GPS 04-1 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號

GPS原理及應(yīng)用上海海洋大學(xué)海洋學(xué)院Email:wshen@課程類別：海技專業(yè)基礎(chǔ)課講授：沈蔚第四章

GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文與衛(wèi)星信號的關(guān)系衛(wèi)星星歷導(dǎo)航電文衛(wèi)星信號GPS信號——衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波導(dǎo)航電文包括：衛(wèi)星星歷；時鐘改正；電離層時延改正；工作狀態(tài)信息；C/A碼轉(zhuǎn)換捕獲P嗎的信息等。4.1GPS的導(dǎo)航電文碼的概念在現(xiàn)代數(shù)字化通信中，廣泛使用二進制數(shù)（0和1）及其組合來表示各種信息。這些二進制數(shù)及其組合，稱為碼。一位二進制數(shù)叫做一個碼元或一比特。比特（bit)為碼的度量單位。將各種信息量化，并按預(yù)定規(guī)則表示為二進制的組合形式，則此過程稱為編碼。幀：網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖钚挝?。?dǎo)航電文的傳播過程地面主控站編制導(dǎo)航電文，傳送到注入站將導(dǎo)航電文注入到衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)地面注入站解譯導(dǎo)航電文，計算出測站的三維位置、速度和時間GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星星歷時鐘改正電離層時延改正工作狀態(tài)信息C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息其它衛(wèi)星的星歷內(nèi)容：信息以二進制碼的形式，按規(guī)定格式組成，按幀向外播送，又叫數(shù)據(jù)碼（D碼）。導(dǎo)航電文組成

第1、2、3子幀每30s重復(fù)一次，內(nèi)容每小時更新一次。

第4、5子幀是12.5min播完一次，僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新?；締挝皇情L1500bit的一個主幀，傳輸速率是50bit/s，30s傳送完畢一個主幀。遙測碼每個子幀的第一個字碼作用：表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)同步碼（1~8bit）識別電文的先兆遙測電文（9~22bit）地面監(jiān)控系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時的狀態(tài)信息、診斷信息和其他信息連接碼（23~24bit）無意義的連接比特奇偶檢驗碼（25~30bit）用于發(fā)現(xiàn)和改正錯誤123456789101個子幀1個字碼轉(zhuǎn)換碼位于每個子幀的第2個字碼作用：幫助用戶從所捕獲的C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼123456789101個子幀第一數(shù)據(jù)塊：位于第1子幀的第3~10字碼1234512345678910主幀1個子幀第一數(shù)據(jù)塊標識碼

-載波L2的調(diào)制波類型

-星期序號WN（從1980年1月6日子夜零點（UTC）起算的GPS星期數(shù)）

-衛(wèi)星的健康狀況參考歷元t0e-從GPS時每星期六/星期日子夜零時開始起算的基準時間數(shù)據(jù)齡期AODC-基準時間t0e

與最近一次更新星歷數(shù)據(jù)的時間tL

之差。用于評價時鐘改正數(shù)的可信程度衛(wèi)星鐘改正參數(shù)

-表示衛(wèi)星的鐘差、鐘速及鐘速的變化率第一數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容第二數(shù)據(jù)塊12345主幀包括第2、3子幀表示衛(wèi)星的星歷，包括下列三類參數(shù)：（1）開普勒六參數(shù)（2）軌道攝動九參數(shù)（3）時間二參數(shù)由第4和第5兩個子幀構(gòu)成提供所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)，為第一和第二數(shù)據(jù)塊的簡略形式用戶利用第三數(shù)據(jù)塊提供的其他衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，不僅能選擇合適的衛(wèi)星構(gòu)成較理想的空間幾何圖形，且能夠較快捕獲所選擇的待測衛(wèi)星12345主幀第三數(shù)據(jù)塊第4子幀第2、3、4、5、7、8、9、10頁面提供第25~32顆衛(wèi)星的歷書第17頁面提供專用電文，第18頁面給出電離層改正模型和UTC數(shù)據(jù)第25頁面給出所有顆衛(wèi)星的型號、防電子對抗特征符和第25~32顆衛(wèi)星的健康狀況第1、6、11、12、16、19、20、21、22、23、24頁面?zhèn)溆?，?3、14、15頁面空閑第5子幀第1~24頁面給出第1~24顆衛(wèi)星的歷書第25頁面給出第1~24顆衛(wèi)星的健康狀況和星期編號用戶接收到的導(dǎo)航文件GPS接收機對導(dǎo)航電文進行解碼，輸出；可以通過隨機軟件將輸出的接收機文件轉(zhuǎn)換成ASCII格式的通用格式的RINEX文件ReceiverIndependentExchangeformat(RINEX)/igscb/data/format/rinex2.txt文件名稱格式：

[4-char][Dayofyear][Session].[yy]n

e.g.brdc0120.02nRINEX標準4.2GPS的信號GPS信號的調(diào)制GPS信號GPS的偽隨機噪聲碼——測距GPS載波信號預(yù)備知識：電磁波電磁場：電磁輻射源周圍存在變化的電場和磁場，二者相互激發(fā)交替產(chǎn)生，形成電磁場。電磁波：電磁場在空間的傳播形成。電磁波的波粒二像性電磁波的波段劃分L波段調(diào)制與解調(diào)調(diào)制就是使一個信號（如光、高頻電磁振蕩等）的某些參數(shù)（如振幅、頻率等）按照另一個欲傳輸?shù)男盘枺ㄈ缏曇?、圖像等）的特點變化的過程。

調(diào)制過程已調(diào)波為什么要調(diào)制

信號的能量以電場和磁場的形式向空中發(fā)射出去傳向遠方，需要較高的振蕩頻率；(語言或音樂信號的頻率太低，無法產(chǎn)生迅速變化的電場和磁場)信號的波長要與天線的長度相匹配(相應(yīng)地，它們的波長又太大，即使選用它的最高頻率20000Hz來計算，其波長仍為15000m，實際上是不可能架設(shè)這么長的天線的)調(diào)制的方式如果被控制的參數(shù)是高頻振蕩的幅度，則稱這種調(diào)制方式為幅度調(diào)制，簡稱調(diào)幅如果被控制的參數(shù)是高頻振蕩的頻率，則稱這種調(diào)制方式為頻率調(diào)制，簡稱調(diào)頻如果被控制的參數(shù)是高頻振蕩的相位，則稱這種調(diào)制方式為相位調(diào)制，簡稱調(diào)相幅度調(diào)制的特點是載波的頻率(波長)始終保持不變，它的振幅卻是變化的調(diào)頻FM調(diào)幅AM衛(wèi)星載波信號調(diào)制示意圖解調(diào)解調(diào)是調(diào)制的逆過程，它的作用是從已調(diào)波信號中取出原來的調(diào)制信號。為了進行載波相位測量，用戶接收機收到衛(wèi)星信號后，通過解調(diào)來恢復(fù)載波的相位。主要方法

-復(fù)制碼（結(jié)構(gòu)與測距碼完全相同）與衛(wèi)星信號相乘

-平方解調(diào)技術(shù)是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波。包括：

1.載波

2.測距碼（C/A碼和P碼）

3.數(shù)據(jù)碼（D碼，導(dǎo)航電文）GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號的成分考慮三個方面：1、為了提供衛(wèi)星的瞬時位置——導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼：D碼2、為了保密通信，提高信號的抗干擾能力；以及不同的衛(wèi)星的區(qū)分選擇和精密測距——偽隨機碼測距碼：C/A碼，P碼3、為了信號的傳播——將擴頻后的編碼脈沖對L波段的兩個載波進行調(diào)制后發(fā)射載波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ)

時鐘基本頻率為fo=10.23MHz。使用L波段（1000—2000MHz）的兩種載波：L1載波和L2載波。衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上GPS衛(wèi)星信號使用L波段的優(yōu)點減少擁擠，避免“撞車”

-頻率占用率低適應(yīng)擴頻，傳送寬帶信號衛(wèi)星高軌運行能獲較大的多普勒頻移

-

有利于測量用戶的行駛速度大氣衰減小，有益于研制用戶設(shè)備擴頻概念：將原擬發(fā)送的幾十比特速率的電文變換成發(fā)送幾兆甚至上十兆比特速率的由電文和偽隨機噪聲嗎組成的組合碼。增加頻帶寬度，可減小信噪比（信噪比越小，信號深埋在噪聲之中，不易被他人捕獲，具有極強的保密性）。擴頻的目的：節(jié)省衛(wèi)星的電能，增強信號的抗干擾性，實現(xiàn)保密的信息傳送。GPS信號分量將每顆衛(wèi)星發(fā)送的兩種已調(diào)波，分別叫做第一導(dǎo)航定位信號和第二導(dǎo)航定位信號，總稱為GPS信號。GPS信號的構(gòu)成—總結(jié)L1載波L2載波測距碼C/A碼（粗碼）P碼（精測碼）作用：給用戶傳送導(dǎo)航電文（D碼）用于測量信號接收天線和GPS衛(wèi)星之間的距離用于識別來自不同GPS衛(wèi)星而同時到達接收天線的GPS信號一組碼序列在某一時刻的碼元為0或1完全是隨機的，這種碼元取值完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機（噪聲）碼序列。是一種非周期性序列，無法復(fù)制，但自相關(guān)性好。根據(jù)碼序列的自相關(guān)系數(shù)可判斷兩個隨機碼序列的相應(yīng)碼元是否已對齊。隨機噪聲碼碼序列是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。產(chǎn)生的基礎(chǔ)：“移位寄存器”

特點：（1）具有隨機碼的良好自相關(guān)性；（2）具有某種確定的編碼規(guī)則；（3）可以容易地復(fù)制測距碼（C/A碼與P碼）屬于偽隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼（PseudoRandomNoise-PRN）偽隨機噪聲碼的產(chǎn)生GPS產(chǎn)生偽隨機碼的方式：

m序列發(fā)生器-多級線性移位反饋寄存器模二相加a2a1

a0⊕鐘脈沖

a3輸出序列例：模2加運算等價于數(shù)字邏輯中的異或運算（不同為1，相同為0）

M序列的特點：統(tǒng)計特性統(tǒng)計特性“1”出現(xiàn)的次數(shù)比“0”出現(xiàn)的次數(shù)多一“0”——“1”——移位相加特性

111101011001000011110101100100M序列的特點：相關(guān)特性相關(guān)函數(shù)：描述兩個序列的相似性程度連續(xù)離散通用計算方法

111101011001000

011110101100100相關(guān)特性的應(yīng)用偽隨機噪聲碼測距原理——利用接收機產(chǎn)生的復(fù)制碼與衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機碼進行相關(guān)運算，通過測量相關(guān)函數(shù)最大值的位置來測定衛(wèi)星信號的傳播延遲，從而求得衛(wèi)星至接收機的距離觀測值ReceiverSatelliteTimedeferenceGPS測距t時刻△tt+△t時刻碼相關(guān)偽距測量原理衛(wèi)星依據(jù)自己的時鐘發(fā)出一個測距碼，經(jīng)過τ時間后到達接收機；接收機產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，并通過時延器使其延遲時間τ’；將兩組測距碼進行相關(guān)處理，直到兩組測距碼的自相關(guān)系數(shù)R(τ’)=1為止，此時，復(fù)制碼已和測距碼對齊，復(fù)制碼的延遲時間τ’就等于衛(wèi)星信號的傳播時間τ；將τ’乘上光速c后即可求得衛(wèi)星至接收機的偽距。粗碼C/A碼(Coarse/AcquisitionCode)用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽隨機碼。不同的衛(wèi)星具有不同的C/A碼，但其周期均為1ms,碼率均為1.023MHz。一般最簡單的導(dǎo)航接收機的偽距測量分辨率達到0.1m。C/A碼的特點碼長很短，易于捕獲共有1023個碼元，若以每秒50碼元速度搜索，只需20.5秒即可完成碼元寬度較大假設(shè)兩個序列的碼元對齊誤差為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的測距誤差可達2.9m衛(wèi)星的精測碼，碼率為10.23MHz。每顆衛(wèi)星采用不同的P碼。反電子欺騙政策AS（AntiSpoofing)。

-在P碼上增加一個極度保密的W碼，形成新的Y碼，絕對禁止非特許用戶使用。精碼P碼(PrecisionCode)P碼的特點碼長很長一般先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)航電文中的信息捕獲P碼。碼元寬度為C/A碼的1/10，精度高，專為軍用

假設(shè)兩個序列的碼元對齊誤差為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的測距誤差只有0.29m。兩種測距碼的參數(shù)對比GPS信號的產(chǎn)生—調(diào)制X偽隨機噪聲碼導(dǎo)航電文(50Hz)X載波調(diào)制調(diào)制二級調(diào)制用D碼（50Hz)調(diào)制一個偽噪聲碼P碼（10.23MHz），形成一個組合碼P(t)D

(t)。用組合碼P(t)D

(t)調(diào)制L波段的載波（二級調(diào)制），形成向用戶發(fā)送的已調(diào)波。第一級的調(diào)制第一級是導(dǎo)航電文調(diào)制到測距碼；采用二進制編碼序列“模二和”算法；調(diào)制結(jié)果是把數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文)從50Hz擴展到1.023MHz(對于C/A碼)010

01010101

1010101010第二級的調(diào)制第二級是測距碼調(diào)制到載波，采用二進制信號“波形相乘”的算法，將導(dǎo)航電文與測距碼合成后的二進制碼調(diào)制到載波上衛(wèi)星信號的調(diào)制示意圖GPS信號的SA(Selectiveavailability)影響人為引入干涉信號，導(dǎo)致非特許用戶不能夠獲得高精度實時導(dǎo)航定位的秘密方法。內(nèi)容

-對衛(wèi)星基準頻率所采用的（dither)技術(shù)

-對導(dǎo)航電文采用的技術(shù)（降低C/A碼精度）