第二章第二節(jié)GPS衛(wèi)星信號(2)

1、第二節(jié)第二節(jié) GPS衛(wèi)星運動和星歷衛(wèi)星運動和星歷 無攝運動：只考慮地球質心引力 受攝運動：包括地球引力在內的所有攝動力影響下的衛(wèi)星運動。衛(wèi)星運動 a:軌道長半徑 e:軌道偏心率 I :軌道傾角 :升交點赤經 :近地點角距 v:真近點角開普勒軌道六參數(shù) 預報星歷 后處理星歷GPS衛(wèi)星星歷第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號 GPSGPS衛(wèi)星定位是通過地面接收機通過接收衛(wèi)星定位是通過地面接收機通過接收GPSGPS信號，并信號，并對其解譯來獲得數(shù)據(jù)進行定位和測量的。對其解譯來獲得數(shù)據(jù)進行定位和測量的。GPSGPS衛(wèi)星信號是由衛(wèi)星信號是由載波信號、測距碼載波信號、測距碼和和導航電文導航電文三部分組成的

2、。三部分組成的。 它能滿足多用它能滿足多用戶系統(tǒng)的導航、高精度定位的需要。戶系統(tǒng)的導航、高精度定位的需要。載波信號載波信號測距碼測距碼導航電文導航電文L L1 1L L2 2L2CL2C碼碼第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星信號的內容 GPSGPS載波信號載波信號L L1 1載波載波GPSGPS的測距碼的測距碼C/AC/A碼碼P P碼碼導航導航電文電文衛(wèi)星的星歷衛(wèi)星的星歷衛(wèi)星工作狀態(tài)衛(wèi)星工作狀態(tài)時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)軌道攝動改正軌道攝動改正大氣折射改正大氣折射改正L L2 2載波載波GPSGPS衛(wèi)衛(wèi)星星信信號號L2CL2C碼碼第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信

3、號一、一、GPSGPS衛(wèi)星的載波信號衛(wèi)星的載波信號載波：載波：可運載調制信號的高頻震蕩波?？蛇\載調制信號的高頻震蕩波。GPSGPS衛(wèi)星發(fā)衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號，由于它屬于微波的射兩種頻率的載波信號，由于它屬于微波的L L波段，波段，故分別稱為故分別稱為L L1 1和和L L2 2載波。載波。在無線電通信技術中，為了有效地傳播信息，都是將頻率在無線電通信技術中，為了有效地傳播信息，都是將頻率較低的信號加載在頻率較高的載波上，此過程稱為調制。較低的信號加載在頻率較高的載波上，此過程稱為調制。然后載波攜帶著有用信號傳送出去，到達用戶接收機。然后載波攜帶著有用信號傳送出去，到達用戶接收機。GPSG

4、PS使用的兩種載波，都是由衛(wèi)星上的原子鐘所產生的基使用的兩種載波，都是由衛(wèi)星上的原子鐘所產生的基準頻率準頻率 f f0 0=10.23MH=10.23MHZ Z倍頻的倍頻的154154倍和倍和120120倍產生。倍產生。 第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號L1載波載波：fL1=154f0=1575.42MHz,波長波長1=19.032cm, L2載波載波：fL2=120f0=1227.6MHz,波長波長2=24.42cm。載波還具有測距功能，在載波相位測量中可以進行載載波還具有測距功能，在載波相位測量中可以進行載波測距。波測距。 選擇這兩個載波的目的是：測量出或消除掉由于電離選擇這兩個載波的

5、目的是：測量出或消除掉由于電離層而引起的延遲誤差。層而引起的延遲誤差。 一、一、GPSGPS衛(wèi)星的載波信號衛(wèi)星的載波信號第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號“碼碼”的概念的概念 在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進制數(shù)（在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進制數(shù)（0和和1）及其組）及其組合，來表示各種信息。表達不同信息的二進制數(shù)及其組合，合，來表示各種信息。表達不同信息的二進制數(shù)及其組合，稱為稱為。一位二進制數(shù)叫一個碼元或一比特（。一位二進制數(shù)叫一個碼元或一比特（Bit）。比特為）。比特為碼和信息量的度量單位。碼和信息量的度量單位。 在二進制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)稱為在二進制數(shù)字化信息的傳輸中

6、，每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)稱為數(shù)碼率，表示數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為數(shù)碼率，表示數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為bit/s。二、二、GPSGPS的測距碼信號的測距碼信號第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號二、二、GPSGPS的測距碼信號的測距碼信號測距碼:是用于測定從衛(wèi)星至接收機間距離的二進制碼。GPS衛(wèi)星所采用的兩種測距碼，即C/A碼和P碼（或Y碼），均屬于偽隨機噪聲碼。在信息理論中我們把一組不包含我們想要的有用信息的量稱為噪聲。 偽隨機噪聲碼（Pseudo Random NoicePRN）簡稱偽隨機碼或偽碼。像噪聲一樣隨機分布，可準確復制的一組二進制數(shù)碼序列。由一個“多極反饋移位寄存器”的裝置產生的

7、。第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號（1）C/A碼：又稱粗捕獲碼，即用于進行粗略測距和捕獲精碼：又稱粗捕獲碼，即用于進行粗略測距和捕獲精碼的測距碼。碼的測距碼。 被被調制在調制在L1載波上載波上，是，是1.023MHz的偽隨機噪聲碼（的偽隨機噪聲碼（PRN碼）。由衛(wèi)星上的原子鐘所產生的基準頻率碼）。由衛(wèi)星上的原子鐘所產生的基準頻率f0降頻降頻10倍產生，倍產生，即：即：1.023MHz。C/A碼碼長碼碼長Nu=1023bit，碼元寬為，碼元寬為tu 0.97752 s,相應的距離為相應的距離為293.1m。周期為。周期為Tu= 1ms，數(shù)碼率為，數(shù)碼率為1.023Mbit/s。測距精度為。測

8、距精度為（23）m。二、二、GPS的測距碼信號的測距碼信號第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號二、二、GPSGPS的測距碼信號的測距碼信號特性：特性：（1）C/A碼的碼長較短（周期小于碼的碼長較短（周期小于1ms），共），共1023個碼元，個碼元，若以每秒若以每秒50碼元的速度搜索，只需碼元的速度搜索，只需20.5s，易于捕獲，易于捕獲，稱捕稱捕獲碼。獲碼。（2）碼元寬度大，為為）碼元寬度大，為為0.97752 s（碼元持續(xù)時間），相（碼元持續(xù)時間），相應的距離應的距離(空間矢距空間矢距)較大較大（293.1m）。使得。使得相應的測距誤相應的測距誤差為差為2.9m。由于精度低，又稱。由于精度低

9、，又稱粗碼粗碼。 由于每顆衛(wèi)星的由于每顆衛(wèi)星的C/A碼都不一樣，因此，我們經常用碼都不一樣，因此，我們經常用它們的它們的PRN號來區(qū)分它們。號來區(qū)分它們。C/A碼是普通用戶用以測定測碼是普通用戶用以測定測站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號。站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號。第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號（2）P碼碼 P碼又稱碼又稱精碼精碼，即用于精確測定從，即用于精確測定從GPS衛(wèi)星至接收機距離的衛(wèi)星至接收機距離的測距碼。測距碼。 調制在調制在L1載波和載波和L2載波上載波上，是，是10.23MHz的偽隨機噪聲碼，直的偽隨機噪聲碼，直接使用原子鐘基準頻率。由于被同時調制在接使用原子鐘基準頻

10、率。由于被同時調制在L1和和 L2兩種載波上，兩種載波上，可完善的消除電離層延遲，故用它測距可獲得較精確結果。可完善的消除電離層延遲，故用它測距可獲得較精確結果。 P碼碼長碼碼長Nu 2.35 1014比特，碼元寬為比特，碼元寬為tu=0.097752 s，相應的，相應的距離為距離為29.3m。周期為。周期為Tu 267d，數(shù)碼率為，數(shù)碼率為10.23Mbit/s。 第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號 P P碼的周期較長，碼的周期較長，267267天重復一次，實際應用時天重復一次，實際應用時P P碼的周碼的周期被分成期被分成3838部分，（每一部分為部分，（每一部分為7 7天，碼長約天，碼長

11、約6.19 6.19 10101212比比特），其中特），其中1 1部分閑置，部分閑置，5 5部分給地面監(jiān)控站使用，部分給地面監(jiān)控站使用，3232部分部分分配給不同衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星使用分配給不同衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星使用P P碼的不同部分，都具有相碼的不同部分，都具有相同的碼長和周期，但結構不同。同的碼長和周期，但結構不同。 P P碼的捕獲一般是先捕獲碼的捕獲一般是先捕獲C/AC/A碼，再根據(jù)導航電文信息，碼，再根據(jù)導航電文信息，捕獲捕獲P P碼。由于碼。由于P P碼的碼元寬度為碼的碼元寬度為C/AC/A碼的碼的1/101/10，相應的距，相應的距離誤差為離誤差為0.29m0.29m，故，故P P碼稱為

12、碼稱為精碼精碼。P碼特性：碼特性：第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號三、三、GPSGPS衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼）衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼） GPSGPS衛(wèi)星的導航電文衛(wèi)星的導航電文：所謂導航電文，就是包含了有關衛(wèi)星：所謂導航電文，就是包含了有關衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由改正、大氣折射改正和由C/AC/A碼捕獲碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼碼捕獲碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼( (或或D D碼碼) )。它分為預報星歷、和精密星歷。是用戶用來定位和導航的數(shù)。它分為預報星歷、和精密星歷。是用戶用來定位和導航的

13、數(shù)據(jù)基礎。被據(jù)基礎。被調制在調制在L L1 1載波上載波上。 導航電文也是二進制碼，依規(guī)定格式組成，按導航電文也是二進制碼，依規(guī)定格式組成，按“幀幀”向外播送。向外播送。每幀電文含有每幀電文含有15001500比特，播送速度比特，播送速度50bit/s50bit/s，每幀播送時間，每幀播送時間30s30s。 每幀導航電文含每幀導航電文含5 5個子幀，每個子幀分別含有個子幀，每個子幀分別含有1010個字，每個字個字，每個字3030比特，故每個子幀共比特，故每個子幀共300300比特，播發(fā)時間比特，播發(fā)時間6s6s。為記載所有的衛(wèi)。為記載所有的衛(wèi)星，子幀星，子幀4 4、5 5各含有各含有2525頁

14、。子幀頁。子幀1 1、2 2、3 3和子幀和子幀4 4、5 5的每一頁構的每一頁構成一個主幀。主幀中成一個主幀。主幀中1 1、2 2、3 3的內容每小時更新一次，的內容每小時更新一次，4 4、5 5的內的內容僅當給衛(wèi)星注入新的導航電文后才得以更新。容僅當給衛(wèi)星注入新的導航電文后才得以更新。包含包含5個子幀個子幀包含包含10個字個字30個個bit第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號（1 1）遙測碼（）遙測碼（TLMTelemetry WordTLMTelemetry Word） 位于各子幀的開頭位于各子幀的開頭，用來表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)，也是作，用來表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)，也是作為捕獲導航電文

15、的前導。接收機從該起點開始解譯電文。為捕獲導航電文的前導。接收機從該起點開始解譯電文。（2 2）轉換碼（）轉換碼（HOWHand Over WordHOWHand Over Word） 緊接各子幀的遙測碼，位于各子幀的第二個字碼緊接各子幀的遙測碼，位于各子幀的第二個字碼。主要向用。主要向用戶提供用于捕獲戶提供用于捕獲P P碼的碼的Z Z計數(shù)。所謂計數(shù)。所謂Z Z計數(shù)是從每個星期六計數(shù)是從每個星期六/ /星期日子夜零時起算的時間記數(shù)，表示下一子幀開始瞬間的星期日子夜零時起算的時間記數(shù)，表示下一子幀開始瞬間的GPSGPS時時。知道了。知道了Z Z計數(shù)，即知道了觀測瞬間計數(shù)，即知道了觀測瞬間P P碼

16、周期中所處的碼周期中所處的正確位置，便可迅速捕獲正確位置，便可迅速捕獲P P碼。碼。三、三、GPSGPS衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼）衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼）第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號一幀導航電文的內容一幀導航電文的內容TLM HOW第1數(shù)據(jù)塊:時鐘修正參數(shù)等TLM HOWTLM HOWTLM HOWTLM HOW12345一個子幀6s長，10個字，每字30比特1幀30s1500比特三、三、GPSGPS衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼）衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼）第二數(shù)據(jù)塊：衛(wèi)第二數(shù)據(jù)塊：衛(wèi)星星歷星星歷第三數(shù)據(jù)塊：所第三數(shù)據(jù)塊：所有衛(wèi)星星歷有衛(wèi)星星歷第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號（3 3）第一數(shù)據(jù)

17、塊：）第一數(shù)據(jù)塊：位于第一子幀的第位于第一子幀的第310bit310bit，主要包括衛(wèi)星鐘，主要包括衛(wèi)星鐘改正參數(shù)及數(shù)據(jù)齡期改正參數(shù)及數(shù)據(jù)齡期AODCAODC、星期的周數(shù)編號、電離層改正參、星期的周數(shù)編號、電離層改正參數(shù)、和衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息。數(shù)、和衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息。 衛(wèi)星鐘改正參數(shù)：衛(wèi)星鐘改正參數(shù)：a a0 0、a a1 1、a a2 2分別表示該衛(wèi)星的鐘差分別表示該衛(wèi)星的鐘差 、鐘速和、鐘速和鐘速變化率。即衛(wèi)星的適中相對鐘速變化率。即衛(wèi)星的適中相對GPSTGPST存在的差值。存在的差值。 數(shù)據(jù)齡期數(shù)據(jù)齡期AODAAODA：表示基準時間與最近一次更新星歷的時間之差，：表示基準時間與最近一次

18、更新星歷的時間之差，主要用于評價鐘改正數(shù)的可信程度。主要用于評價鐘改正數(shù)的可信程度。 現(xiàn)時星期編號現(xiàn)時星期編號WNWN：表示從：表示從19801980年年1 1月月6 6日協(xié)調時零點起算的日協(xié)調時零點起算的GPSGPS時星期數(shù)。時星期數(shù)。時延差改正：即載波時延差改正：即載波L L1 1和和L L2 2的電離層時延差。單頻機需用，雙頻的電離層時延差。單頻機需用，雙頻機不需要。機不需要。第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號一幀導航電文的內容一幀導航電文的內容TLM HOW第1數(shù)據(jù)塊:時鐘修正參數(shù)等TLM HOWTLM HOWTLM HOWTLM HOW12345一個子幀6s長，10個字，每字30比

19、特1幀30s1500比特三、三、GPSGPS衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼）衛(wèi)星的導航電文（數(shù)據(jù)碼）第二數(shù)據(jù)塊：衛(wèi)第二數(shù)據(jù)塊：衛(wèi)星星歷星星歷第三數(shù)據(jù)塊：所第三數(shù)據(jù)塊：所有衛(wèi)星星歷有衛(wèi)星星歷第三節(jié)第三節(jié) GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號（4 4）第二數(shù)據(jù)塊：導航電文的）第二數(shù)據(jù)塊：導航電文的第二子幀和第三子幀第二子幀和第三子幀組成第組成第二數(shù)據(jù)塊，其內容為二數(shù)據(jù)塊，其內容為GPSGPS星歷。即描述衛(wèi)星運行及其軌道參星歷。即描述衛(wèi)星運行及其軌道參數(shù)的信息，提供有關計算衛(wèi)星運行位置的數(shù)據(jù)，它是數(shù)的信息，提供有關計算衛(wèi)星運行位置的數(shù)據(jù)，它是GPSGPS衛(wèi)衛(wèi)星向導航、定位用戶播發(fā)的主要電文，描述衛(wèi)星的運行及其星向導航、定位用戶播發(fā)的主要電文，描述衛(wèi)星的運行及其軌道參數(shù)包括以下三類：軌道參數(shù)包括