 主控站的主要作用有哪几条 2 地面监控部分的工作程序 3 GPS工作卫星为什么采用二万公里高近于圆形的轨道 4 GPS卫星的主要作用有哪三方面 5 GPS卫星的空间布局和运行速度决定了地面观测者具备哪些观测条件 6 什么是时间间隙段 怎样避开时间间隙段对测量定位的影响 7 GPS信号接收机按用途可分为哪三种 按携带形式可分为哪七种 8 什么是理想情况下的卫星运动 9 广播星历的优缺点 10 GPS信号接收设备的结构和作用 11 相关型通道的主要优点有哪些 12 微带天线的优缺点 13 设置机内电池作用有哪三点