GPS系統(tǒng)組成及信號(hào)

第4章

GPS系統(tǒng)組成及信號(hào)本章內(nèi)容

4.1GPS的系統(tǒng)組成

4.2GPS的信號(hào)結(jié)構(gòu)

4.3美國(guó)政府GPS政策4.1系統(tǒng)組成

GPS的空間部分

GPS的系統(tǒng)組成用戶設(shè)備部分4.1.1GPS的系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備部分等三部分組成4.1.2GPS的空間部分GPS衛(wèi)星星座6個(gè)軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h58min設(shè)計(jì)星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星保證在24小時(shí)，在高度角15以上，能夠同時(shí)觀測(cè)到4至8顆衛(wèi)星當(dāng)前星座：28顆類型試驗(yàn)衛(wèi)星：BlockⅠ

工作衛(wèi)星：BlockⅡBlockⅡBlockⅡABlockⅡRBlockⅡF（新一代的GPS衛(wèi)星）

GPS衛(wèi)星作用：發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測(cè)核暴等。主要設(shè)備：原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘）、信號(hào)生成與發(fā)射裝置第一代衛(wèi)星現(xiàn)已停止工作。第二代衛(wèi)星用于組成GPS工作衛(wèi)星星座，通常稱為GPS工作衛(wèi)星。BlockⅡA的功能比BlockⅡ大大增強(qiáng)，表現(xiàn)在軍事功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。BlockⅡ只能存儲(chǔ)供45天用的導(dǎo)航電文，而B(niǎo)lockⅡA則能夠存儲(chǔ)供180天用的導(dǎo)航電文，以確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。第三代衛(wèi)星尚在設(shè)計(jì)中，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：可對(duì)自己進(jìn)行自主導(dǎo)航；每顆衛(wèi)星將使用星載處理器，計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)的修正值，改善導(dǎo)航精度，增強(qiáng)自主能力和生存能力。椐報(bào)道，該衛(wèi)星在沒(méi)有與地面聯(lián)系的情況下可以工作6個(gè)月，而其精度可與有地面控制時(shí)的精度相當(dāng)。BlockⅠ衛(wèi)星BlockⅡ衛(wèi)星BlockⅡR衛(wèi)星GPS衛(wèi)星星座（=35，=90）4.1.3地面監(jiān)控部分GPS的地面控制部分（地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）組成：主控站（1個(gè)）、跟蹤站（5個(gè)）和注入站（3個(gè)）作用：監(jiān)測(cè)和控制衛(wèi)星運(yùn)行，編算衛(wèi)星星歷（導(dǎo)航電文），保持系統(tǒng)時(shí)間。主控站監(jiān)控站監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站地面監(jiān)控系統(tǒng)工作流程主控站（1個(gè)）作用：收集各檢測(cè)站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)；通過(guò)注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。地點(diǎn)：美國(guó)克羅拉多州法爾孔空軍基地。跟蹤站（5個(gè)）作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。地點(diǎn)：夏威夷、主控站及三個(gè)注入站。注入站（3個(gè)）作用：將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。地點(diǎn)：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）。4.1.3用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分-GPS信號(hào)接收機(jī)及相關(guān)設(shè)備接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的設(shè)備多數(shù)采用石英鐘GPS接收機(jī):能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的衛(wèi)星信號(hào)接收設(shè)備(1)導(dǎo)航型接收機(jī)此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度較低，一般為±25m,有SA影響時(shí)為±100m。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機(jī)可以進(jìn)一步分為：1.按接收機(jī)的用途分類可分為：車(chē)載型——用于車(chē)輛導(dǎo)航定位；航海型——用于船舶導(dǎo)航定位；航空型——用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。由于飛機(jī)運(yùn)行速度快，因此，在航空用的接收機(jī)要求能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)。星載型——用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)7公里/秒以上，因此對(duì)接收機(jī)的要求更高。

(2)測(cè)地型接收機(jī)

測(cè)地型接收機(jī)主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量。這類儀器主要采用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。(3)授時(shí)型接收機(jī)

這類接收機(jī)主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺(tái)及無(wú)線電通訊中時(shí)間同步。2.按接收機(jī)的載波頻率分類(1)單頻接收機(jī)單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào)，測(cè)定載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線（<15km）的精密定位。(2)雙頻接收機(jī)雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收Ｌ１，Ｌ２載波信號(hào)。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位。3.按接收機(jī)通道數(shù)分類GPS接收機(jī)能同時(shí)接收多顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和量測(cè)，具有這樣功能的器件稱為天線信號(hào)通道。根據(jù)接收機(jī)所具有的通道種類可分為：多通道接收機(jī)

序貫通道接收機(jī)(3)多路多用通道接收機(jī)4.按接收機(jī)工作原理分類(1)碼相關(guān)型接收機(jī)碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測(cè)值。(2)平方型接收機(jī)平方型接收機(jī)是利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào)，來(lái)恢復(fù)完整的載波信號(hào)，通過(guò)相位計(jì)測(cè)定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差，測(cè)定偽距觀測(cè)值。(3)混合型接收機(jī)這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測(cè)值。(4)干涉型接收機(jī)這種接收機(jī)是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測(cè)量方法，測(cè)定兩個(gè)測(cè)站間距離。天線單元存儲(chǔ)器計(jì)算與顯控電源接收單元（頻率維持通常采用石英鐘）接收單元（頻率維持通常采用石英鐘）信號(hào)通道類型：多路復(fù)用，序慣，多通道；碼相關(guān)通道，平方通道GPS信號(hào)接收機(jī)組成天線單元帶前置放大器接收天線天線單元接收單元接收單元信號(hào)通道存儲(chǔ)器微處理器輸入輸出設(shè)備電源天線單元類型單極天線微帶天線錐形（螺旋）天線四絲螺旋天線空間螺旋天線背腔平面盤(pán)旋天線GPS天線特點(diǎn)單極天線單頻獲雙頻（雙極結(jié)構(gòu)）、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單微帶天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單頻或雙頻、側(cè)視角低（適合于機(jī)載應(yīng)用）、低增益、應(yīng)用最為廣泛背腔平面盤(pán)旋天線錐形（螺旋）天線

四絲螺旋天線–單頻、難以調(diào)整相位和極化方式、非方位對(duì)稱、增益特性好、不需要底板空間螺旋天線–雙頻、增益特性好、側(cè)視角高、非方位對(duì)稱相位中心天線的平均相位中心與幾何中心天線平均相位中心的偏差天線平均相位中心偏差的消除：歸心改正、消去法天線高–標(biāo)志至平均相位中心所在平面的垂直距離H’HHH’hR天線特性相位中心、增益方式、帶寬、極化接收（信號(hào)）通道定義：接收機(jī)中用來(lái)跟蹤、處理、量測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的部件，由無(wú)線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。類型：根據(jù)信號(hào)跟蹤方式：序慣通道、多路復(fù)用通道和多通道；根據(jù)工作原理：碼相關(guān)通道、平方通道等存儲(chǔ)器微處理器作用：數(shù)據(jù)處理、控制輸入輸出設(shè)備電源基本結(jié)構(gòu)天線前置放大器信號(hào)處理器微處理器振蕩器控制、顯示及存儲(chǔ)設(shè)備電源GPS接收機(jī)的天線——作用接收來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)放大經(jīng)（頻率變換）用于（跟蹤、處理、量測(cè)）天線的幾何中心與相位中心幾何中心相位中心相位中心偏差——天線的相位中心天線相位中心的變化與信號(hào)的高度角有關(guān)與信號(hào)的方位角有關(guān)相同類型的天線具有相同的相位中心特性重要的物理與幾何特性天線相位中心接收鐘差接收機(jī)信號(hào)通道間的延遲4.2GPS的信號(hào)結(jié)構(gòu)載波測(cè)距碼導(dǎo)航電文4.2.1碼的基本概念用于導(dǎo)航定位的GPS信號(hào)由三部分組成：載波（L1和L2）導(dǎo)航電文測(cè)距碼（C/A碼和P(Y)碼）GPS衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生與構(gòu)成是比較復(fù)雜的，考慮了以下幾方面的要求:適應(yīng)多用戶系統(tǒng)的要求滿足實(shí)時(shí)定位的要求滿足高精度定位的需求滿足軍事保密的要求4.2.2載波載波作用：搭載其它信號(hào)，也可用于測(cè)量（測(cè)距）類型目前L1：頻率：1575.43MHz，波長(zhǎng)：19cmL2：頻率：1227.60MHz，波長(zhǎng)：24cm現(xiàn)代化后增加L5：1176.45MHz，波長(zhǎng)：26cm4.2.3導(dǎo)航電文方波碼速：50bps導(dǎo)航電文是用戶用來(lái)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(hào)中解調(diào)出來(lái)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。GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（簡(jiǎn)稱衛(wèi)星電文又叫數(shù)據(jù)碼）：所謂導(dǎo)航電文，就是包含了有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動(dòng)改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼(或D碼)。它分為預(yù)報(bào)星歷、和精密星歷。是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它的基本單位是長(zhǎng)1500bit的一個(gè)主幀（如圖4-1所示），傳輸速率是50bit/s,30秒鐘傳送完畢一個(gè)主幀。一個(gè)主幀包括5個(gè)子幀，第1、2、3子幀每30秒鐘重復(fù)一次，內(nèi)容每小時(shí)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(fù)之，其內(nèi)容僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新。

遙測(cè)字(TLM—TelemetryWord)，位于各子幀的開(kāi)頭，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。其中所含的同步信號(hào)為各子幀提供了—個(gè)同步的起點(diǎn)，使用戶便于解釋電文數(shù)據(jù)。

交接字(HOW—HandOverWord），緊接著各子幀開(kāi)頭的遙測(cè)字，主要是向用戶提供用于捕獲P碼的Z計(jì)數(shù)。所謂Z計(jì)數(shù)是從每星期六／星期日子夜零時(shí)起算的時(shí)間計(jì)數(shù)．它表示下一子幀開(kāi)始瞬間的GPS時(shí)。但為了實(shí)用方便，Z計(jì)數(shù)一般表示為從每星期六／星期日子夜零時(shí)開(kāi)始發(fā)播的子幀數(shù)。因?yàn)槊恳蛔訋ニ脱永m(xù)的時(shí)間為6秒，所以，下一子幀開(kāi)始的瞬時(shí)即為6xZ。通過(guò)交接字可以實(shí)時(shí)地了解觀測(cè)瞬時(shí)在P碼周期中所處的準(zhǔn)確位置，以便迅速地捕獲P碼。1．時(shí)延差改正Tgd第7字碼的第17—24比特表示載波L1、L2的電離層時(shí)延差改正Tgd。當(dāng)使用單頻接收機(jī)時(shí)，用Tgd改正所觀測(cè)的結(jié)果，以減小電離層效應(yīng)影響提高定位精度；當(dāng)采用雙頻接收機(jī)時(shí)，就不必要采用這個(gè)時(shí)延差改正。

第一數(shù)據(jù)塊，含有關(guān)于衛(wèi)星鐘改正參數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期、星期的周數(shù)編號(hào)以及電離層改正參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息。現(xiàn)對(duì)其中的主要內(nèi)容介紹于下：AODC＝toc-tl式中:toc為第一數(shù)據(jù)塊的參考時(shí)刻，tl是計(jì)算時(shí)鐘參數(shù)所作測(cè)量的最后觀測(cè)時(shí)間。2．?dāng)?shù)據(jù)齡期AODC第3字碼的第23、和第24比特,以及第8字碼的第1—8比特，均表示衛(wèi)星時(shí)鐘的數(shù)據(jù)齡期AODC。GPS試驗(yàn)衛(wèi)星的AODC只占8個(gè)比特，而GPS工作衛(wèi)星卻擴(kuò)展到了10個(gè)比特。A0DC是時(shí)鐘改正數(shù)的外推時(shí)間間隔，它向用戶指明對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)的置信度，且知3.星期序號(hào)WN。表示從1980年1月6日協(xié)調(diào)時(shí)零點(diǎn)起算的GPS時(shí)星期數(shù)。4.衛(wèi)星鐘改正參數(shù)：a0、a1、a2，分別表示該衛(wèi)星的鐘差、鐘速及鐘速的變化率。當(dāng)巳知這些參數(shù)后，便可按下式計(jì)算任意時(shí)刻t的鐘改正數(shù)△t△t＝a0十a(chǎn)1(t—toc)十a(chǎn)2(t—toc)2第二數(shù)據(jù)塊包含第2和第3子幀，其內(nèi)容表示GPS衛(wèi)星的星歷，這些數(shù)據(jù)為用戶提供了有關(guān)計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)位置的信息。描述衛(wèi)星的運(yùn)行及其軌道的參數(shù)包括下列三類。4.2.4測(cè)距碼方波偽隨機(jī)噪聲碼–PRN碼兩種測(cè)距碼：C/A碼-粗碼碼速：1.023MHz碼元長(zhǎng)度：300mP(Y)碼-精碼碼速：10.23MHz碼元長(zhǎng)度：30mC/A碼C/A碼是由兩個(gè)10級(jí)反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生的.碼長(zhǎng)Nu=210-1=1023比特碼元寬tu=1/f1≈0.977752μs(相應(yīng)距離為293.1m)周期Tu=Nutu=1ms數(shù)碼率=1.023Mbit/sC/A碼的碼長(zhǎng)易于捕獲，且通過(guò)C/A碼提供的信息，又可方便的捕獲P碼。C/A碼的碼元寬度較大。假設(shè)兩個(gè)序列的碼元對(duì)齊誤差，為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的測(cè)距誤差達(dá)2.9m，以因此也稱粗碼。P碼P碼產(chǎn)生的基本原理與C/A碼相似，但其發(fā)生電路，是采用兩種各由兩個(gè)12級(jí)反饋移位寄存器構(gòu)成的，情況更為復(fù)雜。線路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)均是保密的。

碼長(zhǎng)Nu≈2.35*1014比特碼元寬度tu≈0.0977752μs(相應(yīng)距離為29.3m)周期Tu=Nutu≈267數(shù)碼率=10.23Mbit/sP碼周期被分為38部分（7天/每一部分周期，碼長(zhǎng)約為6.19*1012比特），其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同的衛(wèi)星。這樣，每顆衛(wèi)星所使用的P碼不同部分，便都具有相同的碼長(zhǎng)和周期，但結(jié)構(gòu)不同。P碼的碼長(zhǎng)較長(zhǎng)，無(wú)法采用C/A碼逐個(gè)進(jìn)行搜索。一般都是先捕獲C/A碼，然后根據(jù)導(dǎo)航電文中給出的有關(guān)信息，捕獲P碼。

由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元的對(duì)齊精度仍為碼元寬度的1/100，則由此引起的相應(yīng)距離誤差為0.29m，僅為C/A碼的1/10。所以P碼定位精度高，故也稱為精碼。

測(cè)距碼的調(diào)制（雙相調(diào)制）4.2.5GPS信號(hào)的生成二進(jìn)制信號(hào)：“1”表示二進(jìn)制“0”，“-1”表示二進(jìn)制“1”，則模二和運(yùn)算規(guī)則二進(jìn)制信號(hào)的相位調(diào)制GPS衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制框圖衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制原理4.2.6GPS衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)星歷(廣播星歷)用于預(yù)報(bào)未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷；廣播星歷可用于GPS實(shí)時(shí)定位計(jì)算，預(yù)報(bào)星歷則可用于在較長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)對(duì)GPS衛(wèi)星的位置進(jìn)行預(yù)報(bào)。后處理星歷(精密星歷)

衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息,或者說(shuō)是一組對(duì)應(yīng)于某一時(shí)刻的衛(wèi)星軌道根數(shù)及其變率。

計(jì)算思路首先計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)然后將上述坐標(biāo)分別繞X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)軌道平面坐標(biāo)系軌道參數(shù)計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星的平近點(diǎn)角計(jì)算過(guò)程計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度計(jì)算偏近點(diǎn)角計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算過(guò)程（續(xù)）計(jì)算升交距角（未經(jīng)改正的）計(jì)算衛(wèi)星向徑計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng)計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的位置進(jìn)行攝動(dòng)改正計(jì)算過(guò)程（續(xù)）計(jì)算升交點(diǎn)經(jīng)度計(jì)算衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)精密星歷–后處理星歷精密星歷的特點(diǎn)按一定時(shí)間間