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文檔簡(jiǎn)介
1、 測(cè)量與導(dǎo)航工程系導(dǎo)航與定位教研室陳明劍第第1212次課次課 衛(wèi)星的信號(hào)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星的信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS Signal Characteristicsl GPS衛(wèi)星向用戶(hù)發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)均采用的是衛(wèi)星向用戶(hù)發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)均采用的是L(22cm)波段做為載波,有其優(yōu)點(diǎn)波段做為載波,有其優(yōu)點(diǎn):減少擁擠,避免干擾減少擁擠,避免干擾適用于擴(kuò)頻,傳送寬帶信號(hào)適用于擴(kuò)頻,傳送寬帶信號(hào)衛(wèi)星高軌運(yùn)行,能獲得較大的多普勒頻移衛(wèi)星高軌運(yùn)行,能獲得較大的多普勒頻移大氣衰減小,有益于研制用戶(hù)設(shè)備大氣衰減小,有益于研制用戶(hù)設(shè)備cossdmsVffC 載波頻率越高,多普勒頻移越大,載波頻率越高,多普勒頻移越大,有利于用戶(hù)
2、的行駛速度有利于用戶(hù)的行駛速度l GPSGPS衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文都屬于低頻信號(hào),衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文都屬于低頻信號(hào),GPSGPS衛(wèi)星軌衛(wèi)星軌道較高,其電能緊張,很難將信號(hào)傳輸?shù)降孛?,所以只能將道較高,其電能緊張,很難將信號(hào)傳輸?shù)降孛?,所以只能將低頻信號(hào)加載到高頻載波上。低頻信號(hào)加載到高頻載波上。 L L波段可以避開(kāi)大氣諧振吸收,能量耗損小。波段可以避開(kāi)大氣諧振吸收,能量耗損小。2lg (1)SCBN 在系統(tǒng)容量在系統(tǒng)容量C C一定時(shí),頻帶寬度一定時(shí),頻帶寬度B B越大,信噪越大,信噪比越小。擴(kuò)頻的目的:節(jié)省衛(wèi)星電能,增強(qiáng)比越小。擴(kuò)頻的目的:節(jié)省衛(wèi)星電能,增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)的抗干擾性,實(shí)現(xiàn)保
3、密信息傳送衛(wèi)星信號(hào)的抗干擾性,實(shí)現(xiàn)保密信息傳送MHzENSCB74. 7)5 . 11 (lg623.101lg22MHzBNS40.74101時(shí),當(dāng)Schematic of GPS codes and carrier phase衛(wèi)星的信號(hào)衛(wèi)星的信號(hào) GPS衛(wèi)星信號(hào)包含三種信號(hào)分量:載波、測(cè)距碼和數(shù)衛(wèi)星信號(hào)包含三種信號(hào)分量:載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼。信號(hào)分量的產(chǎn)生都是在同一個(gè)基本頻率據(jù)碼。信號(hào)分量的產(chǎn)生都是在同一個(gè)基本頻率f0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生的控制下產(chǎn)生fundamentalfrequency10.23 MHzL1 Carrier1575.42 MHzL2 Carrier1227.6
4、 MHzC/A Code1.023 MHzP Code10.23 MHzP Code10.23 MHzNavigationMessage50 BPSNavigationMessage50 BPS15412020460010l 將調(diào)制信號(hào)擴(kuò)頻方法:將調(diào)制信號(hào)擴(kuò)頻方法:用用50hz的的D碼調(diào)制一個(gè)偽隨機(jī)碼,例如調(diào)制碼調(diào)制一個(gè)偽隨機(jī)碼,例如調(diào)制p碼,碼率碼,碼率高達(dá)高達(dá)10.23MHZ,形成組合碼,形成組合碼P(t)D(t).用組合碼調(diào)制用組合碼調(diào)制L波段的載波,實(shí)現(xiàn)波段的載波,實(shí)現(xiàn)D碼的二級(jí)調(diào)制。碼的二級(jí)調(diào)制。l 在無(wú)線(xiàn)電通信中,為有效地傳播信息,一般將頻率較低在無(wú)線(xiàn)電通信中,為有效地傳播信息,一
5、般將頻率較低的信號(hào)加載到頻率較高的載波上,此時(shí)頻率較低的信號(hào)的信號(hào)加載到頻率較高的載波上,此時(shí)頻率較低的信號(hào)稱(chēng)為稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)。Codes on L1 and L2S1p(t) ApPp(t)DP(t)cos(2f1t) AcGP(t)DP(t)sin(2f1t)whereAp,Ac amplitudes (power) of P(Y)-code and C/ A-codePP(t) pseudorandom P(Y)-codeGP(t) C / A-code (Gold code)DP(t) navigation data streamandS2p(t) BpPp(t)DP(t)cos
6、(2f2t)Spread Spectrum PrincipleSin(t)-11TPRNPRN*Sin(t)Signal StructureL1 Carrier Wave 1575.42MHzC/A Code 1.023 MHzNavigation Message50HzPrecise Code 10.23 MHzSignal StructureL2 Carrier Wave 1227.6MHzNavigation Message50 HzPrecise Code10.23 MHz GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上,且調(diào)制碼的幅值只取0或1。如果碼值取0,則對(duì)應(yīng)的碼狀態(tài)取+
7、1;而碼值取1時(shí),對(duì)應(yīng)碼狀態(tài)為-1,載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后,即實(shí)現(xiàn)了載波的調(diào)制。GPS Signal Structure for L1 SignalMessage Data modulated on Ranging CodeUser Received Signal PowerGPS Signal Structure(3)GPS Signal Structure(4) Navigation Data StructureContents of GPS Navigation DataContents of GPS Navigation Data1、TLM和和HOW 遙測(cè)字(遙測(cè)字(TLM: Tel
8、emetry Word):):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),為各子幀提供了一個(gè)同步的起點(diǎn),使用戶(hù)便于的同步信號(hào),為各子幀提供了一個(gè)同步的起點(diǎn),使用戶(hù)便于解譯電文數(shù)據(jù)。解譯電文數(shù)據(jù)。 交接字(交接字(HOW: Hand-Over Word):緊接著各子幀的遙測(cè)字,主要向用戶(hù)提供從緊接著各子幀的遙測(cè)字,主要向用戶(hù)提供從C/A碼捕獲碼捕獲P碼碼的的Z計(jì)數(shù)。所謂計(jì)數(shù)。所謂Z計(jì)數(shù),就是從每星期六計(jì)數(shù),就是從每星期六/日子夜零時(shí)起算的日子夜零時(shí)起算的時(shí)間計(jì)數(shù),它表示下一子幀開(kāi)始瞬間的時(shí)間計(jì)數(shù),它表示下一子幀開(kāi)始瞬間的GPS時(shí)
9、。但為了實(shí)用時(shí)。但為了實(shí)用方便,方便,Z計(jì)數(shù)一般表示為從每星期六計(jì)數(shù)一般表示為從每星期六/日子夜零時(shí)開(kāi)始發(fā)播的日子夜零時(shí)開(kāi)始發(fā)播的子幀數(shù)。因?yàn)槊恳蛔訋ニ脱舆t的時(shí)間為子幀數(shù)。因?yàn)槊恳蛔訋ニ脱舆t的時(shí)間為6秒,所以,下一秒,所以,下一子幀開(kāi)始的瞬間為子幀開(kāi)始的瞬間為6Z。Contents of GPS Navigation Data2、數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)塊I: 它含有關(guān)于它含有關(guān)于衛(wèi)星鐘改正參數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期衛(wèi)星鐘改正參數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期,星期的周數(shù)編星期的周數(shù)編號(hào),電離層改正參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)號(hào),電離層改正參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息等信息。 計(jì)算衛(wèi)星鐘差的多項(xiàng)式參數(shù):計(jì)算衛(wèi)星鐘差的多項(xiàng)式參數(shù): a0,a1,
10、a22210)()(toctocttattaatttoc: 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊I的參考時(shí)刻,從的參考時(shí)刻,從GPS時(shí)的每星期日零時(shí)起算,時(shí)的每星期日零時(shí)起算,在在0604800秒之間變化;秒之間變化;AODC: 鐘數(shù)據(jù)齡期,主要用來(lái)評(píng)估鐘差改正數(shù)的可靠性。鐘數(shù)據(jù)齡期,主要用來(lái)評(píng)估鐘差改正數(shù)的可靠性。 ttTContents of GPS Navigation Data3、數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)塊 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊占有第二子幀和第三子幀。占有第二子幀和第三子幀。主要向用戶(hù)提供有關(guān)計(jì)算衛(wèi)星位置的參數(shù)。該數(shù)據(jù)塊一般主要向用戶(hù)提供有關(guān)計(jì)算衛(wèi)星位置的參數(shù)。該數(shù)據(jù)塊一般稱(chēng)作衛(wèi)星星歷稱(chēng)作衛(wèi)星星歷(Ephemeris)。衛(wèi)星位置
11、的計(jì)算。衛(wèi)星位置的計(jì)算 toetieA, iISICRSRCUSUCCCCCCC,nM ,0三、GPS數(shù)據(jù)文件 semimajor axis, a eccentricity, e right ascension of the ascending node, o argument of perigee, inclination, io mean anomaly, Moascending node Algorithm for computing satellite coordinates from broadcast ephemerides is given in GPS Interface Co
12、ntrol Document ICD-GPS-200 (see also enclosed hand out)Contents of GPS Navigation Data4、數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊包含在包含在4,5子幀里。子幀里。主要向用戶(hù)提供計(jì)算主要向用戶(hù)提供計(jì)算GPS衛(wèi)星概略坐標(biāo)的星歷,衛(wèi)星概略坐標(biāo)的星歷,包括衛(wèi)星的概略坐標(biāo),衛(wèi)星鐘的概略改正數(shù)及衛(wèi)星包括衛(wèi)星的概略坐標(biāo),衛(wèi)星鐘的概略改正數(shù)及衛(wèi)星工作狀態(tài)的信息。一般這些信息也稱(chēng)作衛(wèi)星的歷書(shū)工作狀態(tài)的信息。一般這些信息也稱(chēng)作衛(wèi)星的歷書(shū)(Almanac)。有了這些信息,用戶(hù)可以方便地選擇適。有了這些信息,用戶(hù)可以方便地選擇適宜的觀(guān)測(cè)衛(wèi)星,以
13、獲取最佳的衛(wèi)星幾何圖形。由于宜的觀(guān)測(cè)衛(wèi)星,以獲取最佳的衛(wèi)星幾何圖形。由于已知衛(wèi)星的概略坐標(biāo),在同時(shí)已知接收機(jī)概略位置已知衛(wèi)星的概略坐標(biāo),在同時(shí)已知接收機(jī)概略位置和鐘差近似值時(shí),可以加快信號(hào)的捕獲。和鐘差近似值時(shí),可以加快信號(hào)的捕獲。三、GPS數(shù)據(jù)文件 2 NAVIGATION DATA RINEX VERSION / TYPEDAT2RIN 1.00e The Boss 29JUN98 17:59:25 GMTPGM / RUN BY / DATE COMMENT .1118D-07 .0000D+00 -.5960D-07 .0000D+00 ION ALPHA .9011D+05 .000
14、0D+00 -.1966D+06 .0000D+00 ION BETA -.142108547152D-13 -.372529029846D-08 61440 159 DELTA-UTC: A0,A1,T,W 12 LEAP SECONDS END OF HEADER 3 97 10 10 18 0 0.0 .605774112046D-04 .352429196937D-11 .000000000000D+00 .760000000000D+02 .494687500000D+02 .448018661776D-08 .220198356145D+00 .264309346676D-05 .
15、244920048863D-02 .842288136482D-05 .515366117668D+04 .496800000000D+06 .335276126862D-07 -.790250226717D+00 -.372529029846D-07 .951777921211D+00 .211531250000D+03 .259765541557D+01 -.819891294621D-08 .160720980388D-10 .100000000000D+01 .926000000000D+03 .000000000000D+00 .700000000000D+01 .000000000
16、000D+00 .139698386192D-08 .588000000000D+03 .490320000000D+06 6 97 10 10 15 59 44.0 -.358093529940D-06 .000000000000D+00 .000000000000D+00 .220000000000D+02 .526250000000D+02 .438268255632D-08 -.281081720890D+00 .GPS Signal Structure(5) Summary of GPS Signal ParametersParameterC/A SignalP SignalCode
17、 clock rate, RC1.023 MbpsRP = 10.23 MbpsCode length1023 6 x 1012Data rate, RD50 bps50 bpsTransmission frequencyL1L1, L2Data includes : Telemetry Satellite ephemeris Satellite clock correction Ionospheric model Synchronization information for resolving C/A code ambiguities- Preamble- Time Almanacs En
18、crypted data for autorized usersRapid acquisitionPrecisionL1 = 154 RPL2 = 120 RPOne weekTotal 38 weeks32 for SV5 for pseudolitePrecise, 2 hour rule-of- thumb duration dataLess accurate, 2 week rule-of-thumb duration dataGPS Code, Data, Subframe, and Frame Timing Relationships230aGMn 231410005986. 3s
19、mGMnnn0RStttt2210)()(ococSttattaat22sinCEaeFtSSKRVR )(0ocsttnMMsssEeMEsinsssEeeEfcos1coscossssEeEefcos1sin1sin2eEEefssscossin1arctan2sf000000002cos2sin2cos2sin2cos2sinicisirsrsrususuCCuCCCCu0rEears)cos1 ()(0oeittiiisincosryrxGAST)(oeoett )()()(00tttGASTtteoeoe)()(00tttGASTGASTesrade/1067115292. 75)(
20、00tGASToe)()(0tttteoeooeeoeeotttw)(0)()(13yxiRRZYXCS0sincos)()(13rriRRZYXCSiyiyxiyxZYXCSsincoscossinsincoscosCSTSZYXiiiiiiZYXcossin0sincoscoscossinsinsincossincosTSppppZYXYXYXZYX11001qGPS信號(hào)結(jié)構(gòu)信號(hào)結(jié)構(gòu) q載波相位載波相位q偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼q偽隨機(jī)碼的特性偽隨機(jī)碼的特性 qC/A碼和碼和P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 Carrier Phase (Carrier Waves)fL1 = f0 x 154 = 1575.4
21、2MHzfL2 = f0 x 120 = 1227.60MHzequivalent wavelength: 1=19.03 cmequivalent wavelength: 2=24.42 cmqGPS信號(hào)結(jié)構(gòu)信號(hào)結(jié)構(gòu) q載波相位載波相位q偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼q偽隨機(jī)碼的特性偽隨機(jī)碼的特性 qC/A碼和碼和P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 所謂偽隨機(jī)碼也稱(chēng)偽噪聲碼所謂偽隨機(jī)碼也稱(chēng)偽噪聲碼(Pseudo Random Noise Code PRN碼碼),是可預(yù)先確定并可以重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制的,其統(tǒng),是可預(yù)先確定并可以重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制的,其統(tǒng)計(jì)特性具有隨機(jī)特性的二進(jìn)制碼序列。計(jì)特性具有隨機(jī)特性的二進(jìn)制碼序列。 偽隨機(jī)碼可
22、以實(shí)現(xiàn)低信噪比接收,且可實(shí)現(xiàn)碼分多址通訊,偽隨機(jī)碼可以實(shí)現(xiàn)低信噪比接收,且可實(shí)現(xiàn)碼分多址通訊,此外偽隨機(jī)噪聲碼還有高性的的保密性,這些特點(diǎn)符合了全此外偽隨機(jī)噪聲碼還有高性的的保密性,這些特點(diǎn)符合了全球定位系統(tǒng)的要求。球定位系統(tǒng)的要求。 全球定位系統(tǒng)采用了一種易于產(chǎn)生,應(yīng)用廣泛的偽隨機(jī)碼全球定位系統(tǒng)采用了一種易于產(chǎn)生,應(yīng)用廣泛的偽隨機(jī)碼最長(zhǎng)線(xiàn)性移位寄存器序列,簡(jiǎn)稱(chēng)最長(zhǎng)線(xiàn)性移位寄存器序列,簡(jiǎn)稱(chēng)M序列。序列。M序列是由若干序列是由若干級(jí)帶有特定反饋電路的移位寄存器產(chǎn)生的。而移位寄存器又級(jí)帶有特定反饋電路的移位寄存器產(chǎn)生的。而移位寄存器又涉及到模二運(yùn)算,因此在介紹偽隨機(jī)碼之間先介紹移位寄存涉及到模二運(yùn)
23、算,因此在介紹偽隨機(jī)碼之間先介紹移位寄存器和模二運(yùn)算。器和模二運(yùn)算。 Pseudo Random Noise CodeGPS Ranging Code模 二 運(yùn) 算1與 非 門(mén)2雙 穩(wěn) 態(tài) 存 儲(chǔ) 器3移 位 寄 存 器4最 長(zhǎng) 線(xiàn) 性 移 位 寄 存 器5M序 列截 短 碼 、 復(fù) 合 碼Gold碼678011101110000111 11 11 111 1 1 1、模二運(yùn)算、模二運(yùn)算Pseudo Random Noise Signal GenerationModulo-2 recovery of GPS codeModulo-2 arithmetic: 0 + 0 = 0; 0 + 1 =
24、 1; 1 + 0 = 1; 1 + 1 = 0Bit shifts alignedMUST MOD-2 ADD RECEIVER-GENERATED CODE TO RECOVERACBDQQ反RSCP2、雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器、雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器Pseudo Random Noise Signal Generation移位寄存器是由數(shù)個(gè)串接的雙移位寄存器是由數(shù)個(gè)串接的雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器和一個(gè)時(shí)鐘脈沖發(fā)穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器和一個(gè)時(shí)鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生。組成移位寄存器的生器產(chǎn)生。組成移位寄存器的每一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器稱(chēng)作移位每一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器稱(chēng)作移位寄存器的級(jí)。由寄存器的級(jí)。由r級(jí)雙穩(wěn)態(tài)存級(jí)雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器的構(gòu)成的移位寄存器稱(chēng)為儲(chǔ)器的構(gòu)
25、成的移位寄存器稱(chēng)為r級(jí)移位寄存器。雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)級(jí)移位寄存器。雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器可以是一個(gè)器可以是一個(gè)R-S(Reset-Set)觸發(fā)器。如圖是一種觸發(fā)器,觸發(fā)器。如圖是一種觸發(fā)器,它是由四個(gè)與非門(mén)構(gòu)成它是由四個(gè)與非門(mén)構(gòu)成 2、雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器、雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器當(dāng)當(dāng)CP = 0時(shí),時(shí),R = 1,S = 0或或R = 0,S = 1時(shí),時(shí),Q和和Q一個(gè)為高電平,另一個(gè)為低電平一個(gè)為高電平,另一個(gè)為低電平當(dāng)當(dāng)CP = 1時(shí),時(shí),R = 1,S = 0 Q = 0, =1R = 0,S = 1 Q = 1, =0 R = 0,S = 0 不定;不定;R = 1,S = 1 不變;不變;QQPseudo Random
26、 Noise Signal GenerationABCD四個(gè)與非門(mén)四個(gè)與非門(mén)與非門(mén)的特性:與非門(mén)的特性:11 = 1 取反取反 010 = 001 = 0 取反取反 100 = 0 在雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器中在雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器中R稱(chēng)為復(fù)位輸入端,稱(chēng)為復(fù)位輸入端,S稱(chēng)為置位輸入端。稱(chēng)為置位輸入端。RS4RS3RS2RS1CPRSRSSSRRQQQQQQQQ3、移位寄存器、移位寄存器Pseudo Random Noise Signal Generation若干個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按一定的方式串接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)移位寄若干個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按一定的方式串接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)移位寄存器。存器。 脈沖脈沖信號(hào)信號(hào)RS4 RS3 RS2
27、RS1000101100121100311104111151111Pseudo Random Noise Signal Generation由于由于RS4的輸入的輸入端始終為端始終為1,因,因此經(jīng)過(guò)四次移位此經(jīng)過(guò)四次移位后就全成為后就全成為1的的狀態(tài)并保持下去。狀態(tài)并保持下去。這樣得到的這樣得到的RS1輸出端序列顯然輸出端序列顯然不是隨機(jī)序列。不是隨機(jī)序列。 A1A2A3A4CP4 4、最長(zhǎng)線(xiàn)性移位寄存器、最長(zhǎng)線(xiàn)性移位寄存器Pseudo Random Noise Signal Generation一個(gè)普通的移位寄存器并不能產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)序列。但是帶有一個(gè)普通的移位寄存器并不能產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)序列
28、。但是帶有某些特定的反饋的移位寄存器的輸出端可以產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)序某些特定的反饋的移位寄存器的輸出端可以產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)序列。列。 SlipsA1A2A3A4A3+A410001121000030100040010151001161100070110181011090101110101011111011121110113111101401110150011016000111710000Pseudo Random Noise Signal Generation Properties of M Sequence我們可以看到我們可以看到A4的輸出端:的輸出端:1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1
29、0 1 1 1 1 0 這種序列具有周期性,一周期內(nèi)包含這種序列具有周期性,一周期內(nèi)包含15個(gè)碼元(個(gè)碼元( )這個(gè)長(zhǎng)度稱(chēng)作該序列的碼長(zhǎng)。這個(gè)長(zhǎng)度稱(chēng)作該序列的碼長(zhǎng)。這種序列取決于移位寄存器的初始狀態(tài)和反饋電路。這種序列取決于移位寄存器的初始狀態(tài)和反饋電路。反饋電路相同而初始狀態(tài)不同的兩個(gè)序列是完全等價(jià)的反饋電路相同而初始狀態(tài)不同的兩個(gè)序列是完全等價(jià)的,只要通,只要通過(guò)序列的平移就能獲取與另一個(gè)序列完全相同的序列。過(guò)序列的平移就能獲取與另一個(gè)序列完全相同的序列。 12154A1A2A3A4CP其它的反饋電路 Pseudo Random Noise Signal Generation Slips
30、A1A2A3 A4A1+A410001121000131100141110151111060111171011080101191010110110101101100120011113100101401000150010016000111710000Pseudo Random Noise Signal Generation Pseudo Random Noise Signal Generation但應(yīng)注意的是,并不是所有的反饋電路都能產(chǎn)生偽隨機(jī)碼序但應(yīng)注意的是,并不是所有的反饋電路都能產(chǎn)生偽隨機(jī)碼序列。對(duì)于四級(jí)移位寄存器而言,只能產(chǎn)生上述兩種偽隨機(jī)碼列。對(duì)于四級(jí)移位寄存器而言,只能產(chǎn)生上述兩種偽
31、隨機(jī)碼序列。序列。 由由r級(jí)移位寄存器連同某些特定的反饋電路可以產(chǎn)生碼長(zhǎng)級(jí)移位寄存器連同某些特定的反饋電路可以產(chǎn)生碼長(zhǎng)為為2r-1的最長(zhǎng)線(xiàn)性移位寄存器序列,即的最長(zhǎng)線(xiàn)性移位寄存器序列,即m序列。序列。m序列是一個(gè)序列是一個(gè)周期序列,每個(gè)周期包含周期序列,每個(gè)周期包含 2r-1 個(gè)碼元個(gè)碼元。 級(jí)數(shù)相同而反饋電路級(jí)數(shù)相同而反饋電路不同不同產(chǎn)生不同的碼序列稱(chēng)為產(chǎn)生不同的碼序列稱(chēng)為同族碼序同族碼序列列。通常采用多項(xiàng)式來(lái)表達(dá)這種反饋電路:。通常采用多項(xiàng)式來(lái)表達(dá)這種反饋電路: rrXCXCXCXF1100)(上面兩圖對(duì)應(yīng)的表達(dá)式分別為:上面兩圖對(duì)應(yīng)的表達(dá)式分別為: 431)(XXXF41)(XXXF q
32、GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)信號(hào)結(jié)構(gòu) q載波相位載波相位q偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼q偽隨機(jī)碼的特性偽隨機(jī)碼的特性 qC/A碼和碼和P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 Properties of M Sequencel統(tǒng)計(jì)特性統(tǒng)計(jì)特性l循環(huán)相加特性循環(huán)相加特性l相關(guān)特性相關(guān)特性 Statistic Properties of M Sequencel 碼序列中兩種元素出現(xiàn)的次數(shù)大致相等,相差碼序列中兩種元素出現(xiàn)的次數(shù)大致相等,相差1 1次。次。 0: 20: 2r-2r-2 1: 2 1: 2r-2r-2-1 -1 l 長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為n n的元素的元素游程游程比長(zhǎng)度為比長(zhǎng)度為n+1n+1的元素的元素游程游程多一倍。多一倍。 游程即是連續(xù)
33、出現(xiàn)游程即是連續(xù)出現(xiàn)n n次同一元素叫作一個(gè)長(zhǎng)度為次同一元素叫作一個(gè)長(zhǎng)度為n n的游的游程。程。222211nrnrnnNN統(tǒng)計(jì)特性統(tǒng)計(jì)特性隨機(jī)噪聲、偽隨機(jī)碼的區(qū)別隨機(jī)噪聲、偽隨機(jī)碼的區(qū)別:M M序列是人造的不同于自然噪聲或偶然誤差序列是人造的不同于自然噪聲或偶然誤差 它是由一種叫作偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的,它是由一種叫作偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的,只要使用相同的偽隨機(jī)碼發(fā)生器,就可以產(chǎn)生完只要使用相同的偽隨機(jī)碼發(fā)生器,就可以產(chǎn)生完全一樣的碼序列。任何兩批多次測(cè)量不能產(chǎn)生完全一樣的碼序列。任何兩批多次測(cè)量不能產(chǎn)生完全相同的偶然誤差;同樣,人們也無(wú)法得到完全全相同的偶然誤差;同樣,人們也無(wú)法得到完全一樣的
34、噪聲。一樣的噪聲。它具有周期性它具有周期性( (噪聲或偶然誤差是無(wú)周期的噪聲或偶然誤差是無(wú)周期的) )M M序列的幅值始終為序列的幅值始終為1 1或或0 0 偶然誤差序列幅值大的出現(xiàn)的機(jī)會(huì)小,幅值偶然誤差序列幅值大的出現(xiàn)的機(jī)會(huì)小,幅值小的機(jī)會(huì)多,服從正態(tài)分布。小的機(jī)會(huì)多,服從正態(tài)分布。Comparison Between M Sequence and Random ErrorComparison Between M Sequence and Random Error相似:相似:M M序列與偶然誤差都有具有統(tǒng)計(jì)特性序列與偶然誤差都有具有統(tǒng)計(jì)特性出現(xiàn)正誤差的機(jī)會(huì)和負(fù)誤差的機(jī)會(huì)相等;出現(xiàn)正誤差的機(jī)會(huì)
35、和負(fù)誤差的機(jī)會(huì)相等;0 0和和1 1出現(xiàn)的概率大致相等。出現(xiàn)的概率大致相等。序列連續(xù)序列連續(xù)N+1N+1個(gè)個(gè)1(0)1(0)的機(jī)會(huì)比連續(xù)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)比連續(xù)出現(xiàn)N N個(gè)個(gè)1(0)1(0)的機(jī)會(huì)少一倍;誤差小的出現(xiàn)的概率大。的機(jī)會(huì)少一倍;誤差小的出現(xiàn)的概率大。 循環(huán)相加特性循環(huán)相加特性 M M序列為周期序列,因此將一個(gè)序列為周期序列,因此將一個(gè)M M序列平移若序列平移若干個(gè)碼元,仍然為原碼元,只是初相不同。平移干個(gè)碼元,仍然為原碼元,只是初相不同。平移前后的兩個(gè)序列稱(chēng)作前后的兩個(gè)序列稱(chēng)作平移等價(jià)序列平移等價(jià)序列。 循環(huán)相加特性循環(huán)相加特性是指一個(gè)是指一個(gè)M M序列序列與平移序序列序列與平移序列的模二
36、和為此序列的平移等價(jià)序列。列的模二和為此序列的平移等價(jià)序列。nmpmmaaa dttStSTdttStSRTT021021)()(1)()()(互相關(guān)函數(shù):互相關(guān)函數(shù):自相關(guān)函數(shù):自相關(guān)函數(shù):dttStSRT)()()(101 ( )( ) / RTPmmmPmmmbaPbaR111)()()(1)()()(11PmmmPmmmbaPbaRAutocorrelation and Correlation Function of M Sequence1111)(11PmPmmmPaaP=0 !=0 PaPaaPPmqmPmmm111)(11Autocorrelation Function of M
37、 Sequence 截短碼截短碼: :為了從碼長(zhǎng)為為了從碼長(zhǎng)為P P的的m m序列中獲得一個(gè)序列中獲得一個(gè)碼長(zhǎng)為碼長(zhǎng)為P(PP)P(PP)的碼序列,可以通過(guò)對(duì)的碼序列,可以通過(guò)對(duì)m m序序列截去列截去a=P-Pa=P-P來(lái)獲得。來(lái)獲得。 由兩個(gè)或兩個(gè)以上的小碼的邏輯函數(shù)所構(gòu)由兩個(gè)或兩個(gè)以上的小碼的邏輯函數(shù)所構(gòu)成的碼序列稱(chēng)為復(fù)合碼。成的碼序列稱(chēng)為復(fù)合碼。 如果由如果由n n個(gè)碼長(zhǎng)分別為個(gè)碼長(zhǎng)分別為P1P1、P2P2、PNPN的子的子碼構(gòu)成的復(fù)合碼,且碼構(gòu)成的復(fù)合碼,且P1P1、P2P2、PNPN互素。則復(fù)互素。則復(fù)合碼的碼長(zhǎng)合碼的碼長(zhǎng)P P為為P1P1* *P2P2* *.* *PN.PN.。
38、截短碼和復(fù)合碼截短碼和復(fù)合碼m序列具有良好的自相關(guān)特性,但互相關(guān)特性不太序列具有良好的自相關(guān)特性,但互相關(guān)特性不太理想。理想。 一是互相關(guān)函數(shù)的最大值往往可以達(dá)到一是互相關(guān)函數(shù)的最大值往往可以達(dá)到1/3左右,左右, 二是雖然可以找到少量的二是雖然可以找到少量的m序列組成的組,在序列組成的組,在組內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)值較小,但組的數(shù)目較少,不能組內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)值較小,但組的數(shù)目較少,不能滿(mǎn)足碼分多址的需要。滿(mǎn)足碼分多址的需要。 因此在因此在m序列的基礎(chǔ)上引入了序列的基礎(chǔ)上引入了Gold碼。碼。 Gold Code設(shè)兩個(gè)具有相同碼長(zhǎng)設(shè)兩個(gè)具有相同碼長(zhǎng)P P的的m m序列序列a a與與b b babTab
39、Tabar22 形成一個(gè)周期序列,其碼長(zhǎng)仍為形成一個(gè)周期序列,其碼長(zhǎng)仍為P P,稱(chēng)為,稱(chēng)為GoldGold碼序列。碼序列。 G a babTi( , ) Gold Code GoldGold碼序列族內(nèi),各序列間的碼序列族內(nèi),各序列間的自相關(guān)特性和兩兩互相關(guān)特性取決自相關(guān)特性和兩兩互相關(guān)特性取決于于m序列的互相關(guān)函數(shù)序列的互相關(guān)函數(shù) 如果構(gòu)成如果構(gòu)成Gold碼序列的兩個(gè)碼序列的兩個(gè)m序列具有良好的互相關(guān)特性,則所序列具有良好的互相關(guān)特性,則所構(gòu)成的構(gòu)成的2 2r r+1+1個(gè)不同的個(gè)不同的Gold碼將碼將具有具有良好的自相關(guān)特性和良好的兩兩互良好的自相關(guān)特性和良好的兩兩互相關(guān)特性相關(guān)特性。Ran
40、ging Code:Coarse Acquistion CodeqGPS信號(hào)結(jié)構(gòu)信號(hào)結(jié)構(gòu) q載波相位載波相位q偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼q偽隨機(jī)碼的特性偽隨機(jī)碼的特性 qC/A碼和碼和P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 Ranging Code:Coarse Acquistion CodeC/AC/A碼碼( (Coarse Acquisition Code),),也稱(chēng)粗捕獲碼。也稱(chēng)粗捕獲碼。 碼長(zhǎng)為碼長(zhǎng)為10231023比特。由于碼長(zhǎng)短,易于捕獲。為了給所比特。由于碼長(zhǎng)短,易于捕獲。為了給所有衛(wèi)星賦以不同的碼序列,有衛(wèi)星賦以不同的碼序列,GPSGPS的的C/AC/A碼采用兩個(gè)具有碼采用兩個(gè)具有良好互相關(guān)特性的同族碼序列
41、構(gòu)成的良好互相關(guān)特性的同族碼序列構(gòu)成的GoldGold碼。碼。1098632210311)(1)(XXXXXXXGXXXGP P碼是由兩個(gè)碼長(zhǎng)互素的碼是由兩個(gè)碼長(zhǎng)互素的m m序列組成的模二和復(fù)合碼。序列組成的模二和復(fù)合碼。 )()()(021tntXtXtPiiX1X1的周期為的周期為1.51.5秒,碼長(zhǎng)為秒,碼長(zhǎng)為15,345,00015,345,000碼長(zhǎng);碼長(zhǎng); X2X2碼長(zhǎng)比碼長(zhǎng)比X1X1長(zhǎng)長(zhǎng)3737個(gè)碼元。這兩個(gè)子碼都是個(gè)碼元。這兩個(gè)子碼都是2424位位移位寄存器產(chǎn)生的截短碼;移位寄存器產(chǎn)生的截短碼; 為一碼元對(duì)應(yīng)的時(shí)刻;為一碼元對(duì)應(yīng)的時(shí)刻; 是子碼是子碼X2X2的延遲參數(shù),范圍為的
42、延遲參數(shù),范圍為0 03636。0tinRanging Code:Precise CodeC/AC/A碼碼P P碼碼碼長(zhǎng)碼長(zhǎng)10231023.35 碼元寬度碼元寬度0.98s0.98s相當(dāng)于相當(dāng)于293.1 m293.1 m0.098s0.098s相當(dāng)于相當(dāng)于29.3 m29.3 m周期周期1ms1ms約約267267天天精度精度3 3米米0.30.3米米1014Properties of C/A Code and P CodeProperties of C/A Code and P CodeC/AC/A碼作用:碼作用: 1 1、精確、無(wú)模糊的測(cè)距(自相關(guān)特性)、精確、無(wú)模糊的測(cè)距(自相關(guān)特性
43、) 2 2、識(shí)別衛(wèi)星(碼分多址)、識(shí)別衛(wèi)星(碼分多址) (自相關(guān)特性(自相關(guān)特性+ +互相關(guān)特性)互相關(guān)特性) 3 3、調(diào)制導(dǎo)航信息、調(diào)制導(dǎo)航信息 4 4、快速捕獲、快速捕獲P P碼碼 C/AC/A碼的捕獲碼的捕獲v自動(dòng)搜索檢自動(dòng)搜索檢測(cè)自相關(guān)函數(shù)測(cè)自相關(guān)函數(shù)峰值峰值v搜索并跟蹤搜索并跟蹤載波多普勒,載波多普勒,實(shí)現(xiàn)載波匹配實(shí)現(xiàn)載波匹配v碼搜索,實(shí)碼搜索,實(shí)現(xiàn)最大自相關(guān)現(xiàn)最大自相關(guān)v9090秒秒C/AC/A碼的捕獲碼的捕獲Example Peak Correlation Outputs Receiver Processing for the GPS Waveform)cos()(/)(2)(t
44、tACtdStsC/A code waveformSignal power S(nW)50 Bits/sec data stream(1)1 Mbits/sec pseudo-random code (1)1575.42MHz L1 carrier frequencyTime(sec)Carrier phase(rad)Track the carrier to get delta pseudorange(doppler)Track C/A code to get pseudorangeDemodulate d(t) to strip off dataAmplify S for subseque
45、nt processingAntenna picks up signals(pico-watts) and filters reject sidelobesSATELLITESIGNALRECEIVERPROCESSINGOnly L1 C/A codefrom single satelliteshown hereGPS Receiver FunctionsLocalOscillatorCode Offset DetectorCodeGeneratorPhase ErrorDetectorCarrierFrequencyGeneratorCodeErrorPhaseErrorFILTER157
46、5.42Mhz1MhzAMPLIFIER35dBMIXERGHz MHz 13 to 70MHzQuartz crystalRFIFIFLow noise preamplifier boosts signal levelCombines satellite signal with sinusoidal local signalRejects sidelobesANTENNA(pico-watts)L1 & L2 carrier waves modulated with C/A & P code signalCODE TRACKING LOOP(P or C/A CODE)CAR
47、RIER TRACKING LOOP(L1 or L2)Intercepts circular polarized signals from all visible satellitesConverts electromagnetic wave energy into electric current Delay lock loop aligns locally generated C/A code with satellites C/A code. Multiply and integration circuits automatically shifts its own code in t
48、ime & cross correlates Decodes 50 bits/sec data stream Uses handover word to lock onto P-code Aligns phase of local oscillator with IF beat frequency Measures current doppler shift from IF phase signal frequency difference (Costas loop)CodeLock LoopPhaseLock LoopPseudo-rangePseudo-range rateNavi
49、gationProcessor Satellite selection Kalman filtering Navigation SolutionPure sinusoidal signalIntermediate frequency(IF)Carrier wave contains all of C/A code, P code and dataSignal travel time for each satelliteSatellite instantaneous doppler shiftReal-time Code Matching is Used to Identify Satellit
50、e and Measure Signal Travel Time1100011110100011Unique C/A code from satelliteIdentical C/A code from user110001111010001111000111101000111100011110100011SATELLITETransit time to user 1/11 secUSER SETGenerates code delay is transit time.Receiver slews(shifts) pulse train for match. Satellites unique
51、 C/A code identifies itself to receiver Satellite & user generate identical coded sequence starting at same time When satellite pulse train 1s and 0s match receiver pulse train 1s and 0s auto-correlation function value changes from 0 to 1+10NdtjtstsN0)()(1 After LOCK-ON user can measuretBCt User
52、 clock bias results from not starting sequences at same time)(ts)(jts BCtTRtttLOCK-ONP-Code Receivers Match to C/A Code First and Then Decode Handover Word to Match to P-CodeTLMHOW30sec1200123012601500MULTIPLEXALMANAC/HEALTH STATUSTLMHOW30sec900930960MULTIPLEXMESSAGE1200TLMHOW30sec600630660EPHMERIS900TLMHOW30sec300330360EPHMERIS600TLMHOW30sec03060CLOCK CORRECTION300TLM=TELEMETRY WORDSHOW=HANDOVER WORDSDATA STREAM : 50-Bits/sec
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