卫星运动及GPS卫星信号课件.ppt

1、三、卫星运动及GPS卫星信号3.7 GPS导航电文 GPS卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。主要包括：卫星星历 时钟改正 卫星工作状态信息 由C/A码转换到捕获P码的信息 这些信息按照一定的数据帧格式播发给用户，成为数据码（D码）。广东工业大学GPS定位技术与应用1三、卫星运动及GPS卫星信号3.7.1 导航电文格式广东工业大学GPS定位技术与应用21500bitword字字每25帧构成一个主帧25颗卫星的星历三、卫星运动及GPS卫星信号3.7.2 导航电文的内容广东工业大学GPS定位技术与应用3第一数据块第一数据块第二数据块第二数据块第三数据块第三数据块三、卫星运动及GPS卫星信号

2、遥测码（telemetry word,TLW）遥测码位于每个子帧的开头，用于表明卫星注入数据的状态。第18bit是同步码（10001001），为各子帧编码脉冲提供一个同步起点。第922bit是遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息等。第22、24bit是连接码。第2530bit是奇偶校验码。广东工业大学GPS定位技术与应用4三、卫星运动及GPS卫星信号奇偶校验码 一个字码（30bit）包含6bit奇偶校验码。每一个bit的奇偶校验码对应前面24bit的数据码。例如：1110 0101 1101 0001 1011 1010 101110广东工业大学GPS定位技术与应用5数据码

3、文数据码文校验码文校验码文111010101011011000111011110100三、卫星运动及GPS卫星信号转换码（hand over word,HOW）转换码位于每个子帧的第二个子码。作用：提供用户从捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。Z计数位于转换码的第117bit，从每周六/周日零时起算的时间计数。通过Z计数，可以知道观测瞬间在P码周期中所处的准确位置，以便迅速捕获P码。转换码的第2530bit为奇偶校验码。广东工业大学GPS定位技术与应用6三、卫星运动及GPS卫星信号第一数据块 第一数据块位于第1子帧的第310字码。主要包括标识码、时延差改正、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期

4、及卫星时钟改正系数等。时延差改正Tgd 电离层会使GPS在L1、L2上的信号发生时延。Tgd改正观测结果，提高定位精度。广东工业大学GPS定位技术与应用7三、卫星运动及GPS卫星信号 数据龄期AODC 数据龄期是时钟改正数的外推时间间隔，表明卫星时钟改正数的置信度。AODC=t0c-tt 其中t0c是第一数据块的参考时刻，tt是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时刻。星期序号WN WN是从1980年1月6日子夜零时（UTC）起算的星期数，是GPS星期数。广东工业大学GPS定位技术与应用8三、卫星运动及GPS卫星信号 卫星时钟改正 GPS时间系统以地面主控站的原子钟为基准。GPS时间和UTC时间

5、存在差值，导航电文把差值播发给广大用户。广东工业大学GPS定位技术与应用9三、卫星运动及GPS卫星信号第二数据块 导航电文的第2和第3子帧组成第二数据块，内容为GPS卫星星历。内容包括：开普勒轨道参数：为卫星轨道椭圆长半轴的平方根；e为卫星轨道椭圆偏心率；i0为参考时刻t0的轨道面倾角；0为参考时刻t0的升交点赤经；为近地点角距；M0为参考时刻t0的平近点角广东工业大学GPS定位技术与应用10a三、卫星运动及GPS卫星信号 轨道摄动9参数；n为平均角速度改正数；为升交点赤经变化率；为轨道面倾角变化率；Cus、Cuc为升交角距的正余弦调和改正项振幅，Cis、Cic为轨道正面倾角的正余弦调和改正项

6、振幅；Crs、Crc为轨道向径正余弦调和改正项振幅；时间参数：星历参考时刻；卫星星历的龄期。广东工业大学GPS定位技术与应用11I三、卫星运动及GPS卫星信号第三数据块 第三数据块包括4、5两个子帧，内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星信号后，根据第三数据块提供的其它卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常、位置适当的卫星，并较快地捕获到所选择的卫星。广东工业大学GPS定位技术与应用12三、卫星运动及GPS卫星信号3.8 伪距测量原理 GPS用户使用码相关法伪距测量测定信号的传播时间。方法是通过调整相关函数R(t)的值，来测定信号从卫星到达

7、地面站的传播时间。广东工业大学GPS定位技术与应用13三、卫星运动及GPS卫星信号 在测量伪距时，相关函数的表达式：其中，t为测距码信号传播时间；为接收机复制码的时间延迟，T为信号周期广东工业大学GPS定位技术与应用1401()()()TR tU tt U tdtT测距码信号测距码信号复制码信号复制码信号三、卫星运动及GPS卫星信号相关函数的存在三种可能的状态1、当t=时 测距码序列与复制码序列结构相同，完全对齐，乘积恒等于1.R(t)=1 注意：电平的乘积相当于码元的模二和-1-1=1,11=1,-11=-1,1-1=-1;11=0,00=0,10=1,01=1;广东工业大学GPS定位技术与

8、应用15三、卫星运动及GPS卫星信号2、当t-=tu时 测距码和复制码的乘积码中，7个码元是“+1”，8个码元是“-1”。因此，以上论述，对t-tu均成立。广东工业大学GPS定位技术与应用16011()()()TR tU tt U tdtTT 三、卫星运动及GPS卫星信号3、当t-tu时 两个码序列错开不足一个码元-1/TR(t)1广东工业大学GPS定位技术与应用17 t-(tu)01/52/53/54/51R(t)159/7543/7524/7511/75-1/15三、卫星运动及GPS卫星信号一个周期内的自相关函数图像广东工业大学GPS定位技术与应用18三、卫星运动及GPS卫星信号伪距测量原

9、理 当卫星发射的测距码信号经过t秒传播后到达接收机时，接收机产生一个结构完全相同的复制码序列，并在延时器的控制下不断调整值，直到R(t)=1为止。此时，t=，也就是说t可被测定。传输时间t乘以光速c可以获得卫星到测量站的距离。t包含卫星钟和接收机钟的不同步误差，因此测量出来的距离叫做伪距。广东工业大学GPS定位技术与应用19三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用20卫星测距码信号到达地面的测距码信号接收机的复制码经过延时的复制码三、卫星运动及GPS卫星信号 Ts表示信号离开卫星的系统时；Tu表示信号到达用户接收机的系统时。t表示卫星时钟卫星时钟与系统时的偏差；tu表示接收

10、机时接收机时钟钟和系统时之间的偏差。广东工业大学GPS定位技术与应用21三、卫星运动及GPS卫星信号 Ts+t表示信号离开卫星时卫星时钟的读数；Tu+tu表示信号到达用户接收机时用户时钟的读数。广东工业大学GPS定位技术与应用22三、卫星运动及GPS卫星信号 真实几何距离r=c(Tu-Ts)=ct；伪距=c(Tu+tu)-(Ts+t)=c(Tu-Ts)+c(tu-t)=r+c(tu-t)导航电文会包括t信息。广东工业大学GPS定位技术与应用23三、卫星运动及GPS卫星信号3.9 卫星的载波信号及相位测量原理广东工业大学GPS定位技术与应用243.9.1 GPS卫星的载波信号 C/A码的码率为1

11、.023Mbit/s；P码的码率为10.23Mbit/s D码的码率为50bit/s三、卫星运动及GPS卫星信号 原子钟是关键设备；GPS发射信号的频率，受到卫星上原子钟的基准频率控制 GPS卫星原子钟的基准频率f0=10.23MHz。P码采用基准频率 C/A码采用基准频率的1/10倍。广东工业大学GPS定位技术与应用25三、卫星运动及GPS卫星信号 GPS信号被调制在L频带的两种不同频率上：L1载波 f1=1575.42MHz=154f0；1=19.03cm；C/A码、P码、导航电文；L2载波 f2=1227.6MHz=120f0；2=24.42cm；P码、导航电文；GPS现代化后，会增加L

12、5载波 f5=1176.45MHz=115f0；5=25.48cm广东工业大学GPS定位技术与应用26三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用27传统的GPS信号：现代化的GPS信号：三、卫星运动及GPS卫星信号3.9.2 GPS卫星信号的调制 一串码中，码值0对应与波型“1”，码值1对应与波型“-1”.广东工业大学GPS定位技术与应用28三、卫星运动及GPS卫星信号卫星导航电文的扩频广东工业大学GPS定位技术与应用29三、卫星运动及GPS卫星信号二进制码的相位调制 码的波型与调制载波相乘，实现相位调制。当码的波型为”1”时，与载波相乘，不会改变载波的相位；当码的波型为”-

13、1”时，与载波相乘，载波相位改变180度。广东工业大学GPS定位技术与应用30三、卫星运动及GPS卫星信号注：其它调制方式广东工业大学GPS定位技术与应用31频率调制频率调制幅度调制幅度调制三、卫星运动及GPS卫星信号载波L1和L2的表达式其中，AP和BP表示P码的振幅，Pi(t)表示P码，Di(t)表示卫星电文，AC表示C/A码的振幅，Ci(t)表示C/A码，i为卫星编号，表示载波的角频率，表示初始相位。广东工业大学GPS定位技术与应用3211111()()cos()()()sin()PiiCiiSA P t D ttA C t D tt222()()cos()PiiSB P t D ttL

14、1载波：L2载波：P码和C/A码的载波相位相差90度三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用3311111()()cos()()()sin()PiiCiiSA P t D ttA C t D tt222()()cos()PiiSB P t D tt三、卫星运动及GPS卫星信号3.9.3 GPS卫星信号的解调 用户接收机收到的GPS卫星信号是一种调制波，需要通过解调，从调制波中分离出测距码信号、导航电文信号以及纯净的载波信号。GPS通常使用两种方法：码相关解调技术 平方解调技术广东工业大学GPS定位技术与应用34三、卫星运动及GPS卫星信号1、码相关解调技术 使用接收机产生的

15、复制码信号，在同步的条件下，与卫星信号相乘。原先因乘以“-1”而改变的相位，又因为再乘以“-1”而得到恢复，即：调制（扩频）后得到的信号S(t)=P(t)D(t)解调（解扩）后得到的信号S(t)P(t)=D(t)广东工业大学GPS定位技术与应用35三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用36码的调制（扩频）码的调制（扩频）码的解调（解扩）码的解调（解扩）三、卫星运动及GPS卫星信号伪噪声码跟踪环路 解调电路的示意图广东工业大学GPS定位技术与应用37三、卫星运动及GPS卫星信号载波跟踪环路 提取数据码信号广东工业大学GPS定位技术与应用38三、卫星运动及GPS卫星信号2、平

16、方解调技术 由于1状态的调制码经平方后均为+1，而+1不改变载波相位。所以通过平方，可以得到纯净的载波信号。广东工业大学GPS定位技术与应用39三、卫星运动及GPS卫星信号 平方解调不仅消去了测距码（伪随机码）信号，也同时消去了数据码，因此不能用来恢复导航电文。广东工业大学GPS定位技术与应用40三、卫星运动及GPS卫星信号3.9.4 载波相位测量原理 实际上，通过测量载波相位，也可以测量卫星到地面接收机的距离。这种方法使用C/A码就能达到很高的精度。这里学习如何测量载波相位。广东工业大学GPS定位技术与应用41三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用42卫星在S地面接收机

17、在M卫星至接收机的距离三、卫星运动及GPS卫星信号 相位s、m的单位是周。但是在s实际中无法测得。通常是接收机的振荡器产生一个频率和初相与卫星信号完全相同的基准信号，使在任一瞬间接收机基准信号的相位等于卫星发射信号的相位。广东工业大学GPS定位技术与应用43三、卫星运动及GPS卫星信号 在进行载波相位测量时，接收机要跟踪卫星信号，在历元t0瞬间进行首次载波相位测量，测得的相位差为 其中0(M)为接收机基准信号相位，0(S)为接收机收到的卫星信号相位。N0无法直接测定，称为整周未知数（整周模糊度），F0()为不足一整周的相位差。广东工业大学GPS定位技术与应用440000()()()MSNF三、

18、卫星运动及GPS卫星信号 在t0以后（ti时刻）的测量中，接收机会记录从t0到观测时刻的相位整周数变化值In()。广东工业大学GPS定位技术与应用450()()iiNInF三、卫星运动及GPS卫星信号作业 P.77 习题8、9广东工业大学GPS定位技术与应用46三、卫星运动及GPS卫星信号3.10 美国政府关于GPS卫星信号的SA政策 GPS在军事上的用途非常广泛，具有重要作用。美国国防部为了抑制自己的潜在对手对GPS的使用，从1991年7月开始在GPS系统中实施SA技术。降低未经美国政府特许的GPS用户的定位精度，以保护美国自身的利益。广东工业大学GPS定位技术与应用47三、卫星运动及GPS

19、卫星信号3.10.1 GPS卫星信号的SA技术 GPS的两种定位服务 标准定位服务，SPS；精密定位服务，PPS；美国政府限制SPS用户的定位精度，采用了SA技术 SA：selective availability 对信号基准频率的技术；对导航电文的技术，即对P码的加密技术。广东工业大学GPS定位技术与应用48三、卫星运动及GPS卫星信号技术 技术，是指在GPS工作卫星信号基准频率中，加入一个人工高频抖动信号，使GPS卫星频率产生快速变化（钟频抖动）。钟频抖动幅度为2Hz，周期约为10分钟。广东工业大学GPS定位技术与应用49三、卫星运动及GPS卫星信号3.10.2 SA技术对定位的影响 降低

20、单点定位精度。广播星历的精度由20m降低到100m，且偏差不固定。降低长距离相对定位的精度。增加了高精度相对定位数据处理以及整周未知数确定的难度。广东工业大学GPS定位技术与应用50三、卫星运动及GPS卫星信号3.10.3 GPS用户的反限制措施 100m的精度，无法满足飞机着陆、船舶航行、资源勘查、环境监测等的应用要求。美国本土民用部门、世界各国GPS对SA技术提出挑战，提出反限制技术。广东工业大学GPS定位技术与应用51三、卫星运动及GPS卫星信号反限制措施 建立区域性的GPS卫星测轨系统。国际合作GPS卫星跟踪网（CIGNET）。测轨精度达到分米级。我国的GPS跟踪站，为用户提供卫星星历、钟差等信息。研究新的实时定位方法，削弱SA技术的影响。差分GPS。使非特许用户的实施定位精度达到1m。在2000年5月，美国取消实施SA技术。广东工业大学GPS定位技术与应用52