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文檔簡介
1、GPSGPS介紹介紹目目 錄錄一、一、 GPS簡介簡介二二、GPS接收靈敏度接收靈敏度三、三、GPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEOGPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEO2021-12-31 一、GPS概述概述1.1、GPS構(gòu)架構(gòu)架GPS是英文Global Positioning System(全球定位系統(tǒng))的簡稱,包含了27顆能持續(xù)發(fā)送地理位置海拔高度和時(shí)間信號的衛(wèi)星,24個(gè)正常使用,3個(gè)備用,這些衛(wèi)星平均分布運(yùn)行在六個(gè)軌道上,運(yùn)行周期為12小時(shí)。一般來說,在地面上的GPS接收器能接收512個(gè)衛(wèi)星信號,而為了獲得地面上的定位坐標(biāo),GPS導(dǎo)航至少需要4個(gè)衛(wèi)星信號,三
2、個(gè)用來確定GPS接收器的緯度、經(jīng)度和海拔高度,第四個(gè)則提供同步校正時(shí)間。全球定位系統(tǒng)由三部分構(gòu)成:太空衛(wèi)星部分、地面控制部分、使用者接收機(jī)部分。全球定位系統(tǒng)框架如下圖所示: 利用三個(gè)衛(wèi)星可以得到GPS接收器的經(jīng)度、緯度以及海拔高度的信息,但是用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步,所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外,還要引進(jìn)一個(gè)t即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù),然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置,至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號。2021-12-31太空衛(wèi)星部分:太空衛(wèi)星部分:由24顆繞極使用衛(wèi)星所組成,分成六個(gè)軌道,運(yùn)行于約20200公里的高空,繞
3、行地球一周約12小時(shí)。每個(gè)衛(wèi)星均持續(xù)著發(fā)射載有衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及時(shí)間的無線電波,提供地球上的各種接收機(jī)來應(yīng)用。地面管制部分:地面管制部分:這是為了追蹤及控制上述衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn),所設(shè)置的地面管制站,主要工作為負(fù)責(zé)修正與維護(hù)每個(gè)衛(wèi)星能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù),以確保每個(gè)衛(wèi)星都能提供正確的訊息給使用者接收機(jī)來接收。使用者接收機(jī):使用者接收機(jī):追蹤所有的GPS衛(wèi)星,并實(shí)時(shí)地計(jì)算出接收機(jī)所在位置的坐標(biāo)、移動(dòng)速度及時(shí)間,各種藍(lán)牙GPS即屬于此部份。2021-12-311.2、GPS信號結(jié)構(gòu)信號結(jié)構(gòu)每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(基準(zhǔn)頻率0)、兩種載波(L1和L2)、兩種碼信號(C/A碼和P碼)、一組導(dǎo)航電文(信息
4、碼,D碼)。如下圖所示。GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號信息C/A碼精度: C/A碼精度:Horizontal 5-10mVertical 7-20mP碼精度:Horizontal 2-4mVertical 3-6m2021-12-31衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間,再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離,而是偽距(PR),當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí),會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼(簡稱偽碼)發(fā)射導(dǎo)航信息。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種,分別是民用的C/A碼(粗捕獲碼
5、)和軍用的P碼(精密碼)。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒,碼間距1微秒,碼長1023bits,碼;P碼頻率10.23MHz,碼間距0.1微秒,碼長2x1014bits。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的,保密性能更佳。GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種載波:L1:1575.42 MHz (2x77x10.23 MHz),波長L1 190 mm;L2:1227.60 MHz (2x60 x10.23 MHz),波長L2 244 mm,導(dǎo)航信息傳遞速率:50bit/s。衛(wèi)星發(fā)射信號及調(diào)制后得到的信號如下圖所示:衛(wèi)星發(fā)射信號及調(diào)制后得到的信號衛(wèi)星星歷:用于描述太空飛行體位置和速度的表達(dá)式的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。衛(wèi)星星歷
6、能精確計(jì)算、預(yù)測、描繪、跟蹤衛(wèi)星、飛行體的時(shí)間、位置、速度等運(yùn)行狀態(tài);2021-12-31手機(jī)接收的GPS信號為L1:1575.42MHz的民用信號,C/A碼經(jīng)過調(diào)制后的信號如下圖所示: C/A碼的調(diào)制過程2021-12-31P碼的調(diào)制后的信號如下圖所示:P碼的調(diào)制過程2021-12-31P碼和C/A碼經(jīng)過調(diào)制后的信號疊加過程如圖所示:P碼和C/A碼各自經(jīng)過調(diào)制后的信號的疊加信號由仙農(nóng)公式R=B*log2(1+SNR)可知,當(dāng)信道中的信噪比下降時(shí),可通過擴(kuò)展頻帶寬度來保持信道容量不變,所以在GPS中,由偽隨機(jī)碼來調(diào)制數(shù)據(jù)碼,通過擴(kuò)展信號頻譜來增強(qiáng)信號的抗干擾能力,所以GPS系統(tǒng)是一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)。
7、GPS的信號頻譜如下圖所示:擴(kuò)頻優(yōu)點(diǎn), GPS在信號功率小于噪聲功率時(shí),系統(tǒng)也能正確解碼,.缺點(diǎn)就是需要更大的帶寬2021-12-31GPS信號頻譜1.3、GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文(衛(wèi)星中解調(diào)出來的數(shù)據(jù)碼)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文(衛(wèi)星中解調(diào)出來的數(shù)據(jù)碼)導(dǎo)航電文是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它包含該衛(wèi)星的星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延改正、大氣折射改正以及由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息,也是由衛(wèi)星信號中解調(diào)出來的數(shù)據(jù)碼D(t)。這些信息以50bit/s的數(shù)據(jù)流調(diào)制在載頻上,數(shù)據(jù)采用不歸零制(NRZ)的二進(jìn)制碼。2021-12-31 接收機(jī)是衛(wèi)星信號解調(diào)的硬件設(shè)備。它主要工作是重建載波,提取測距碼信號
8、和導(dǎo)航電文。信號解調(diào)的常用方式有兩種,復(fù)制碼技術(shù)和平方解調(diào)技術(shù)。 復(fù)制碼技術(shù) 當(dāng)接收機(jī)復(fù)制出的與衛(wèi)星的測距碼信號結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼,在同步的條件下與接收到的衛(wèi)星信號相乘,即可去掉信號中的分量。這時(shí),恢復(fù)的載波依然還含有數(shù)據(jù)碼信號分量。采用這種技術(shù)的條件是必須 掌握測距碼的結(jié)構(gòu),否則將不能產(chǎn)生復(fù)制碼。 平方解調(diào)技術(shù) 將接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行平方,由于處于1狀態(tài)的調(diào)制碼,經(jīng)過平方后均變成+1,且+1不影響載波相位,所以信號經(jīng)過平方后便達(dá)到解調(diào)目的。采用這種方法不需要知道測距碼的結(jié)構(gòu),但該解調(diào)技術(shù)卻去掉了測距碼和導(dǎo)航電文,所以單獨(dú)使用的時(shí)候不能導(dǎo)航。另外該技術(shù) 將信號上的噪聲平方,使得信噪比大大降低
9、。平方解調(diào)技術(shù)一般用于L2信號解調(diào)2021-12-31二二、GPS接收靈敏度接收靈敏度GPS接收機(jī)的基帶信號處理主要包括對GPS衛(wèi)星的搜索、捕獲、跟蹤、解碼等工作,目的是為了提取各觀測量及導(dǎo)航電文數(shù)據(jù),捕獲到的GPS衛(wèi)星信號經(jīng)過解調(diào),得到數(shù)據(jù)碼,一旦得到數(shù)據(jù)碼就進(jìn)行校驗(yàn),信息位經(jīng)校驗(yàn)所得的結(jié)果同校驗(yàn)位相比較,若相同則表明接收信息正確,可以使用,若不相同則表明信息接收錯(cuò)誤,要重新接收。2021-12-312.1、GPS接收機(jī)靈敏度分析對于GPS接收系統(tǒng)而言,靈敏度指標(biāo)包括多個(gè)場景下的指標(biāo),分別為:跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度、初始啟動(dòng)靈敏度。目前業(yè)界已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤靈敏度在-160dBm 以下的接收機(jī)
10、,GPS接收機(jī)首先需要完成對衛(wèi)星信號的捕獲,完成捕獲所需要的最低信號強(qiáng)度為捕獲靈敏度捕獲靈敏度;在捕獲之后能夠維持對衛(wèi)星信號跟蹤所需要的最低信號強(qiáng)度為跟蹤靈敏度跟蹤靈敏度。為了實(shí)現(xiàn)定位,GPS 接收機(jī)還需要解調(diào)GPS 衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文,相應(yīng)的,解調(diào)導(dǎo)航電文所需要的最低信號強(qiáng)度為初初始啟動(dòng)靈敏度始啟動(dòng)靈敏度。根據(jù)上述定義可知,跟蹤靈敏度最高,捕獲靈敏度次之,初始啟動(dòng)靈敏度最差。從系統(tǒng)級的觀點(diǎn)來看,GPS接收機(jī)的靈敏度主要由兩個(gè)方面決定:一是接收機(jī)前端整個(gè)信號通路的增益及噪聲性能,二是基帶部分的算法性能。其中,接收機(jī)前端決定了接收信號到達(dá)基帶部分時(shí)的信噪比,而基帶算法則決定了解調(diào)、捕獲、跟蹤過程
11、所能容忍的最小信噪比。GPS信號是從距地面20000km 的LEO(Low Earth Orbit,低軌道衛(wèi)星)衛(wèi)星上發(fā)送到地面上來的,其L1 頻段(fL1=1575.42MHz)自由空間衰減為:2021-12-31按照GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo),L1頻段的C/A碼信號的發(fā)射EIRP(Effective Isotropic RadiatedPower,有效通量密度)為P=478.63W(26.8dBw),若大氣層衰減為A=2.0dB,則GPS系統(tǒng)L1頻段C/A碼信號到達(dá)地面的強(qiáng)度為: Pc/a=P-a-f=26.8-2.0-182.4=-157.6dB 在實(shí)際場景中,由于衛(wèi)星仰角的不同、以及受樹木、建
12、筑物等的遮擋,L1頻段C/A信號到達(dá)地面的強(qiáng)度會(huì)低于這個(gè)值。2.2、輔助GPS(AGPS)AGPS可以極大的減少首次定位(TTFF)的時(shí)間,使接收機(jī)可以識別功率電平更低的衛(wèi)星。由基站提供輔助數(shù)據(jù)來幫助手機(jī)識別可見衛(wèi)星,手機(jī)可以快速識別并計(jì)算自己的位置,TTFF可以從60秒縮短到10秒。有兩種方法可以發(fā)送和接收輔助數(shù)據(jù),一個(gè)是控制面,一個(gè)是IP數(shù)據(jù)信道。2021-12-312.3 接收性能參數(shù)冷啟動(dòng) TTFF 時(shí)間 首次定位時(shí)間TTFF( Time To First Fix) 用于衡量接收機(jī)信號搜索過程的快慢程度。 搜索過程, 也稱“信號捕獲”,包括兩個(gè)范疇。 一是所謂的C/A碼范疇,與衛(wèi)星的P
13、RN碼復(fù)制相關(guān),二是多普勒范疇與載波相關(guān)。在執(zhí)行搜索過程中,針對冷啟動(dòng)的接收機(jī),其PRN碼的不確定性可以最多至1023個(gè)碼片( chips,即GPS C/A碼的一個(gè)完整代碼段的總數(shù))的代碼不確定性,以及約+/-11 kHz的多普勒不確定性。一些接收機(jī)采用的是串行搜索過程,還有一些接收機(jī)采用并行(多相關(guān)器)過程。更快的設(shè)計(jì)采用的是匹配濾波器(Matched Filter)或快速傅立葉變化( FFT)技術(shù)。最新的技術(shù)采用的是多種代碼的混合復(fù)制技術(shù),而非分立的代碼。 冷啟動(dòng)TTFF定義為接收機(jī)加電至其捕獲第一個(gè)有效導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間, 但需滿足如下條件:時(shí)間未知、當(dāng)前歷書( Almanac) 和星
14、歷(ephemeris)未知、位置未知。2021-12-31 溫啟動(dòng)溫啟動(dòng)TTFF TTFF 時(shí)間時(shí)間 時(shí)間已知、歷書已知、無星歷( 或數(shù)據(jù)存在時(shí)間超過4個(gè)小時(shí))、位置距上次定位點(diǎn)100公里以內(nèi)熱啟動(dòng)熱啟動(dòng)TTFF TTFF 時(shí)間時(shí)間 時(shí)間已知、歷書已知、星歷已知、位置距上次定位點(diǎn)100公里以內(nèi)捕獲靈敏度捕獲靈敏度 捕獲靈敏度是發(fā)生“第一次定位”時(shí)能夠接收到的最低功率水平。 該靈敏度的子集包括了在冷啟動(dòng)、 溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)條件下的獨(dú)立測量值。 跟蹤靈敏度跟蹤靈敏度 所謂跟蹤靈敏度就是接收機(jī)能夠連續(xù)保持鎖定所需要的最低功率水平。 跟蹤閾值與由接收機(jī)鎖相環(huán)( PLL) 跟蹤環(huán)路中的誤差源而導(dǎo)致的測試
15、誤差有著密切的關(guān)系。 相位誤差、 動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差( dynamic stress error) 和熱噪聲是主要的誤差來源。 將這些因素減至最小可以使接收機(jī)能夠以更低的功率連續(xù)跟蹤信號。在任何情況下, 跟蹤閾值應(yīng)低于捕獲敏感度。2021-12-31重捕獲時(shí)間重捕獲時(shí)間 重捕獲時(shí)間是指接收機(jī)在丟失所有接收信號狀態(tài)下, 重新接收到信號到獲得第一個(gè)有效導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)所需的時(shí)間。較快的重捕獲時(shí)間對于車輛導(dǎo)航來說至關(guān)重要。 設(shè)想一輛車從隧道中快速駛出, 期間該車已失去所有的衛(wèi)星信號。 在駛出隧道后, 馬上就有一個(gè)路口, 而駕駛者必須在此駛出道路。 在這種情況下, 導(dǎo)航系統(tǒng)需要迅速地恢復(fù)導(dǎo)航, 以給出正確的“現(xiàn)在
16、駛出”的指令。靜態(tài)導(dǎo)航精度靜態(tài)導(dǎo)航精度 靜態(tài)導(dǎo)航精度是接收機(jī)的定位位置相較于一個(gè)已知位置點(diǎn)的精度。 該精度具備三個(gè)特點(diǎn): 可預(yù)測性相對于一個(gè)已知、 標(biāo)定的位置點(diǎn), 接收機(jī)解算的位置與之比較應(yīng)處于該精度范圍內(nèi)。 要求兩者基于相同的大地坐標(biāo)系( geodetic datum) 。 可重復(fù)性在該靜態(tài)導(dǎo)航精度范圍內(nèi), 用戶可以返回到此前用同一接收機(jī)測知的某坐標(biāo)點(diǎn)。 相 對 性 意味著一個(gè)用戶測得的位置與另一用戶在同一時(shí)間使用相同接收機(jī)測得位置都處于該精度范圍內(nèi)。2021-12-313 3、GPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEOGPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEOGPSGPS 2.046 MHz BW N
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