GS系統(tǒng)組成及信號

第4章

GPS系統(tǒng)組成及信號本章內(nèi)容

4.1GPS的系統(tǒng)組成4.2GPS的信號結(jié)構(gòu)4.3美國政府GPS政策4.1系統(tǒng)組成GPS的空間部分GPS的系統(tǒng)組成用戶設(shè)備部分4.1.1GPS的系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備部分等三部分組成4.1.2GPS的空間部分GPS衛(wèi)星星座6個(gè)軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h58min設(shè)計(jì)星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星保證在24小時(shí)，在高度角15以上，能夠同時(shí)觀測到4至8顆衛(wèi)星當(dāng)前星座：28顆類型試驗(yàn)衛(wèi)星：BlockⅠ工作衛(wèi)星：BlockⅡBlockⅡBlockⅡABlockⅡRBlockⅡF（新一代的GPS衛(wèi)星）GPS衛(wèi)星作用：發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設(shè)備：原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘）、信號生成與發(fā)射裝置第一代衛(wèi)星現(xiàn)已停止工作。第二代衛(wèi)星用于組成GPS工作衛(wèi)星星座，通常稱為GPS工作衛(wèi)星。BlockⅡA的功能比BlockⅡ大大增強(qiáng)，表現(xiàn)在軍事功能和數(shù)據(jù)存儲容量。BlockⅡ只能存儲供45天用的導(dǎo)航電文，而BlockⅡA則能夠存儲供180天用的導(dǎo)航電文，以確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。第三代衛(wèi)星尚在設(shè)計(jì)中，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：可對自己進(jìn)行自主導(dǎo)航；每顆衛(wèi)星將使用星載處理器，計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)的修正值，改善導(dǎo)航精度，增強(qiáng)自主能力和生存能力。椐報(bào)道，該衛(wèi)星在沒有與地面聯(lián)系的情況下可以工作6個(gè)月，而其精度可與有地面控制時(shí)的精度相當(dāng)。BlockⅠ衛(wèi)星BlockⅡ衛(wèi)星星BlockⅡR衛(wèi)衛(wèi)星GPS衛(wèi)星星星座（=35，=90）4.1.3地面面監(jiān)控部分分GPS的地地面控制部部分（地面面監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)）組成：主控控站（1個(gè)個(gè)）、跟蹤蹤站（5個(gè)個(gè)）和注入入站（3個(gè)個(gè)）作用：監(jiān)測測和控制衛(wèi)衛(wèi)星運(yùn)行，，編算衛(wèi)星星星歷（導(dǎo)導(dǎo)航電文）），保持系系統(tǒng)時(shí)間。。主控站監(jiān)控站監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站地面監(jiān)控系系統(tǒng)工作流流程主控站（1個(gè)）作用：收集各檢測測站的數(shù)據(jù)據(jù)，編制導(dǎo)導(dǎo)航電文，，監(jiān)控衛(wèi)星星狀態(tài)；通過注入站站將衛(wèi)星星星歷注入衛(wèi)衛(wèi)星，向衛(wèi)衛(wèi)星發(fā)送控控制指令；；衛(wèi)星維護(hù)與與異常情況況的處理。。地點(diǎn)：美國國克羅拉多多州法爾孔孔空軍基地地。跟蹤站（5個(gè)）作用：接收收衛(wèi)星數(shù)據(jù)據(jù)，采集氣氣象信息，，并將所收集集到的數(shù)據(jù)據(jù)傳送給主主控站。地點(diǎn)：夏威威夷、主控控站及三個(gè)個(gè)注入站。。注入站（3個(gè)）作用：將導(dǎo)導(dǎo)航電文注注入GPS衛(wèi)星。地點(diǎn)：阿松松森群島（（大西洋））、迪戈加加西亞（印印度洋）和和卡瓦加蘭蘭（太平洋洋）。4.1.3用戶戶設(shè)備部分分用戶設(shè)備部部分-GPS信信號接收機(jī)機(jī)及相關(guān)設(shè)設(shè)備接收、跟蹤蹤、變換和和測量GPS信號的的設(shè)備多數(shù)采用石石英鐘GPS接收收機(jī):能夠接收、、跟蹤、變變換和測量量GPS信信號的衛(wèi)星星信號接收收設(shè)備(1)導(dǎo)導(dǎo)航型接收收機(jī)此類型接收收機(jī)主要用用于運(yùn)動載載體的導(dǎo)航航，它可以以實(shí)時(shí)給出出載體的位位置和速度度。單點(diǎn)實(shí)實(shí)時(shí)定位精精度較低，，一般為±±25m,有SA影影響時(shí)為±±100m。根據(jù)應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的的不同，此此類接收機(jī)機(jī)可以進(jìn)一一步分為：：1.按接收收機(jī)的用途途分類可分分為：車載型———用于車輛輛導(dǎo)航定位位；航海型———用于船舶舶導(dǎo)航定位位；航空型———用于飛機(jī)機(jī)導(dǎo)航定位位。由于飛飛機(jī)運(yùn)行速速度快，因因此，在航航空用的接接收機(jī)要求求能適應(yīng)高高速運(yùn)動。。星載型———用于衛(wèi)星星的導(dǎo)航定定位。由于于衛(wèi)星的運(yùn)運(yùn)動速度高高達(dá)7公里里/秒以上上，因此對對接收機(jī)的的要求更高高。(2)測測地型接收收機(jī)測地型接收收機(jī)主要用用于精密大大地測量和和精密工程程測量。這這類儀器主主要采用載載波相位觀觀測值進(jìn)行行相對定位位，定位精精度高。儀儀器結(jié)構(gòu)復(fù)復(fù)雜，價(jià)格格較貴。(3)授授時(shí)型接收收機(jī)這類接收機(jī)機(jī)主要利用用GPS衛(wèi)衛(wèi)星提供的的高精度時(shí)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)進(jìn)行授時(shí)，，常用于天天文臺及無無線電通訊訊中時(shí)間同同步。2.按接收收機(jī)的載波波頻率分類類(1)單單頻接收機(jī)機(jī)單頻接收機(jī)機(jī)只能接收收L1載波波信號，測測定載波相相位觀測值值進(jìn)行定位位。由于不不能有效消消除電離層層延遲影響響，單頻接接收機(jī)只適適用于短基基線（<15km））的精密定定位。(2)雙雙頻接收機(jī)機(jī)雙頻接收機(jī)機(jī)可以同時(shí)時(shí)接收Ｌ１１，Ｌ２載載波信號。。利用雙頻頻對電離層層延遲的不不一樣，可可以消除電電離層對電電磁波信號號延遲的影影響，因此此雙頻接收收機(jī)可用于于長達(dá)幾千千公里的精精密定位。。3.按接收收機(jī)通道數(shù)數(shù)分類GPS接收收機(jī)能同時(shí)時(shí)接收多顆顆GPS衛(wèi)衛(wèi)星的信號號，為了分分離接收到到的不同衛(wèi)衛(wèi)星的信號號，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對衛(wèi)星信信號的跟蹤蹤、處理和和量測，具具有這樣功功能的器件件稱為天線線信號通道道。根據(jù)接接收機(jī)所具具有的通道道種類可分分為：多通道接收收機(jī)序貫通道接接收機(jī)(3)多多路多用通通道接收機(jī)機(jī)4.按接收收機(jī)工作原原理分類(1)碼相相關(guān)型接收收機(jī)碼相關(guān)型接接收機(jī)是利利用碼相關(guān)關(guān)技術(shù)得到到偽距觀測值。(2)平方方型接收機(jī)機(jī)平方型接收收機(jī)是利用用載波信號號的平方技技術(shù)去掉調(diào)制信號號，來恢復(fù)復(fù)完整的載載波信號，，通過相位計(jì)測定定接收機(jī)內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生的載載波信號與與接收到的載波信信號之間的的相位差，，測定偽距距觀測值。。(3)混合合型接收機(jī)機(jī)這種儀器是是綜合上述述兩種接收收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，既可以得到到碼相位偽偽距，也可可以得到載載波相位觀測值。。(4)干涉涉型接收機(jī)機(jī)這種接收機(jī)機(jī)是將GPS衛(wèi)星作作為射電源源，采用干干涉測量方方法，測定定兩個(gè)測站站間距離。。天線單元元存儲器計(jì)算與顯顯控電源接收單元元（頻率率維持通通常采用用石英鐘鐘）接收單元元（頻率率維持通通常采用用石英鐘鐘）信號通道道類型：：多路復(fù)用用，序慣慣，多通通道；碼碼相關(guān)通通道，平平方通道道GPS信信號接收收機(jī)組成天線單元元帶前置放放大器接收天線線天線單元元接收單元元接收單元元信號通道道存儲器微處理器器輸入輸出出設(shè)備電源天線單元元類型單極天線線微帶天線線錐形（螺螺旋）天天線四絲螺旋旋天線空間螺旋旋天線背腔平面面盤旋天天線GPS天天線特點(diǎn)單極天線線單頻獲雙雙頻（雙雙極結(jié)構(gòu)構(gòu)）、需需要較大大的底板板、相位位中心穩(wěn)穩(wěn)定、結(jié)結(jié)構(gòu)簡單單微帶天線線結(jié)構(gòu)簡單單、單頻頻或雙頻頻、側(cè)視視角低（（適合于于機(jī)載應(yīng)應(yīng)用）、、低增益益、應(yīng)用用最為廣廣泛背腔平面面盤旋天天線錐形（螺螺旋）天天線四絲螺旋旋天線––單單頻、難難以調(diào)整整相位和和極化方方式、非非方位對對稱、增增益特性性好、不不需要底底板空間螺旋旋天線––雙雙頻、增增益特性性好、側(cè)側(cè)視角高高、非方方位對稱稱相位中心心天線的平平均相位位中心與與幾何中中心天線平均均相位中中心的偏偏差天線平均均相位中中心偏差差的消除除：歸心心改正、、消去法法天線高––標(biāo)標(biāo)志至平平均相位位中心所所在平面面的垂直直距離H’HHH’hR天線特性性相位中心心、增益益方式、、帶寬、、極化接收（信信號）通通道定義：接接收機(jī)中中用來跟跟蹤、處處理、量量測衛(wèi)星星信號的的部件，，由無線線電元器器件、數(shù)數(shù)字電路路等硬件件和專用用軟件所所組成。。類型：根根據(jù)信號號跟蹤方方式：序序慣通道道、多路路復(fù)用通通道和多多通道；；根據(jù)工工作原理理：碼相相關(guān)通道道、平方方通道等等存儲器微處理器器作用：數(shù)數(shù)據(jù)處理理、控制制輸入輸出出設(shè)備電源基本結(jié)構(gòu)構(gòu)天線前置置放大器器信號處理理器微處理器器振蕩器控制、顯顯示及存存儲設(shè)備備電源GPS接接收機(jī)的的天線——作用用接收來自自衛(wèi)星的的信號放大經(jīng)（頻率率變換））用于（跟跟蹤、處處理、量量測）天線的幾幾何中心心與相位位中心幾何中心心相位中心心相位中心心偏差——天線線的相位位中心天線相位位中心的的變化與信號的的高度角角有關(guān)與信號的的方位角角有關(guān)相同類型型的天線線具有相相同的相相位中心心特性重要的物物理與幾幾何特性性天線相位位中心接收鐘差差接收機(jī)信信號通道道間的延延遲4.2GPS的信號號結(jié)構(gòu)載波測距碼導(dǎo)航電文文碼碼的的基本概概念用于導(dǎo)航航定位的的GPS信號由由三部分分組成：：載波（L1和L2））導(dǎo)航電文文測距碼（（C/A碼和P(Y)碼）GPS衛(wèi)衛(wèi)星信號號的產(chǎn)生生與構(gòu)成成是比較較復(fù)雜的的，考慮慮了以下下幾方面面的要求求:適應(yīng)多用用戶系統(tǒng)統(tǒng)的要求求滿足實(shí)時(shí)時(shí)定位的的要求滿足高精精度定位位的需求求滿足軍事事保密的的要求載載波載波作用：搭載其它信信號，也可用用于測量（測測距）類型目前L1：頻率：：1575.43MHz，波長：19cmL2：頻率：：1227.60MHz，波長：24cm現(xiàn)代化后增加L5：1176.45MHz，，波長：26cm導(dǎo)導(dǎo)航電文文方波碼速：50bps導(dǎo)航電文是用用戶用來定位位和導(dǎo)航的數(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它它包含該衛(wèi)星星的星歷、工工作狀況、時(shí)時(shí)鐘改正、電電離層時(shí)延改改正、大氣折折射改正以及及由C/A碼碼捕獲P碼等等導(dǎo)航信息，，也是由衛(wèi)星星信號中解調(diào)調(diào)出來的數(shù)據(jù)據(jù)碼D(t)。這些信息息以50bit/s的數(shù)數(shù)據(jù)流調(diào)制在在載頻上，數(shù)數(shù)據(jù)采用不歸歸零制（NRZ）的二進(jìn)進(jìn)制碼。GPS衛(wèi)星的的導(dǎo)航電文（簡稱衛(wèi)星電電文又叫數(shù)據(jù)據(jù)碼）：所謂謂導(dǎo)航電文，，就是包含了了有關(guān)衛(wèi)星的的星歷、衛(wèi)星星工作狀態(tài)、、時(shí)間系統(tǒng)、、衛(wèi)星鐘運(yùn)行行狀態(tài)、軌道道攝動改正、、大氣折射改改正和由C/A碼捕獲碼碼等導(dǎo)航信息息的數(shù)據(jù)碼(或D碼)。。它分為預(yù)報(bào)星歷、和精密星歷。是用戶用來來定位和導(dǎo)航航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)礎(chǔ)。它的基本單位位是長1500bit的的一個(gè)主幀（（如圖4-1所示），傳傳輸速率是50bit/s,30秒秒鐘傳送完畢畢一個(gè)主幀。。一個(gè)主幀包包括5個(gè)子幀幀，第1、2、3子幀每每30秒鐘重重復(fù)一次，內(nèi)內(nèi)容每小時(shí)更更新一次。第第4、5子幀幀的全部信息息則需要750秒鐘才能能夠傳送完。。即第4、5子幀是12.5分鐘播播完一次，然然后再重復(fù)之之，其內(nèi)容僅僅在衛(wèi)星注入入新的導(dǎo)航數(shù)數(shù)據(jù)后才得以以更新。遙測字(TLM—TelemetryWord)，，位于各子幀幀的開頭，作作為捕獲導(dǎo)航航電文的前導(dǎo)導(dǎo)。其中所含含的同步信號號為各子幀提提供了—個(gè)同同步的起點(diǎn)，，使用戶便于于解釋電文數(shù)數(shù)據(jù)。交接字(HOW—HandOverWord），，緊接著各子子幀開頭的遙遙測字，主要要是向用戶提提供用于捕獲獲P碼的Z計(jì)計(jì)數(shù)。所謂Z計(jì)數(shù)是從每每星期六／星星期日子夜零零時(shí)起算的時(shí)時(shí)間計(jì)數(shù)．它它表示下一子子幀開始瞬間間的GPS時(shí)時(shí)。但為了實(shí)實(shí)用方便，Z計(jì)數(shù)一般表表示為從每星星期六／星期期日子夜零時(shí)時(shí)開始發(fā)播的的子幀數(shù)。因因?yàn)槊恳蛔訋瑤ニ脱永m(xù)的的時(shí)間為6秒秒，所以，下下一子幀開始始的瞬時(shí)即為為6xZ。。通過交接字字可以實(shí)時(shí)地地了解觀測瞬瞬時(shí)在P碼周周期中所處的的準(zhǔn)確位置，，以便迅速地地捕獲P碼。。1．時(shí)延差改改正Tgd第7字碼的第第17—24比特表示載載波L1、L2的電離層層時(shí)延差改正正Tgd。當(dāng)當(dāng)使用單頻接接收機(jī)時(shí)，用用Tgd改正正所觀測的結(jié)結(jié)果，以減小小電離層效應(yīng)應(yīng)影響提高定定位精度；當(dāng)當(dāng)采用雙頻接接收機(jī)時(shí)，就就不必要采用用這個(gè)時(shí)延差差改正。第一數(shù)據(jù)塊，含有關(guān)于衛(wèi)衛(wèi)星鐘改正參參數(shù)及其數(shù)據(jù)據(jù)齡期、星期期的周數(shù)編號號以及電離層層改正參數(shù)和和衛(wèi)星工作狀狀態(tài)等信息?！，F(xiàn)對其中的的主要內(nèi)容介介紹于下：AODC＝toc-tl式中:toc為第一數(shù)據(jù)據(jù)塊的參考時(shí)時(shí)刻，tl是是計(jì)算時(shí)鐘參參數(shù)所作測量量的最后觀測測時(shí)間。2．?dāng)?shù)據(jù)齡期期AODC第3字碼的第第23、和第第24比特,以及第8字字碼的第1——8比特，均均表示衛(wèi)星時(shí)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)齡齡期AODC。GPS試試驗(yàn)衛(wèi)星的AODC只占占8個(gè)比特，，而GPS工工作衛(wèi)星卻擴(kuò)擴(kuò)展到了10個(gè)比特。A0DC是時(shí)時(shí)鐘改正數(shù)的的外推時(shí)間間間隔，它向用用戶指明對衛(wèi)衛(wèi)星時(shí)鐘改正正數(shù)的置信度度，且知3.星期序號號WN。表示示從1980年1月6日日協(xié)調(diào)時(shí)零點(diǎn)點(diǎn)起算的GPS時(shí)星期數(shù)數(shù)。4.衛(wèi)星鐘改改正參數(shù)：a0、a1、a2，分別表示該衛(wèi)衛(wèi)星的鐘差、、鐘速及鐘速速的變化率。。當(dāng)巳知這些些參數(shù)后，便便可按下式計(jì)計(jì)算任意時(shí)刻刻t的鐘改正正數(shù)△t△t＝a0十a(chǎn)1(t—toc)十a(chǎn)2(t—toc)2第二數(shù)據(jù)塊包含第2和第第3子幀，其其內(nèi)容表示GPS衛(wèi)星的的星歷，這些些數(shù)據(jù)為用戶戶提供了有關(guān)關(guān)計(jì)算衛(wèi)星坐坐標(biāo)位置的信信息。描述衛(wèi)衛(wèi)星的運(yùn)行及及其軌道的參參數(shù)包括下列列三類。測測距碼方波偽隨機(jī)噪聲碼碼–PRN碼兩種測距碼：：C/A碼-粗碼碼速：1.023MHz碼元長度：300mP(Y)碼-精碼碼碼速：10.23MHz碼元長度：30mC/A碼C/A碼是由由兩個(gè)10級級反饋移位寄寄存器相組合合而產(chǎn)生的.碼長Nu=210-1=1023比特碼元寬tu=1/f1≈0.977752μs(相應(yīng)應(yīng)距離為293.1m)周期Tu=Nutu=1ms數(shù)碼率=1.023Mbit/sC/A碼的碼碼長易于捕獲獲，且通過C/A碼提供供的信息，又又可方便的捕捕獲P碼。C/A碼的碼碼元寬度較大大。假設(shè)兩個(gè)個(gè)序列的碼元元對齊誤差，，為碼元寬度度的1/100，則相應(yīng)應(yīng)的測距誤差差達(dá)2.9m，以因此也也稱粗碼。P碼P碼產(chǎn)生的基基本原理與C/A碼相似似，但其發(fā)生生電路，是采采用兩種各由由兩個(gè)12級級反饋移位寄寄存器構(gòu)成的的，情況更為為復(fù)雜。線路路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)均均是保密的。。碼長Nu≈2.35*1014比特碼元寬度tu≈0.0977752μs(相應(yīng)應(yīng)距離為29.3m)周期Tu=Nutu≈267數(shù)碼率=10.23Mbit/sP碼周期被分分為38部分分（7天/每每一部分周期期，碼長約為為6.19*1012比特），其中中1部分閑置置，5部分給給地面監(jiān)控站站使用，32部分分配給給不同的衛(wèi)星星。這樣，每每顆衛(wèi)星所使使用的P碼不不同部分，便便都具有相同同的碼長和周周期，但結(jié)構(gòu)構(gòu)不同。P碼碼的碼長較長長，無法采用用C/A碼逐逐個(gè)進(jìn)行搜索索。一般都是是先捕獲C/A碼，然后后根據(jù)導(dǎo)航電電文中給出的的有關(guān)信息，，捕獲P碼。。由于P碼的碼碼元寬度為C/A碼的1/10，若若取碼元的對對齊精度仍為為碼元寬度的的1/100，則由此引引起的相應(yīng)距距離誤差為0.29m，，僅為C/A碼的1/10。所以P碼定位精度度高，故也稱稱為精碼。測距碼的調(diào)制制（雙相調(diào)制制）信信號的生成二進(jìn)制信號：：“1”表示示二進(jìn)制“0”，“-1”表示二進(jìn)進(jìn)制“1”，，則模二和運(yùn)算規(guī)則二進(jìn)制信號的的相位調(diào)制GPS衛(wèi)星信信號的調(diào)制框圖衛(wèi)星信號的調(diào)調(diào)制原理衛(wèi)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)星歷(廣廣播星歷)用于預(yù)報(bào)未來來幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)衛(wèi)星所處概略略位置的預(yù)報(bào)報(bào)星歷；廣播播星歷可用于于GPS實(shí)時(shí)時(shí)定位計(jì)算，，預(yù)報(bào)星歷則則可用于在較較長的時(shí)間周周期內(nèi)對GPS衛(wèi)星的位位置進(jìn)行預(yù)報(bào)報(bào)。后處理星歷(精密星歷)衛(wèi)星星歷是描描述衛(wèi)星運(yùn)動動軌道的信息息,或者說是是一組對應(yīng)于于某一時(shí)刻的的衛(wèi)星軌道根根數(shù)及其變率率。計(jì)算思路首先計(jì)算衛(wèi)星星在軌道平面面坐標(biāo)系下的的坐標(biāo)然后將上述坐坐標(biāo)分別繞X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋旋轉(zhuǎn)-k角，求出衛(wèi)星星在地固系下下的坐標(biāo)軌道平面坐標(biāo)標(biāo)系軌道參數(shù)計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)衛(wèi)星的平近點(diǎn)點(diǎn)角計(jì)算過程計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行行的平均角速速度計(jì)算偏近點(diǎn)角角計(jì)算真近點(diǎn)角角計(jì)算過程（續(xù)續(xù)）計(jì)算升交距角角（未經(jīng)改正的）計(jì)算衛(wèi)星向徑徑計(jì)算攝動改正正項(xiàng)計(jì)算衛(wèi)星在軌軌道平面坐標(biāo)標(biāo)系中的位置置進(jìn)行攝動改正正計(jì)算過程（續(xù)續(xù)）計(jì)算升交