衛(wèi)星定位原理及應(yīng)用第四章

1、第四章第四章 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào)和衛(wèi)星信號(hào)4.2 GPS衛(wèi)星信號(hào)衛(wèi)星信號(hào)4.2.1概述概述 GPS衛(wèi)星信號(hào)是衛(wèi)星信號(hào)是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的衛(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：用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波。包括：l載波信號(hào)載波信號(hào)l測(cè)距嗎（測(cè)距嗎（C/A碼，碼，P碼）碼）l數(shù)據(jù)碼（衛(wèi)星電文）數(shù)據(jù)碼（衛(wèi)星電文）4.2.1概述概述注：注： GPS衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生、構(gòu)成與復(fù)制，涉及到衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生、構(gòu)成與復(fù)制，涉及到現(xiàn)代數(shù)字通信理論和技術(shù)方面的復(fù)雜問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)代數(shù)字通信理論和技術(shù)方面的復(fù)雜問(wèn)題，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，可以不去深入研究，但要了解基于我們來(lái)說(shuō)，可以不去深入研究，但要

2、了解基本概念，有利于理解本概念，有利于理解GPS的定位原理。的定位原理。4.2.1概述概述載波載波l作用作用搭載其它調(diào)制信號(hào)搭載其它調(diào)制信號(hào)測(cè)距測(cè)距測(cè)定多普勒頻移測(cè)定多普勒頻移l類型類型目前目前l(fā)L1 頻率：頻率： 154 f0 = 1575.43MHz；波長(zhǎng)：；波長(zhǎng)：19.03cmlL2 頻率：頻率： 120 f0 = 1227.60MHz；波長(zhǎng)：；波長(zhǎng)：24.42cm現(xiàn)代化后現(xiàn)代化后l增加增加L5 頻率：頻率：115 f0 = 1176.45MHz；波長(zhǎng)：；波長(zhǎng)：25.48cmL119.03c mL224.42c m4.2.1概述概述l載波特點(diǎn)載波特點(diǎn)所選擇的頻率有利于測(cè)定多普勒頻移所選擇

3、的頻率有利于測(cè)定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號(hào)所受的電離層折射影所選擇的頻率有利于減弱信號(hào)所受的電離層折射影響響選擇兩個(gè)頻率可以較好地消除信號(hào)的電離層折射延選擇兩個(gè)頻率可以較好地消除信號(hào)的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號(hào)的頻率有關(guān)）遲（電離層折射延遲于信號(hào)的頻率有關(guān)）4.2.1概述概述補(bǔ)充：碼的概念及特點(diǎn)補(bǔ)充：碼的概念及特點(diǎn) 在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進(jìn)制數(shù)（在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進(jìn)制數(shù)（0和和1）及其）及其組合，來(lái)表示各種信息。表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及組合，來(lái)表示各種信息。表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合，稱為其組合，稱為。一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)。一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)碼元碼元或一或

4、一比特比特。比特為碼和信息量的度量單位。比特為碼和信息量的度量單位。 如果將各種信息例如聲音、圖象和文字等通過(guò)量化，如果將各種信息例如聲音、圖象和文字等通過(guò)量化，并按某種預(yù)定規(guī)則，表示成二進(jìn)制數(shù)的組合形式，則并按某種預(yù)定規(guī)則，表示成二進(jìn)制數(shù)的組合形式，則這一過(guò)程稱為這一過(guò)程稱為編碼編碼。 在二進(jìn)制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)稱在二進(jìn)制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)稱為數(shù)碼率，表示數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為為數(shù)碼率，表示數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為bit/s。4.2.1概述概述碼及碼的特點(diǎn)碼及碼的特點(diǎn)（1）二進(jìn)制數(shù)與碼）二進(jìn)制數(shù)與碼l碼：用以表示各種不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合碼：

5、用以表示各種不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合l比特：一個(gè)二進(jìn)制數(shù)比特：一個(gè)二進(jìn)制數(shù)l數(shù)碼率：在數(shù)字化信息傳輸中的每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)數(shù)碼率：在數(shù)字化信息傳輸中的每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)（2）隨機(jī)噪聲碼）隨機(jī)噪聲碼l隨機(jī)噪聲碼：碼元的出現(xiàn)無(wú)規(guī)律，不能復(fù)制隨機(jī)噪聲碼：碼元的出現(xiàn)無(wú)規(guī)律，不能復(fù)制測(cè)距碼測(cè)距碼l作用作用測(cè)距測(cè)距l(xiāng)性質(zhì)性質(zhì)為偽隨機(jī)噪聲碼（為偽隨機(jī)噪聲碼（PRN Pseudo Random Noise）不同的碼（包括未對(duì)齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)不同的碼（包括未對(duì)齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為為0或或1/n（n為碼元數(shù)為碼元數(shù)）對(duì)齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為對(duì)齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為14.2.1概述概述4

6、.2.1概述概述l類型類型目前目前l(fā)C/A碼（碼（Coarse/Acquisition Code） 粗碼粗碼/捕獲碼；碼率：捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)：周期含碼元數(shù)：1023；碼元寬度：；碼元寬度：293.05m；僅被調(diào)制在；僅被調(diào)制在L1上上lP（Y）碼（）碼（Precise Code） 精碼；碼率：精碼；碼率：10.23MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含碼元數(shù)：周期含碼元數(shù)：6187104000000；碼元寬度：；碼元寬度：29.30m；被調(diào)制在被調(diào)制在L1和和L2上上現(xiàn)代化后現(xiàn)代化后l在在L2上調(diào)制上調(diào)制C/A碼碼l在在L1和和L2增加調(diào)制

7、增加調(diào)制M碼碼4.2.1概述概述l調(diào)制：為有效傳播信息，將頻率較低的信號(hào)加調(diào)制：為有效傳播信息，將頻率較低的信號(hào)加載到頻率較高的載波上，這個(gè)過(guò)程即為調(diào)制。載到頻率較高的載波上，這個(gè)過(guò)程即為調(diào)制。l然后，載波攜帶有用信號(hào)傳送出去，到達(dá)用戶然后，載波攜帶有用信號(hào)傳送出去，到達(dá)用戶接收機(jī)。接收機(jī)。 碼值為碼值為0，相應(yīng)的碼狀態(tài)為，相應(yīng)的碼狀態(tài)為+1； 碼值為碼值為1，相應(yīng)的碼狀態(tài)為，相應(yīng)的碼狀態(tài)為-1； 載波與相應(yīng)碼狀態(tài)的相乘便可實(shí)現(xiàn)載波的調(diào)載波與相應(yīng)碼狀態(tài)的相乘便可實(shí)現(xiàn)載波的調(diào)制。制。4.2.2 偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征l 補(bǔ)充：模二和（模二相加）補(bǔ)充：模二和（模二相加）運(yùn)

8、算規(guī)則運(yùn)算規(guī)則二進(jìn)制信號(hào)：二進(jìn)制信號(hào)：“1”表示二進(jìn)制表示二進(jìn)制“0”，“-1”表示二進(jìn)制表示二進(jìn)制“1”，則，則000; 110; 101; 011111; 111; 111; 1114.2.2 偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征l補(bǔ)充：隨機(jī)噪聲碼補(bǔ)充：隨機(jī)噪聲碼碼：二進(jìn)制的數(shù)據(jù)序列碼：二進(jìn)制的數(shù)據(jù)序列 可表達(dá)為可表達(dá)為0和和1的的幅度的時(shí)間函數(shù)。幅度的時(shí)間函數(shù)。 設(shè)一組碼序列設(shè)一組碼序列u（t），碼元），碼元0，1完全隨機(jī)，完全隨機(jī)，而概率為而概率為1/2。這種碼元幅度的取值完全無(wú)規(guī)律的碼序列，稱為這種碼元幅度的取值完全無(wú)規(guī)律的碼序列，稱為隨機(jī)序列碼隨機(jī)序列碼（隨機(jī)噪聲碼隨機(jī)

9、噪聲碼）。）。4.2.2 偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征l隨機(jī)噪聲碼：非周期性序列，無(wú)法復(fù)制。隨機(jī)噪聲碼：非周期性序列，無(wú)法復(fù)制。l自相關(guān)性自相關(guān)性l自相關(guān)系數(shù)自相關(guān)系數(shù) ： R(t)=(A-B)/(A+B) 其中，其中，A為為m序列與其序列與其j次移位序列一個(gè)周期中對(duì)應(yīng)元素相同的數(shù)次移位序列一個(gè)周期中對(duì)應(yīng)元素相同的數(shù)目目;B為為m序列與其序列與其j次移位序列一個(gè)周期中對(duì)應(yīng)元素不相同的數(shù)次移位序列一個(gè)周期中對(duì)應(yīng)元素不相同的數(shù)目。目。當(dāng)平移碼元數(shù)當(dāng)平移碼元數(shù)j=0時(shí)，即時(shí)，即B=0，R(t)=1；當(dāng)平移碼元數(shù)當(dāng)平移碼元數(shù)j不為不為0時(shí)，若時(shí)，若j趨向于無(wú)窮，則趨向于無(wú)窮，則A約

10、為約為B，R(t)約為約為0.4.2.2 偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征 對(duì)于對(duì)于GPS信號(hào)，衛(wèi)星發(fā)射的是一個(gè)隨機(jī)噪聲碼序列信號(hào)，衛(wèi)星發(fā)射的是一個(gè)隨機(jī)噪聲碼序列u(t)，由于傳播時(shí)間的延遲，使得接收到的，由于傳播時(shí)間的延遲，使得接收到的u(t)與與u(t)間平移，即相應(yīng)的碼元錯(cuò)開(kāi)了，因此間平移，即相應(yīng)的碼元錯(cuò)開(kāi)了，因此R(t)約為約為0；若通；若通過(guò)時(shí)間延遲器來(lái)調(diào)整過(guò)時(shí)間延遲器來(lái)調(diào)整u(t)，使之與，使之與u(t)的碼元相互完的碼元相互完全對(duì)齊，即使得全對(duì)齊，即使得R(t)=1，那么就可以從，那么就可以從GPS接收機(jī)時(shí)接收機(jī)時(shí)間延遲器中，測(cè)出衛(wèi)星到接收機(jī)的準(zhǔn)確傳播時(shí)間，從間延

11、遲器中，測(cè)出衛(wèi)星到接收機(jī)的準(zhǔn)確傳播時(shí)間，從而可準(zhǔn)確確定而可準(zhǔn)確確定P。 然而，然而， u(t)為非周期的，不服從任何編碼規(guī)則，為非周期的，不服從任何編碼規(guī)則，實(shí)際上無(wú)法復(fù)制和利用，所以引入實(shí)際上無(wú)法復(fù)制和利用，所以引入偽隨機(jī)噪聲偽隨機(jī)噪聲碼碼。4.2.2 偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征l移位寄存器移位寄存器l以四級(jí)反饋移位寄存器為例：以四級(jí)反饋移位寄存器為例：l假設(shè)初始狀態(tài)為（假設(shè)初始狀態(tài)為（a3,a2,a1,a0）=(1,0,0,0),每每次移位時(shí)次移位時(shí)a3和和a0模二相加，輸出端會(huì)產(chǎn)生一模二相加，輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)碼：個(gè)隨機(jī)碼：000111101011001l思考題？

12、思考題？C/A碼碼C/AC/A碼是由兩個(gè)碼是由兩個(gè)1010級(jí)反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生的級(jí)反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生的. .Shandong University of science and technology4.3 GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置衛(wèi)星位置l計(jì)算思路計(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)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)分別繞然后將上述坐標(biāo)分別繞X軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)- k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)軌道平面坐標(biāo)系軌道平面坐標(biāo)系軌道參數(shù)軌道參數(shù)地心升交點(diǎn)xy

13、近地點(diǎn)衛(wèi)星近地點(diǎn)角距真近點(diǎn)角升交距角升交點(diǎn)Z (Z)YXro春分點(diǎn)軌道平面衛(wèi)星升交點(diǎn)赤經(jīng)i 軌道傾角軌道橢圓中心赤道面近地點(diǎn)近地點(diǎn)角距長(zhǎng)半徑t0 過(guò)近地點(diǎn)時(shí)刻e 軌道偏心率地心f 真近點(diǎn)角XY起始子午面 升交點(diǎn)經(jīng)度kG AST xy4.3GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置衛(wèi)星位置l計(jì)算過(guò)程計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星的平近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角03314320()843.986005 10GMnaaWGSmsnnn稱為地球引力常數(shù)，在系中定義為)()(0oettnMtM)(sin)()(tEetMtE4.3GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣

14、播星歷計(jì)算根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置衛(wèi)星位置l計(jì)算過(guò)程（續(xù)）計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算升交距角（未經(jīng)改正的）計(jì)算衛(wèi)星向徑etEtEearctgtf)(cos)(sin1)(2)()( tftu)(cos1 ()( tEeAtr4.3GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置衛(wèi)星位置l計(jì)算過(guò)程（續(xù)）計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng)進(jìn)行攝動(dòng)改正計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的位置)( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()(tuCtuCtituCtuCtrtuCtuCtuisicrsrcusuc)()()()()( )()()( )(0

15、tittiititrtrtrtututuoe)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx4.3GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置衛(wèi)星位置l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)oeeoeektttt)()()(0)(sin)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos0)()(tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ精密星歷精密星歷按一定時(shí)間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的三維位按一定時(shí)間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的三維位置、三維速度和鐘差置、三維速度和鐘差* * 2004 1 15

16、0 0 0.000000002004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.82593

17、2P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428P