1、卫星定位导航系统原理与应用卫星定位导航系统原理与应用授课教师授课教师: 付梦印付梦印/ /张继伟张继伟6号教学楼号教学楼606室室Tel:68914382Email:第三讲GPS卫星信号结构GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其调制波是卫星导航电文和测距码的组合码。GPS卫星信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星信号的组成部分l载波（Carrier）L1L2l测距码（Ranging Code）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）l卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成l关键设备 原子钟GPS卫星信号结构由卫星上的原子钟直接
2、产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频GPS卫星的基准频率 f01012020001541575.42MHz;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GPS卫星信号结构-载波作用l 搭载其它调制信号l 测距l 测定多普勒频移类型l 目前L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cmL2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cml 现代化后增加L5 频率：115f0 =
3、1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03c mL224.42c mGPS卫星信号结构-载波特点l所选择的频率有利于测定多普勒频移l所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响l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）GPS卫星信号结构-测距码作用l测距:通过测时实现测距。性质l伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）l不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）l对齐的同一组码间的相关系数为1PRN伪随机码伪随机码又称为伪噪声码，简称PRN（Pseudo Random Noise Code
4、)，是一组人工生成的噪声码。它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。GPS信号中使用了伪随机码编码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。4级m序列产生示意图伪随机噪声码测距原理 卫星发射一伪随机噪声码，而接收机内也产生一伪随机噪声码，且两个码序列是相同的m序列，时间也是精确同步的。 当卫星信号经过传播距离的时间延迟?到达接收机，与本地复制码进行相关处理时，移动本地码，使相关函数达到最大值，本地码所移动的延迟值就是卫星信号的传播延迟?（传播时间），它乘上光速即为所测距离。用伪码测量伪距GPS卫星信号结构-C/A码和P码是两种RPN序列。其作用相当于
5、测距中的定时信号。C/A码(Coarse/Acquisition Code，粗码/捕获码):是一种短码，码率为f0/10=1.023Mbps，周期为1ms。P码（Precise Code，精码)是一种长码，其码率为f0=10.23Mbps。GPS卫星信号结构- C/A码码率： f0/10=1.023 Mbps周期： 1 ms码元数：1023码元宽度： 293.05 m载波：L1GPS卫星信号结构- P码码率： f0=10.23 Mbps周期： 7 days码元数： 6187104000000码元宽度： 29.3 m载波：L1、L2GPS卫星信号结构- C/A与P码GPS卫星信号结构-导航电文
6、作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息。 基本结构：.第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第1子帧（第1数据块）(300bits)第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第2子帧（第2数据块）(300bits)第3子帧（第2数据块）(300bits)第4子帧（第3数据块）(300bits)第5子帧（第3数据块）(300bits)第1主帧(1500bits)第2主帧(1500bits).第1子帧（第1数据块）(300bits).第5子帧（第3数据块）(300bits)第25主帧(15
7、00bits)导航电文导航电文内容第1子帧遥测字（TLM）转换字（HOW）数据块1时钟修正数第2子帧遥测字（TLM）转换字（HOW）数据块2星历表第3子帧遥测字（TLM）转换字（HOW）数据块2星历表第4子帧遥测字（TLM）转换字（HOW）数据块3卫星历书等第5子帧遥测字（TLM）转换字（HOW）数据块3卫星历书等导航电文的内容遥测字（TLM Telemetry Word）l每一子帧的第1个字l用作捕获导航电文的前导交接字（HOW Hand Over Word）l每一子帧的第2个字l主要内容：Z计数导航电文的内容第一数据块l第1子帧的第310个字l内容：WN GPS周L1所调制测距码标识符 “
8、10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码传输参数N URATGD 信号在卫星内部的时延星钟数据龄期AODC星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）导航电文的内容第二数据块l第2、3子帧的第310个字l内容该发送信号卫星的星历 广播星历l星历参数AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,000导航电文的内容第三数据块l第4、5子帧的第310个字l内容：所有卫星历书（概略星历）l第三数据块的内容每12.5分钟重复一次星历参数：轨道长半轴的平方根A为平均角速度其中：参考时刻的平近点角nttnMtMMoe)()(00nnnsmWGSaaGMnn02314330109
9、86005. 384)(系中定义为称为地球引力常数，在平均角速度的计算值：平均角速度的改正值星历参数etEtEearctgttEetMtEe)(cos)(sin1)()(sin)()(2真近点角：偏心率oeeoeeoeeoeeoeWoeeWoeoekeWoeoeWoekeWoettttttttGASTtGASTtttGASTtttGASTtGASTtttGASTttGASTGPS)()()()()()()()()()()()()()()(000为升交点赤经，则为升交点经度，为地球自转角速度，设之差周开始时格林尼治赤经与：参考时刻升交点赤经星历参数ittiitiioe)()(00：参考时刻的轨道
10、倾角)()(tt未经改正的升交距交：近地点角距)(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()(tCtCtitCtCtrtCtCtuCCCCCCisicrsrcusucisicrsrcusuc轨道倾角的改正项升交距角、轨道向径和弦调和改正的振幅：轨道倾角的余弦和正，弦调和改正的振幅：轨道半径的余弦和正，弦调和改正的振幅：升交距角的余弦和正，：星历参考时刻oet卫星信号的调制-伪码扩频解扩技术扩频：在发射端将基带信号（导航电文）经频谱扩展后发射出去。如将导航电文调制到P码上： S(t)=P(t)D(t)解扩：在接收端通过相关技术来解调扩展后的信号，恢
11、复原来的信息。 S(t)P(t)= P(t)D(t)P(t)=D(t)伪码扩频和解扩卫星信号的调制-双向移相键控技术伪随机码由一串二进制0和1组成，分别对应状态+1和-1。当状态变化时，载波的相位发生180变化，即所谓的双向移相键控技术。 GPS信号构成图卫星信号的调制 P码调制在L1和L2载波上，而C/A码仅调制在L1载波上而且与P码相位相差90度。 GPS卫星发射的信号为：)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtSGPS定位的基本原理需解决的两个关键问题l如何确定卫星的位置l如
12、何测量出站星间距离测距方法双程测距用于电磁波测距仪单程测距用于GPS利用测距码进行测距C/A码（测距时有模糊度）码（测距时有模糊度）P码码利用测距码测距距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定信号传播时间dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc利用测距码进行测距利用测距码测距的必要条件l必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点l采用的是CDMA（码分多址）技术l易于捕获微弱的卫星信号l可提高测距精度l便于对系统进行控制和管理（如AS）伪距测量的特点优点l无模糊度缺点l精度低GPS定位原理概述 GPS系统的定位过程可描述为:围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射经过编码调制的连
13、续无线电信号，信号中含有卫星信号准确的发射时间，以及不同的时间卫星在空间的准确位置(由卫星运动的星历参数和历书参数描述)；卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号，测量信号的到达时间，计算卫星和用户之间的距离；用导航算法解算得到用户的位置。 GPS利用TOA测距以确定用户位置。借助于对多颗卫星的TOA测量，便可得到用户位置。 GPS定位的基本几何原理为三球交会原理。 XA,YA,ZA XB,YB,ZBC XC,YC,ZCX,Y,Z用户接收机与卫星之间的距离为 :实际上，用户接收机一般不可能有十分准确的时钟，它们也不与卫星钟准确同步，因此用户接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间是不准确的，计算
14、得到的距离也不是用户接收机和卫星之间的真实距离，这种距离叫做伪距(PseudoRange)。 C0是电磁波传播速度(光速)，t是未知数。只要接收机能测出距四颗卫星的伪距，便有四个这样的方程，把它们联立起来，便可以解出四个未知量x，y，z和 t，即能求出接收机的位置和准确的时间。 GPS解算过程解算过程zyxPD1PD2PD3PD4S1S4S3S2Sn 卫星PD1伪距x, y, z测站坐标PR1 (XS1XR)2(YS1YR)2(ZS1ZR)2c.dTPR2 (XS2XR)2(YS2YR)2(ZS2ZR)2c.dTPR3 (XS3XR)2(YS3YR)2(ZS3ZR)2c.dTPR4 (XS4X
15、R)2(YS4YR)2(ZS4ZR)2c.dTXSN ; YSN ; ZSN已知卫星坐标XR ; YR ; ZR测站坐标4 个观测量4 个等式4 个参数空间大地直角坐标大地坐标XR 纬度（B）YR经度 （L）ZR高程 (h)dT 时间 T坐标转换几何精度衰减因子（DOP） 当伪距测距误差一定时，观测站与参与定位的卫星间几何关系的差异将直接影响定位误差。为描述卫星间的相对几何关系，引入了精度衰减因子（Dilution of Precision，DOP）的概念。 假设为伪距测量中的误差， x、y、z 、t分别为对应于x、y、z和接收机钟差的误差，则有以下几种精度衰减因子的定义： 平面位置精度因子H
16、DOP HDOP= （2x+ 2y）1/2/ 几何精度衰减因子（DOP）高度精度因子VDOP VDOP= z/ 位置精度因子PDOP PDOP= （2x+ 2y+ 2z ）1/2/ 时间精度因子TDOP TDOP= t/ 几何精度因子GDOP GDOP= （2x+ 2y+ 2z+ 2t ）1/2/ GDOP反映了由于卫星几何关系的影响造成的伪距测量误差与用户误差间的比例系数。它与所选的坐标系无关，可以作为用户选星的主要依据。 一般地，用户到各观测GPS卫星联线的张角都较大时，GDOP值较小。或者说，处于测站上空的4颗卫星形成的四面体的体积最大时，GDOP最小。 由观测站到4颗卫星的观测路径方向
17、中，当任意两路径方向之间的夹角接近109.5度时，其卫星几何分布体积最大。但在实际观测时，为了减弱大气折射的影响，被选中观测的卫星的高度角不能过低。 一般认为，在高度角满足要求时，当1颗卫星位于观测站的天顶，而其余3颗卫星相距约120度分布时，四面体体积最大，实际工作中，这种卫星几何分布可作为选星的参考。GPS接收机的基本组成 全向圆极化天线接收卫星发射的频率为f1和f2的扩频导航信号，经前置放大后进行变频。 前置放大器是带宽低噪声载频放大器，用来改善信噪比。 接收通道采用多次变频的方法，这是因为从卫星接收的信号很弱，多次变频可使接收通道得到稳定的高增益，并有利于抑制镜像频率信号干扰。 变频器
18、把射频（RF）信号变成中频（IF）信号，经过放大、带通滤波（BPF）送给伪码延时锁定环路和载波锁定环路。对信号进行解扩、解调，得到基带信号。从载波锁定环路提取与多普勒频移相应的伪距变化率，从伪码延时锁定环路提取伪距。 至A/D变化之前的接收机通道对卫星L1和L2信号都是进行模拟信号处理，是典型的超外差接收机电路。A/D变换器将卫星模拟信号变换为二位数字信号，输入至相关器进一步进行处理。基准振荡器和频率综合器产生需要的各种本地振荡信号。导航定位计算部分从基带信号中译出星历参数、卫星时钟校正参量、时间标记点和历书等。用这些参数结合伪距和伪距变化率，以及一些初始参数（例如用户初始位置估计、速度估计以
19、及它们的方差等），进行最佳导航星的选择计算和卫星信号的搜索跟踪控制等工作，并进行用户位置和速度的计算。GPS接收机的工作过程1、选择卫星 从可见卫星（411颗）中选择几何配置关系最好的4颗星。 用户只要捕获并跟踪到一颗卫星的信号，便可从其第5子帧取得24颗星的粗略星历。一旦有了这些数据，再根据用户自身的估计位置，就可按卫星仰角大于5度，对用户而言卫星相互张开角度都较大的原则，选出4颗卫星。2、搜捕和跟踪被选卫星的信号 信号的搜捕就是检测伪随机码自相关输出的极大值，通常是采用相关试探的方法进行搜捕。 先选某一初相的本地码与所接收的卫星码进行相关检测； 如果这时相关输出为低电平，则移动本地码（通常移动半个码元），直到取得最大相关输出（高电平）。3、测量伪距离并进行修正 利用时间标记和子帧计数测量出用户和卫星之间的伪距离，并用f1和f2测得的伪距差对其进行大气附加延时的修正。只用C/A码的接收机无法进行此项大气附加延时的修正。4、定位计算计算机根据星历、卫星时钟校正量、修正后的伪距离及初始装订的数据等，采用经典导航定位算法或卡尔曼滤波定位算法，由4颗卫星的信息计算出用户的位置、速度等导航参数。
