GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號.ppt

第四章 GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號,中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,王 堅,本章需學習的內容： 4.1 GPS衛(wèi)星導航電文（指衛(wèi)星星歷、時鐘改正、轉換碼等） 4.2 GPS衛(wèi)星信號（指測距用偽隨機碼信號及載波信號） 4.3 衛(wèi)星位置的計算（由導航電文計算觀測時刻衛(wèi)星的地球坐標系坐標） 4.4 GPS接收機基本工作原理,4.1 GPS衛(wèi)星的導航電文,GPS衛(wèi)星的導航電文（簡稱衛(wèi)星電文又叫數(shù)據(jù)碼（D碼）：是用戶用來定位和導航的數(shù)據(jù)基礎。它主要包括：衛(wèi)星星歷、時鐘改正、電離層時延碼轉換到捕獲P碼的信息。 它的基本單位是長1500bit的一個主幀（如圖4-1所示），傳輸速率是50bit/s,30秒鐘傳送完畢一個主幀。一個主幀包括5個子幀，第1、2、3子幀每30秒鐘重復一次，內容每小時更新一次。第4、5子幀的全部信息則需要750秒鐘才能夠傳送完。即第4、5子幀是12.5分鐘播完一次，然后再重復之，其內容僅在衛(wèi)星注入新的導航數(shù)據(jù)后才得以更新。,4.1 GPS衛(wèi)星的導航電文,4.1.1遙測碼（TLW，即Telemetry Word） 遙測碼位于各子幀的開頭，它用來表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)，以次指示用戶是否選用該顆衛(wèi)星。 4.1.2轉換碼（HOW,即Hand Over Word） 轉換碼位于每個子幀的第二個字碼，其作用是提供幫助用戶從所捕獲的C/A碼轉換到捕獲P碼的Z計數(shù)，它表示從每星期天零時到星期六24小時，P碼子碼X1的周期（1.5秒）重復數(shù)。 4.1.3 第一數(shù)據(jù)塊 第一數(shù)據(jù)塊位于第1子幀的第310字碼，它的主要內容包括：標識碼，時延差改正；星期序號；衛(wèi)星健康狀況；數(shù)據(jù)齡期；衛(wèi)星時鐘改正系數(shù)等。 1.時延差改正時延差改正就是載波L1、L2的電離層時延差。當使用單頻接收機時，為了減小電離層的影響，提高定位精度，要用改正觀測結果，雙頻接收機可通過L1，L2兩頻率的組合來消除電離層的影響，不需要此項改正。,2.數(shù)據(jù)齡期AODC 衛(wèi)星時鐘的數(shù)據(jù)齡期AODC是時鐘改正數(shù)的外推時間間隔，它指明衛(wèi)星時鐘改正數(shù)的置信度。 AODC=Toc-tl (4-1) 式中：toc為第一數(shù)據(jù)塊的參考時刻；tl是計算時鐘改正參數(shù)所用數(shù)據(jù)的最后觀測時間。 3.星期序號WN WN表示從1980年1月6日子夜零點（UTC）起算的星期數(shù)，即GPS星期數(shù)。 4.衛(wèi)星時鐘改正 GPS時間系統(tǒng)是以地面主控站的主原子鐘為基準。由于主控站主鐘的不穩(wěn)定性，使得GPS時間和UTC時間之間存在著差值。地面監(jiān)控系統(tǒng)通過臨測確定出這種差值，并用導航電文播發(fā)給廣大用戶。 每一顆GPS衛(wèi)星的時鐘相對GPS時系存在著差值，需加以改正，這是衛(wèi)星時鐘改正： ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2,4.1.4 第二數(shù)據(jù)塊 包含第2和第3子幀，其內容表示GPS衛(wèi)星的星歷，這些數(shù)據(jù)為用戶提供了有關計算衛(wèi)星運動位置的信息。描述衛(wèi)星的運行及其軌道的參數(shù)包括下列三類。（如圖4-2所示） 1.開普勒六參數(shù) 這6個參數(shù)為： ，e,i0,0，M0 2.軌道攝動九參數(shù) 這9個參數(shù)為：n， , ，Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis（其含義同 3.4） 3.時間二參數(shù) (1)從星期日子夜零點開始度量的星歷參考時刻toe； (2)星歷表的數(shù)據(jù)齡期AODE，有: AODEtoe-t1 式中t1為作預報星歷測量的最后觀測時間，因此AODE就是預報星歷的外推時間長度。,4.1.5 第三數(shù)據(jù)塊 第三數(shù)據(jù)塊包括第4和第5兩個子幀，其內容包括了所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。當接收機捕獲到某顆GPS衛(wèi)星后，根據(jù)第三數(shù)據(jù)塊提供的其他衛(wèi)星的概略星歷、時鐘改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，用戶可以選擇工作正常和位置適當?shù)男l(wèi)星，并且較快地捕獲到所選擇的衛(wèi)星。 1.第4子幀 (1)第2，3，4，5，7，8，9，10頁面提供第2532顆衛(wèi)星的歷書； (2)第17頁面提供專用電文，第18頁面給出電離層改正模型參數(shù)和UTC數(shù)據(jù)； (3)第25頁面提供所以衛(wèi)星的型號、防電子對抗特征符和第2532顆衛(wèi)星的健康狀況； (4)第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24頁作備用，第13，14，15頁為空閑頁。 2.第5子幀 (1)第124頁面給出第124顆衛(wèi)星的歷書； (2)第25頁面給出第124顆衛(wèi)星的健康狀況和星期編號。 在第三數(shù)據(jù)塊中，第4和第5子幀的每個頁面的第3字碼，其開始的8個比特是識別字符，且分成兩種形式：（a）第1和第2比特為電文識別（DATA ID）；(b)第38比特為衛(wèi)星識別（SV ID）。,GPS衛(wèi)星信號的產生,GPS衛(wèi)星信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導航定位的調制波，它包含有：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。時鐘基本頻率為10.23MHz。GPS信號的產生，如圖4-3所示。 GPS信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導航定位的已調波，其載波處于L(22cm)波段，其調制波是衛(wèi)星電文和偽隨機噪聲碼的組合碼。GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導航電文稱為數(shù)據(jù)碼，其碼的碼率f=50HZ。怎樣才能有效將低碼率的導航電文發(fā)送給用戶這是關系到GPS系統(tǒng)成敗與否的大問題。一種有效的發(fā)送方法是：用低碼率的數(shù)據(jù)碼作二級調制(擴頻)。第一級，用50Hz的D碼調制一個偽噪聲碼，如調制一個被叫做P碼的偽噪聲碼，后者的碼率高達10.23MHZ。D碼調制P碼的結果是形成一個組合碼，致使D碼信號的頻帶寬度從50Hz擴展到了10.23MHZ，也就是說，GPS衛(wèi)星原擬發(fā)送50bits的D碼，轉變?yōu)榘l(fā)送10.23Mbits的組合碼P(t)D(t)。,4.2 GPS衛(wèi)星信號,GPS衛(wèi)星信號的產生,在D碼調制偽噪聲碼以后，再用它們的組合碼去調制L波段的載波，實現(xiàn)D碼的第二級調制從而形成向用戶發(fā)送的已調波。每顆GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送兩種巳調波。為了敘述方便，分別將兩者稱為第一和第二GPS衛(wèi)星射電信號，總稱為GPS信號。,4.2 GPS衛(wèi)星信號,GPS衛(wèi)星信號的產生,基準頻率 10.23MHZ,L1 1575.42MHZ,C/A碼 1.023MHZ,P碼 10 . 23MHZ,L2 1227.60MHZ,P碼 10.23MHZ,10,154,120,50比特/S,衛(wèi)星信息電文(D碼),每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(基準頻率) 兩種載波(L1和L2) 兩種碼信號(C/A碼和P碼) 一組導航電文(信息碼，D碼),4.2 GPS衛(wèi)星信號,衛(wèi)星信號的頻率,基本頻率(f0) 10.23 MHz 載波相位L1 (154f0) = 1575.42 MHz 載波相位L2 (120f0) = 1227.60 MHz P Code (f0) 10.23 MHz C/A Code (f0/10) 1.023 MHz 導航信息(f0/204600) 50 Hz,4.2 GPS衛(wèi)星信號,4.2 GPS衛(wèi)星信號,GPS衛(wèi)星信號:調制波.含載波（L1=1575.42MHz，L2=1227.6MHz）、測距碼(C/A,P)、數(shù)據(jù)碼。 偽隨機碼PRN：波形圖與信號結構見右圖。 測距碼調制方式：相位調制。 GPS信號結構:,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分別為：P碼與C/A碼的振幅；D（t）為數(shù)據(jù)碼,偽隨機噪聲碼的相位調制,偽隨機噪聲碼的產生及特性,偽隨機噪聲碼又叫偽隨機碼或者偽噪聲碼，簡稱：PRN，是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。他不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相關特性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。GPS信號中使用了偽隨機碼技術，識別和分離各顆衛(wèi)星信號，并提供無模糊度的測距數(shù)據(jù)。 偽隨機噪聲碼的產生方式很多。GPS技術采用m序列，即產生于最長線性反饋移位寄存器。,4.2 GPS衛(wèi)星信號,偽隨機碼的產生-M序列線性反饋移位寄存器,M序列的特性: 1.均衡性：一周中1與0基本相等。1比0多1個。不允許全0。 2.游程分布：相同碼元連在一起為一游程。左圖4 級M序列為8個游程：長度為1的4個，長度為2的2個，長度為3的1個，長度4的1個。 3.移位相加特性：一個M序列與其移位后另一M序列相加仍是M序列。4 級M序列的周期m=15 4.自相關特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m 5.偽噪聲特性：M序列為偽隨機碼或人工復制噪聲碼。,a3,a2,a1,a0,初始1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 ,4 級M 序列的產生方框圖 輸出M序列: 000111101011001,輸出,m序列偽隨機噪聲碼的自相關特性,對齊時：000111101011001 未對齊時：000111101011001 000111101011001 100011110101100 A=15,D=0,R=（A-D）/m=1 A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15,C/A碼與P（y）碼,C/A碼粗測距碼。周期為1ms的兩個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，可產生1023個G2（t）。每顆衛(wèi)星選擇一個C/A（t），每個接收機同時具有所有衛(wèi)星的C/A（t）。這些C/A碼具有相同的碼長N=1023bit，相同的周期Tu=Ntu=1ms，相同的碼元寬tu=1/f=0.98s-293.1m。 P(y)碼精測距碼。由兩個偽隨機碼PN1（t）和PN2（t）相乘組成。碼長為2.35E14，周期為267天。碼元寬度0.098 s. P（t）=PN1（t）*PN2（t+ni） ni取0-36不同的數(shù)值，可得到37種P碼。實際應用中P碼采用7天的周期。每周六午夜零點P碼置全1狀態(tài)為起始點。,GPS廣播星歷中用于衛(wèi)星軌道計算的參數(shù)：1個參考時刻、6個軌道參數(shù)、9個受攝動影響的參數(shù),參考時刻toe：又叫預報時刻。以星期日零點為起點。 星歷表數(shù)據(jù)量AODE=toe-tl，星鐘數(shù)據(jù)量AODC=toc-tl GPD周數(shù)，Tgd時延差改正，ao,a1,a2鐘差參數(shù)。 6個軌道參數(shù)：Mo，e，a，io，o，。（對應toe） 9個攝動參數(shù)：n，d/dt，di/dt，Cuc，Cus，Crc，Crs，Cic，Cis。,星期日0h,定軌觀測最后時刻tl,星歷預報toe,AODE,星鐘預報toc,AODC,觀測時刻t,4.3 GPS衛(wèi)星的坐標計算,根據(jù)開普勒軌道參數(shù)，可計算衛(wèi)星在不同坐標系中的瞬時坐標，而在實際工作中，由于軌道攝動的影響，具體計算方法有所不同。本節(jié)介紹在協(xié)議地球坐標系中GPS衛(wèi)星位置的計算步驟： 1.計算真近點角Vk 計算平均角速度 加上導航電文給出的攝動改正數(shù) 得衛(wèi)星運行的平均角速度為,4.3 GPS衛(wèi)星的坐標計算,計算歸化時間 首先對觀測時刻 做衛(wèi)星鐘差改正 然后將改正后觀測時刻t歸化到GPS時間系統(tǒng)中 （為觀測時刻與廣播星歷之間時間間隔） 注意 不同,計算觀測時刻t的平近點角Mk和偏近點角Ek 計算觀測時刻的真近點角Vk（與Ek唯一對應）,2.計算升交距角及軌道攝動改正項 升交距角： 攝動改正項 3.計算升交距角、衛(wèi)星的地心距離及軌道傾角,4.計算衛(wèi)星在軌道坐標系中的坐標（x,y,z） (這里的X軸指向了升交點） 5.計算升交點的經度 6.計算在地固坐標系中的空間直角坐標,7.計算在協(xié)議地球坐標系中的空間直角坐標,8.考慮極移的影響，最后得到在協(xié)議地球坐標系中的空間直角坐標,4.4 GPS接收機基本工作原理,1.按接收機的用途分類 按用途接收機可分為： (1) 導航型接收機 此類型接收機主要用于運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機一般采用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低一般為25m,有SA影響時為100m。這類接收機價格便宜，應用廣泛。根據(jù)應用領域的不同，此類接收機可以進一步分為： 車載型用于車輛導航定位； 航海型用于船舶導航定位； 航空型用于飛機導航定位。由于飛機運行速度快，因此，在航空用的接收機要求能適應高速運動。 星載型用于衛(wèi)星的導航定位。由于衛(wèi)星的運動速度高達7公里/s以上，因此對接收機的要求更高。,4.4.1 GPS接收機的分類,(2) 測地型接收機 測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結構復雜，價格較貴。 (3) 授時型接收機 這類接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。,4.4.1 GPS接收機的分類,2.按接收機的載波頻率分類 (1) 單頻接收機 單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（15km）的精密定位。 (2) 雙頻接收機 雙頻接收機可以同時接收，載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號延遲的影響，因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。,3.按接收機通道數(shù)分類 GPS接收機能同時接收多顆GPS衛(wèi)星的信號，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號，以實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據(jù)接收機所具有的通道種類可分為： (1) 多通道接收機 (2) 序貫通道接收機 (3) 多路多用通道接收機,4.按接收機工作原理分類 (1) 碼相關型接收機 碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀測值。 (2) 平方型接收機 平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調制信號，來恢復完整的載波信號，通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。 (3) 混合型接收機 這種儀器是綜合上述兩種接收機的優(yōu)點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。 (4) 干涉型接收機 這種接收機是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。,GPS接收機主要由 1、GPS接收機天線單元；2、GPS接收機主機單元；3、電源三部分組成。 接收機主機由變頻器、信號通道、微處理器、存貯器及顯示器組成。,4.4.2 GPS接收機的組成及工作原理,1.GPS接收機天線 天線由接收機天線和前置放大器兩部分所組成。天線的作用是將GPS衛(wèi)星信號的極微弱的電磁波能轉化為相應的電流，而前置放大器則是將GPS信號電流予以放大。為便于接收機對信號進行跟蹤、處理和量測，對天線部分有以下要求： 天線與前置放大器應密封一體，以保障其正常工作，減少信號損失； 能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號，不產生死角； 有防護與屏蔽多路徑疚的措施； 天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心晝一致。,GPS接收機天線有下列幾種類型： (1)單板天線 這種天線結構簡單、體積較小，需要安裝在一塊基板上，屬單頻天線。 (2)四螺旋形天線 四螺旋形天線是由四條金屬管線繞制而成，底部有一塊金屬掏板。這種天線頻帶寒風，全圓極化性能好，可捕捉低高度角衛(wèi)星。缺點是不能進行雙頻接收，抗震性差，常用作導航型接收機天線。 (3)微帶天線 微帶天線是在厚度為h（h）的介質板兩邊貼以金屬片。一邊為金屬底板，一邊做成矩形或圓形等規(guī)則形狀，見圖4-9。這種天線也稱為貼片天線。微帶天線的特點是高度低，重輕，結構簡單并且堅固，易于制造；既可用于單頻機，又可用于雙頻機。缺點是增益較低。目前大部分測地型天線都是微帶天線。這種天線更適用于飛機、火箭等高速飛行物上。,(4)錐形天線 錐形天線是在介質錐體上，利用印刷電路技術在其上制成導電圓錐螺旋表面，也稱盤旋螺線型天線。這種天線可以同進出在兩個頻率上工作。錐形天線的特點是增益好。但是由于其天線較高，并且在水平方向上不對稱，天線相位中心與幾何中心不完全一致。因此，在安置天線時要仔細定向并且要給于補償。 GPS天線接收來自20000km高空的衛(wèi)星信號很弱，信號電平只有-50-180dB;輸入功率信噪比為S/N=-30dB。即信號源淹沒在噪聲中。為了提高信號強度，一般在天線后端設有前置放大器。對于雙頻接收機設有兩路前置放大器以養(yǎng)活帶寬，控制外來信號干擾，也防止f1,f2信號干擾。大部分GPS天線都與前置放大器結合在一起，但也有些導航型接收機為減少天線重量、便于安置、避免雷電事故，而將天線和前置放大器分開。,2.接收機主機 (1)變頻器及中頻接收放大器 經過GPS前置放大器的信號仍然很微弱，為了使接收機通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使L頻段的射頻信號變成低頻信號，必須采用變頻器。 (2)信號通道 信號通道是接收機的核心部分，GPS信號通道是硬軟件結合的電路。不同類型的接收機其通道是不同的。 GPS信號通道的作用有三：搜索衛(wèi)星，索引并跟蹤衛(wèi)星；對廣播電文數(shù)據(jù)信號衽解擴，解調出廣播電文；進行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。 從衛(wèi)星接收到的信號是擴頻的調制信號，所以要經過解擴、解調才能得到導航電文。為了達到此目的，在相關通道電路中設有偽碼相位跟蹤環(huán)和載波相位跟蹤環(huán)。,(3)存貯器 接收機內設有存貯器或存貯卡以存貯衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、接收機采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及多普勒頻移。目前，GPS接收機都裝有半導體存貯器（簡稱內存），接收機內存數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)口傳到微機上，以便進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。在存貯器內還裝有多種工作軟件，如：自測試軟件；衛(wèi)星預報軟件；導航電文解碼軟件；GPS單點定位軟件等。 (4)微處理器 微處理器是GPS接收機工作的靈魂，GPS接收機工作都是在微機指令統(tǒng)一協(xié)同下進行的。其離要工作步驟為： 接收機開機后首先對整個接收機工作善進行自檢，并測定、校正、存貯各通道的時延值。,