GPS原理与应用第4章-GPS组成与卫星信号讲诉课件.ppt

1、第第4 4章章 GPSGPS卫星信号卫星信号黄海军黄海军 中国地质大学（武汉）测绘工程系中国地质大学（武汉）测绘工程系 2GPS卫星信号的组成卫星信号的组成34.1.1 关于关于GPS卫星信号卫星信号pGPS卫星发射的三类信号卫星发射的三类信号n载波信号载波信号 （Carrier Phase）nL1nL2n测距码测距码 (Ranging Code)nP码（或码（或Y码）码）(Precise code)分别分别被被调制调制在在L1和和L2 上上nC/A码码 (Coarse/Acquisition code)被被调制在调制在L1上上n卫星的导航电文卫星的导航电文(Navigation Messag

2、e/Data Message)pGPS卫星信号的生成卫星信号的生成n关键设备关键设备 原子钟原子钟4.1.2 GPS卫星信号结构卫星信号结构4 1 L1载波 1575.42MHz L2载波 1227.60MHz C/A码 1.023MHz P 码 10.23MHz 导航电文 50Hz 导航电文 50Hz 10 204600 基本频率 10.23MHz 154 120 P 码 10.23MHz p由卫星上的原子钟直接产生由卫星上的原子钟直接产生p频率为频率为10.23MHzp卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或者分频者分频4.1.3 GPS卫星的基准频

3、率卫星的基准频率f051012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffC AfPffHz码码率码码率卫星（导航）电文码率4.1.4载波载波 6p作用作用n搭载其它调制信号搭载其它调制信号n测距测距n测定多普勒频移测定多普勒频移p类型类型 n目前目前n L1 频率：频率：154 f0 =1575.43MHz；波长：；波长：19.03cmn L2 频率：频率：120 f0 =1227.60MHz；波长：；波长：24.42cmn现代化后现代化后n 增加增加L5 频率：频

4、率：115 f0=1176.45MHz；波长：；波长：25.48cmL119.03c mL224.42c m4.1.4 载波载波7p特点特点n所选择的频率有利于所选择的频率有利于测定多普勒频移测定多普勒频移n所选择的频率有利于所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响减弱信号所受的电离层折射影响n选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟与信号的频率有关）（电离层折射延迟与信号的频率有关）8GPS的测距码信号的测距码信号4.2.1 伪随机噪声码伪随机噪声码-码的基本概念码的基本概念9p码（码（code）:表达不同信息的二进制

5、数组合。表达不同信息的二进制数组合。p编码（编码（coding）：将文字，图像、声音等信息，：将文字，图像、声音等信息，按照一定规则，表示为二进制数组合的过程。按照一定规则，表示为二进制数组合的过程。通过编码可以将各种信息转变为相应的文本、通过编码可以将各种信息转变为相应的文本、栅格图像、矢量图形、音频、视频等具有固定栅格图像、矢量图形、音频、视频等具有固定格式，便于存储、编辑、传播和显示输出的数格式，便于存储、编辑、传播和显示输出的数字信息集合。字信息集合。p一个比特（一个比特（bit）或一个码元）或一个码元：一位二进制数。：一位二进制数。p比特率：比特率：在信息传播的过程中，每秒传输的比在

6、信息传播的过程中，每秒传输的比特数。单位特数。单位bit/s，或者用，或者用BPS（Bit Per Second）表示。表示。p比特比特和和比特率比特率都是码的基本单位。都是码的基本单位。4.2.2 随机噪声码随机噪声码p码是一组二进制的数码序列，可以表达成以码是一组二进制的数码序列，可以表达成以0和和1为幅度的时间函数。为幅度的时间函数。p假设一组码序列假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是，对某一时刻来说，码元是0或或1完全是随机的，但出现的概率均为完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这种。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机随机码

7、码（Random Noice）序列（或）序列（或随机噪声码随机噪声码序列）序列）n不可复制的不可复制的n非周期性序列非周期性序列n具有良好的自相关性：相关性的好坏，对提高利用具有良好的自相关性：相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距精度，极其重要卫星码信号测距精度，极其重要10114.2.3 随机噪声码的自相关性随机噪声码的自相关性n将随机序列将随机序列u(t)平移平移k个码元，得到一个新的随机序个码元，得到一个新的随机序列列u(t)，如果两随机序列，如果两随机序列u(t)和和u(t)所对应的码元中，所对应的码元中，相同的码元数（同为相同的码元数（同为0或或1）为）为Au，相异的码元数为

8、，相异的码元数为Bu，则随机序列，则随机序列u(t)的自相关系数的自相关系数R(t)定义为：定义为：n当平移的码元数当平移的码元数k=0，说明两个结构相同的随机码序，说明两个结构相同的随机码序列，相应的码元相互对齐列，相应的码元相互对齐,Bu=0，自相关系数，自相关系数R(t)=1。n当当k0时，由于码序列的随机性，当序列中码元数充时，由于码序列的随机性，当序列中码元数充分大时，则分大时，则AuBu，即自相关系数，即自相关系数R(t)0。n根据码序列根据码序列自相关系数的取值自相关系数的取值，可以判断两个随机，可以判断两个随机码序列的相应码元是否对齐。码序列的相应码元是否对齐。()uuuuR

9、tABAB124.2.3 随机噪声码的自相关性随机噪声码的自相关性n假设假设GPS卫星发射的是一个随机码序列卫星发射的是一个随机码序列u(t)，而，而GPS接接收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列u(t)，则由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的则由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的u(t)与与u(t)之间产生了平移，即之间产生了平移，即相应的码元错开相应的码元错开，因而，因而R(t)0n如果通过一个时间延迟器来调整如果通过一个时间延迟器来调整u(t)，使之与，使之与u(t)的码的码元元相互完全对齐相互完全对齐，即有，即有R(t)=1则可以

10、从接收机的时间延则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而准确测定从而准确测定GPS卫星到测站的距离卫星到测站的距离n随机序列相关性的好坏，对提高利用随机序列相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测卫星码信号测距精度，非常重要距精度，非常重要134.2.4 伪随机噪声码及其产生伪随机噪声码及其产生p尽管尽管随机码随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用无法复制和利用pGPS采用了一种采用了一种伪随机

11、噪声码伪随机噪声码（Pseudo Random Noise-PRN）简称）简称伪随机码或伪码伪随机码或伪码，特点是：，特点是：n具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。是周期性的，容易复制。n伪随机码是由一个伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器多极反馈移位寄存器”的装置产生的。的装置产生的。n移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有单元只有0或或1两种状态。两种状态。n移位寄存器的控制脉冲有两个：移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲钟脉冲和和置

12、置1脉冲脉冲。n移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置1脉冲的作用下而工作的脉冲的作用下而工作的 模模二二相相加加 钟钟脉脉冲冲 置置1脉脉冲冲 输输出出 2 3 4 1 4.2.4伪随机噪声码及其产生伪随机噪声码及其产生14四级反馈移位寄存器四级反馈移位寄存器状态编号状态编号各存储单元状态各存储单元状态 模二相加模二相加输出码元输出码元1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010111112121313141415151 1 1 11 1 1 11 1 1 01 1 1 01 1 0 01 1 0 01 0 0 01 0 0 00 0 0 10 0 0

13、 10 0 1 00 0 1 00 1 0 00 1 0 01 0 0 11 0 0 10 0 1 10 0 1 10 1 1 00 1 1 01 1 0 11 1 0 11 0 1 01 0 1 00 1 0 10 1 0 11 0 1 11 0 1 10 1 1 10 1 1 10 00 00 01 10 00 01 11 10 01 10 01 11 11 11 11 11 11 11 10 00 00 01 10 00 01 11 10 01 10 04.2.4伪随机噪声码及其产生伪随机噪声码及其产生4.2.4 伪随机码及其产生伪随机码及其产生n码序列的产生也可以选择其它的反馈方式，以

14、上介绍的码序列的产生也可以选择其它的反馈方式，以上介绍的是是 的反馈方式，还可以是的反馈方式，还可以是 等其他方式。一等其他方式。一般说来，对于一个般说来，对于一个r级反馈移位寄存器来说，它可能经级反馈移位寄存器来说，它可能经历的状态有历的状态有nNu是码序列的长度，如果每个钟脉冲的时间周期为是码序列的长度，如果每个钟脉冲的时间周期为tu,该该码序列的最大周期为：码序列的最大周期为：n以上例子以上例子r4，属于周期较短的伪码。在，属于周期较短的伪码。在GPS测距中，测距中，为了保证测量精度还需要周期更长，结构更复杂的伪随为了保证测量精度还需要周期更长，结构更复杂的伪随机噪声码。机噪声码。202

15、2-11-2016(21)ruuu uTtN t21ruN pGPS卫星所采用的两种测距码，即卫星所采用的两种测距码，即C/A码和码和P码（或码（或Y码），均属于码），均属于伪随机码伪随机码。nC/A码码：是由两个：是由两个10级反馈移位寄存器组合产生级反馈移位寄存器组合产生n码长码长Nu=210-1=1023比特比特n码元宽为码元宽为tu=1/f1=0.97752 s,（f1为基准频率为基准频率f0的的1/10，1.023 MHz）n相应的距离为相应的距离为293.05mn周期为周期为Tu=Nutu=1ms，数码率为，数码率为1.023Mbit/s。nC/A码的码长短，共码的码长短，共102

16、3个码元，若以每秒个码元，若以每秒50码元的速码元的速度搜索，只需度搜索，只需20.5s，易于捕获，称，易于捕获，称捕获码捕获码。n码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为1/100，则，则相应的测距误差为相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称。由于精度低，又称粗码粗码4.2.5 C/A码码（Coarse/Acquisition CodeCoarse/Acquisition Code）17pP码码n P码产生的原理与码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。级反馈移位

17、寄存器构成。n码长码长 Nu 2.35 1014比特比特n码元宽码元宽 tu=1/f0=0.097752 sn相应的距离相应的距离 29.3m。周期。周期 Tu=Nutu 267dn数码率数码率 10.23Mbit/s n被调制在被调制在L1和和L2上上4.2.6 P码码（Precise CodePrecise Code）18p P码码nP码的周期长，码的周期长，267天，实际应用时天，实际应用时P码的周期被分成码的周期被分成38部部分，（每一部分为分，（每一部分为7天，码长约天，码长约6.19 1012bit）n其中其中1部分闲置，部分闲置，5部分给地面监控站使用，部分给地面监控站使用，32

18、部分分配给部分分配给不同卫星，每颗卫星使用不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。长和周期，但结构不同。码分多址码分多址nP码的捕获一般是先捕获码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕码，再根据导航电文信息，捕获获P码。由于码。由于P码的码元宽度为码的码元宽度为C/A码的码的1/10，若取码元对，若取码元对齐精度仍为码元宽度的齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为，则相应的距离误差为0.29m，故，故P码称为码称为精码精码。4.2.6 P码码（Precise CodePrecise Code）1920GPS卫

19、星的导航电文卫星的导航电文p 导航导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/AC/A码捕获码捕获P P码码等导航信息的数据码（或等导航信息的数据码（或D D码）。码）。p 导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有电文含有15001500比特，播送速度比特，播送速度50bit/s50bit/s，每帧播送时间，每帧播送时间30s30s。12345123456789

20、1030s6s0.02s0.6s25页10个字个字30比特比特4.3.1 导航电文及其格式导航电文及其格式21p 每每帧导航电文含帧导航电文含5 5个子帧，每个子帧分别含有个子帧，每个子帧分别含有1010个字，每个字个字，每个字3030比特，故每个子帧共比特，故每个子帧共300300比特，播发时间比特，播发时间6s6s。为记载多达。为记载多达2525颗卫颗卫星，子帧星，子帧4 4、5 5各含有各含有2525页。页。p 子帧子帧1 1、2 2、3 3和子帧和子帧4 4、5 5的每一页构成一个主帧。主帧中的每一页构成一个主帧。主帧中1 1、2 2、3 3的内容每小时更新一次，的内容每小时更新一次，

21、4 4、5 5的内容仅当给卫星注入新的导航电的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。文后才得以更新。123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特4.3.1 导航电文及其格式导航电文及其格式22123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特4.3.1 导航电文及其格式导航电文及其格式23TLM HOW数据块1时钟修正参数TLM HOW数据块2星历表TLM HOW数据块2星历表继续TLM HOW数据块3卫星历书等TLM HOW数据块3卫星历书等12345一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特4.3

22、.2 导航电文的内容导航电文的内容24p（1）遥测字（）遥测字（TLMTelemetry WORD）n 位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。p（2）交接字（）交接字（HOWHand Over Word）n紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码的码的Z记记数。所谓数。所谓Z记数是从每个星期六记数是从每个星期六/星期日子夜零时起算的时间星期日子夜零时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的记数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时。时。p（3）数据块）数据块：第一数据块位于第：第一数据块位于第l子帧的第子

23、帧的第3-10字字,含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数电离层改正参数、和卫星工作状态等信息。、和卫星工作状态等信息。4.3.2 导航电文的内容导航电文的内容25p（3 3）数据数据块块：第一数据块位于第第一数据块位于第l l子帧的第子帧的第3-103-10字字码码,含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数电离层改正参数、和卫星工作状态等信息。、和卫星工作状态等信息。n 卫星钟改正参数卫星钟改正参数a a0 0（钟差）、（钟差）、a a1 1 （钟速）（钟速）、

24、a a2 2 （钟漂）。（钟漂）。任意任意时刻时刻t t的钟改正数为的钟改正数为 n 参考历元参考历元t t0e0e为为数据块数据块1 1的基准时间，从的基准时间，从GPSGPS时星期六时星期六/星期日子夜星期日子夜零时起算，变化于零时起算，变化于0-604800s0-604800s之间。之间。n 数据龄期数据龄期AODAAODA表示基准时间表示基准时间t t0e0e与与最近一次更新星历的时间之差，最近一次更新星历的时间之差，主要用于评价钟改正数的可信程度。主要用于评价钟改正数的可信程度。n 现时星期编号现时星期编号WNWN：表示从：表示从19801980年年1 1月月6 6日协调时零点起算的

25、日协调时零点起算的GPSGPS时星时星期数。期数。20102()()oetaa tta tt 4.3.2 导航电文的内容导航电文的内容26p（4）数据块数据块：包含在：包含在2、3两个子帧里，主要向两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历。般称为卫星星历。p（5）数据块数据块：包含在：包含在4、5两个子帧中，主要向两个子帧中，主要向用户提供用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信卫星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星的历书。息，称为卫星的历书。4.3.2 导航电文的内容导航电文的内容2728卫星信号的调

26、制与解调卫星信号的调制与解调pGPS卫星取卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载波波段的两种不同电磁波频率为载波nL1波长为波长为19.03cm；L2波长为波长为24.42cm。n在在L1载波上，调制有载波上，调制有C/A码、码、P码（或码（或Y码）和数据码；码）和数据码；n L2载波上，只调制有载波上，只调制有P码（或码（或Y码）和数据码。码）和数据码。基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHz数据码50BPSP码10.23MHz数据码50BPS15412010204600 4.4.1 卫星载波信号卫星载波信号2

27、9p在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信号称为低的信号称为调制信号调制信号。pGPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且调制码的幅值只取载波上，且调制码的幅值只取0或或1。如果码值取。如果码值取0，则对应的码状态取则对应的码状态取+1；而码值取；而码值取1时，对应码状态时，对应码状态为为-1，载波和相应的码状态相乘后，即实现了，载波和相应的码状态相乘后，即实现了载波载波的调制。的调制。4.4.2

28、卫星载波信号的调制卫星载波信号的调制30p模二和模二和n运算规则运算规则n二进制信号：二进制信号：“1”表示二进制表示二进制“0”，“-1”表示二进制表示二进制“1”，则，则000;110;101;011111;111;111;1114.4.2 卫星载波信号的调制卫星载波信号的调制31p二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS调频调频FM调幅调幅AM调相调相PM注：其它调制方式注：其它调制方式4.4.2 卫星载波信号的调制卫星载波信号的调制32pGPS卫星信号的调制卫星信号的调制n示意图示意图n卫星信号的调制原理卫星信号的调制原理)cos()()()()sin()(

29、)()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS4.4.2 卫星载波信号的调制卫星载波信号的调制33p 复制复制码与卫星信号相乘码与卫星信号相乘n 由于调制码的码值是用由于调制码的码值是用 1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码信号完全相同的号与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码信号完全相同的测距码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距测距码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。但此时恢复的

30、载波尚含有数据码即导航码而恢复原来的载波。但此时恢复的载波尚含有数据码即导航电文电文n 这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构，以便产生复制码。这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构，以便产生复制码。p 平方平方解调技术解调技术n 将接收到的卫星信号进行平方，由于处于将接收到的卫星信号进行平方，由于处于+1+1状态的调制码经过平方状态的调制码经过平方后均为后均为+1+1，而，而+1+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。到解调目的。n 这种方法，可不必知道调制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了这种方法，可不必知道调制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文。卫星信号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文。4.4.3 卫星载波信号的解调卫星载波信号的解调34小小 结结pGPSGPS信号的分类信号的分类p了解了解PRNPRNp导航电文的格式和内容导航电文的格式和内容p了解信号的调制和解调了解信号的调制和解调35