GPS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個軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h58min設(shè)計星座：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，在高度角15以上，能夠同時觀測到4至8顆衛(wèi)星當(dāng)前星座：28顆類型試驗衛(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，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)計中，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。其特點是：可對自己進行自主導(dǎo)航；每顆衛(wèi)星將使用星載處理器，計算導(dǎo)航參數(shù)的修正值，改善導(dǎo)航精度，增強自主能力和生存能力。椐報道，該衛(wèi)星在沒有與地面聯(lián)系的情況下可以工作6個月，而其精度可與有地面控制時的精度相當(dāng)。BlockⅠ衛(wèi)星BlockⅡ衛(wèi)星BlockⅡR衛(wèi)星GPS衛(wèi)星星座（=35，=90）4.1.3地面監(jiān)控部分GPS的地面控制部分（地面監(jiān)測系統(tǒng)）組成：主控站（1個）、跟蹤站（5個）和注入站（3個）作用：監(jiān)測和控制衛(wèi)星運行，編算衛(wèi)星星歷（導(dǎo)航電文），保持系統(tǒng)時間。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)控系統(tǒng)工作流程主控站（1個）作用：收集各檢測站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)；通過注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護與異常情況的處理。地點：美國克羅拉多州法爾孔空軍基地。跟蹤站（5個）作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。地點：夏威夷、主控站及三個注入站。注入站（3個）作用：將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。地點：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）。4.1.3用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分-GPS信號接收機及相關(guān)設(shè)備接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的設(shè)備多數(shù)采用石英鐘GPS接收機:能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的衛(wèi)星信號接收設(shè)備(1)導(dǎo)航型接收機此類型接收機主要用于運動載體的導(dǎo)航，它可以實時給出載體的位置和速度。單點實時定位精度較低，一般為±25m,有SA影響時為±100m。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機可以進一步分為：1.按接收機的用途分類可分為：車載型——用于車輛導(dǎo)航定位；航海型——用于船舶導(dǎo)航定位；航空型——用于飛機導(dǎo)航定位。由于飛機運行速度快，因此，在航空用的接收機要求能適應(yīng)高速運動。星載型——用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的運動速度高達(dá)7公里/秒以上，因此對接收機的要求更高。

(2)測地型接收機

測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。(3)授時型接收機

這類接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標(biāo)準(zhǔn)進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。2.按接收機的載波頻率分類(1)單頻接收機單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（<15km）的精密定位。(2)雙頻接收機雙頻接收機可以同時接收Ｌ１，Ｌ２載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號延遲的影響，因此雙頻接收機可用于長達(dá)幾千公里的精密定位。3.按接收機通道數(shù)分類GPS接收機能同時接收多顆GPS衛(wèi)星的信號，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號，以實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據(jù)接收機所具有的通道種類可分為：多通道接收機

序貫通道接收機(3)多路多用通道接收機4.按接收機工作原理分類(1)碼相關(guān)型接收機碼相關(guān)型接收機是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。(2)平方型接收機平方型接收機是利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號，來恢復(fù)完整的載波信號，通過相位計測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。(3)混合型接收機這種儀器是綜合上述兩種接收機的優(yōu)點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。(4)干涉型接收機這種接收機是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。天線單元存儲器計算與顯控電源接收單元（頻率維持通常采用石英鐘）接收單元（頻率維持通常采用石英鐘）信號通道類型：多路復(fù)用，序慣，多通道；碼相關(guān)通道，平方通道GPS信號接收機組成天線單元帶前置放大器接收天線天線單元接收單元接收單元信號通道存儲器微處理器輸入輸出設(shè)備電源天線單元類型單極天線微帶天線錐形（螺旋）天線四絲螺旋天線空間螺旋天線背腔平面盤旋天線GPS天線特點單極天線單頻獲雙頻（雙極結(jié)構(gòu)）、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單微帶天線結(jié)構(gòu)簡單、單頻或雙頻、側(cè)視角低（適合于機載應(yīng)用）、低增益、應(yīng)用最為廣泛背腔平面盤旋天線錐形（螺旋）天線

四絲螺旋天線–單頻、難以調(diào)整相位和極化方式、非方位對稱、增益特性好、不需要底板空間螺旋天線–雙頻、增益特性好、側(cè)視角高、非方位對稱相位中心天線的平均相位中心與幾何中心天線平均相位中心的偏差天線平均相位中心偏差的消除：歸心改正、消去法天線高–標(biāo)志至平均相位中心所在平面的垂直距離H’HHH’hR天線特性相位中心、增益方式、帶寬、極化接收（信號）通道定義：接收機中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號的部件，由無線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。類型：根據(jù)信號跟蹤方式：序慣通道、多路復(fù)用通道和多通道；根據(jù)工作原理：碼相關(guān)通道、平方通道等存儲器微處理器作用：數(shù)據(jù)處理、控制輸入輸出設(shè)備電源基本結(jié)構(gòu)天線前置放大器信號處理器微處理器振蕩器控制、顯示及存儲設(shè)備電源GPS接收機的天線——作用接收來自衛(wèi)星的信號放大經(jīng)（頻率變換）用于（跟蹤、處理、量測）天線的幾何中心與相位中心幾何中心相位中心相位中心偏差——天線的相位中心天線相位中心的變化與信號的高度角有關(guān)與信號的方位角有關(guān)相同類型的天線具有相同的相位中心特性重要的物理與幾何特性天線相位中心接收鐘差接收機信號通道間的延遲4.2GPS的信號結(jié)構(gòu)載波測距碼導(dǎo)航電文4.2.1碼的基本概念用于導(dǎo)航定位的GPS信號由三部分組成：載波（L1和L2）導(dǎo)航電文測距碼（C/A碼和P(Y)碼）GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生與構(gòu)成是比較復(fù)雜的，考慮了以下幾方面的要求:適應(yīng)多用戶系統(tǒng)的要求滿足實時定位的要求滿足高精度定位的需求滿足軍事保密的要求4.2.2載波載波作用：搭載其它信號，也可用于測量（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：26cm4.2.3導(dǎo)航電文方波碼速：50bps導(dǎo)航電文是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它包含該衛(wèi)星的星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延改正、大氣折射改正以及由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息，也是由衛(wèi)星信號中解調(diào)出來的數(shù)據(jù)碼D(t)。這些信息以50bit/s的數(shù)據(jù)流調(diào)制在載頻上，數(shù)據(jù)采用不歸零制（NRZ）的二進制碼。GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（簡稱衛(wèi)星電文又叫數(shù)據(jù)碼）：所謂導(dǎo)航電文，就是包含了有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼(或D碼)。它分為預(yù)報星歷、和精密星歷。是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它的基本單位是長1500bit的一個主幀（如圖4-1所示），傳輸速率是50bit/s,30秒鐘傳送完畢一個主幀。一個主幀包括5個子幀，第1、2、3子幀每30秒鐘重復(fù)一次，內(nèi)容每小時更新一次。第4、5子幀的全部信息則需要750秒鐘才能夠傳送完。即第4、5子幀是12.5分鐘播完一次，然后再重復(fù)之，其內(nèi)容僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新。

遙測字(TLM—TelemetryWord)，位于各子幀的開頭，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。其中所含的同步信號為各子幀提供了—個同步的起點，使用戶便于解釋電文數(shù)據(jù)。

交接字(HOW—HandOverWord），緊接著各子幀開頭的遙測字，主要是向用戶提供用于捕獲P碼的Z計數(shù)。所謂Z計數(shù)是從每星期六／星期日子夜零時起算的時間計數(shù)．它表示下一子幀開始瞬間的GPS時。但為了實用方便，Z計數(shù)一般表示為從每星期六／星期日子夜零時開始發(fā)播的子幀數(shù)。因為每一子幀播送延續(xù)的時間為6秒，所以，下一子幀開始的瞬時即為6xZ。通過交接字可以實時地了解觀測瞬時在P碼周期中所處的準(zhǔn)確位置，以便迅速地捕獲P碼。1．時延差改正Tgd第7字碼的第17—24比特表示載波L1、L2的電離層時延差改正Tgd。當(dāng)使用單頻接收機時，用Tgd改正所觀測的結(jié)果，以減小電離層效應(yīng)影響提高定位精度；當(dāng)采用雙頻接收機時，就不必要采用這個時延差改正。

第一數(shù)據(jù)塊，含有關(guān)于衛(wèi)星鐘改正參數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期、星期的周數(shù)編號以及電離層改正參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息。現(xiàn)對其中的主要內(nèi)容介紹于下：AODC＝toc-tl式中:toc為第一數(shù)據(jù)塊的參考時刻，tl是計算時鐘參數(shù)所作測量的最后觀測時間。2．?dāng)?shù)據(jù)齡期AODC第3字碼的第23、和第24比特,以及第8字碼的第1—8比特，均表示衛(wèi)星時鐘的數(shù)據(jù)齡期AODC。GPS試驗衛(wèi)星的AODC只占8個比特，而GPS工作衛(wèi)星卻擴展到了10個比特。A0DC是時鐘改正數(shù)的外推時間間隔，它向用戶指明對衛(wèi)星時鐘改正數(shù)的置信度，且知3.星期序號WN。表示從1980年1月6日協(xié)調(diào)時零點起算的GPS時星期數(shù)。4.衛(wèi)星鐘改正參數(shù)：a0、a1、a2，分別表示該衛(wèi)星的鐘差、鐘速及鐘速的變化率。當(dāng)巳知這些參數(shù)后，便可按下式計算任意時刻t的鐘改正數(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3子幀，其內(nèi)容表示GPS衛(wèi)星的星歷，這些數(shù)據(jù)為用戶提供了有關(guān)計算衛(wèi)星坐標(biāo)位置的信息。描述衛(wèi)星的運行及其軌道的參數(shù)包括下列三類。4.2.4測距碼方波偽隨機噪聲碼–PRN碼兩種測距碼：C/A碼-粗碼碼速：1.023MHz碼元長度：300mP(Y)碼-精碼碼速：10.23MHz碼元長度：30mC/A碼C/A碼是由兩個10級反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生的.碼長Nu=210-1=1023比特碼元寬tu=1/f1≈0.977752μs(相應(yīng)距離為293.1m)周期Tu=Nutu=1ms數(shù)碼率=1.023Mbit/sC/A碼的碼長易于捕獲，且通過C/A碼提供的信息，又可方便的捕獲P碼。C/A碼的碼元寬度較大。假設(shè)兩個序列的碼元對齊誤差，為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的測距誤差達(dá)2.9m，以因此也稱粗碼。P碼P碼產(chǎn)生的基本原理與C/A碼相似，但其發(fā)生電路，是采用兩種各由兩個12級反饋移位寄存器構(gòu)成的，情況更為復(fù)雜。線路設(shè)計細(xì)節(jié)均是保密的。

碼長Nu≈2.35*1014比特碼元寬度tu≈0.0977752μs(相應(yīng)距離為29.3m)周期Tu=Nutu≈267數(shù)碼率=10.23Mbit/sP碼周期被分為38部分（7天/每一部分周期，碼長約為6.19*1012比特），其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同的衛(wèi)星。這樣，每顆衛(wèi)星所使用的P碼不同部分，便都具有相同的碼長和周期，但結(jié)構(gòu)不同。P碼的碼長較長，無法采用C/A碼逐個進行搜索。一般都是先捕獲C/A碼，然后根據(jù)導(dǎo)航電文中給出的有關(guān)信息，捕獲P碼。

由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元的對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則由此引起的相應(yīng)距離誤差為0.29m，僅為C/A碼的1/10。所以P碼定位精度高，故也稱為精碼。

測距碼的調(diào)制（雙相調(diào)制）4.2.5GPS信號的生成二進制信號：“1”表示二進制“0”，“-1”表示二進制“1”，則模二和運算規(guī)則二進制信號的相位調(diào)制GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制框圖衛(wèi)星信號的調(diào)制原理4.2.6GPS衛(wèi)星星歷預(yù)報星歷(廣播星歷)用于預(yù)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷；廣播星歷可用于GPS實時定位計算，預(yù)報星歷則可用于在較長的時間周期內(nèi)對GPS衛(wèi)星的位置進行預(yù)報。后處理星歷(精密星歷)

衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運動軌道的信息,或者說是一組對應(yīng)于某一時刻的衛(wèi)星軌道根數(shù)及其變率。

計算思路首先計算衛(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X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)軌道平面坐標(biāo)系軌道參數(shù)計算t時刻衛(wèi)星的平近點角計算過程計算衛(wèi)星運行的平均角速度計算偏近點角計算真近點角計算過程（續(xù)）計算升交距角（未經(jīng)改正的）計算衛(wèi)星向徑計算攝動改正項計算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的位置進行攝動改正計算過程（續(xù)）計算升交點經(jīng)度計算衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)精密星歷–后處理星歷精密星歷的特點按一定時間間