衛(wèi)星定位理論與方法-第12次課-衛(wèi)星的信號(hào)結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星定位理論與方法測(cè)量與導(dǎo)航工程系導(dǎo)航與定位教研室陳明劍第12次課衛(wèi)星的信號(hào)結(jié)構(gòu)GPSSignalCharacteristicsGPS衛(wèi)星向用戶發(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)：減少擁擠，避免干擾適用于擴(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大氣衰減小，有益于研制用戶設(shè)備載波頻率越高，多普勒頻移越大，有利于用戶的行駛速度GPS衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文都屬于低頻信號(hào)，GPS衛(wèi)星軌道較高，其電能緊張，很難將信號(hào)傳輸?shù)降孛?，所以只能將低頻信號(hào)加載到高頻載波上。

L波段可以避開大氣諧振吸收，能量耗損小。在系統(tǒng)容量C一定時(shí)，頻帶寬度B越大，信噪比越小。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)保密信息傳送SchematicofGPScodesandcarrierphase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)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)生將調(diào)制信號(hào)擴(kuò)頻方法：用50hz的D碼調(diào)制一個(gè)偽隨機(jī)碼，例如調(diào)制p碼，碼率高達(dá)10.23MHZ，形成組合碼P（t)D(t).用組合碼調(diào)制L波段的載波，實(shí)現(xiàn)D碼的二級(jí)調(diào)制。在無(wú)線電通信中，為有效地傳播信息，一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)稱為調(diào)制信號(hào)。CodesonL1andL2SpreadSpectrumPrincipleSin(t)-11TPRNPRN*Sin(t)SignalStructureL1CarrierWave1575.42MHzC/ACode1.023MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHzSignalStructureL2CarrierWave1227.6MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz

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+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。GPSSignalStructureforL1SignalMessageDatamodulatedonRangingCodeUserReceivedSignalPowerGPSSignalStructure(3)GPSSignalStructure(4)NavigationDataStructureContentsofGPSNavigationDataContentsofGPSNavigationData1、TLM和HOW遙測(cè)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(hào)，為各子幀提供了一個(gè)同步的起點(diǎn)，使用戶便于解譯電文數(shù)據(jù)。

交接字（HOW:Hand-OverWord）:緊接著各子幀的遙測(cè)字，主要向用戶提供從C/A碼捕獲P碼的Z計(jì)數(shù)。所謂Z計(jì)數(shù)，就是從每星期六/日子夜零時(shí)起算的時(shí)間計(jì)數(shù)，它表示下一子幀開始瞬間的GPS時(shí)。但為了實(shí)用方便，Z計(jì)數(shù)一般表示為從每星期六/日子夜零時(shí)開始發(fā)播的子幀數(shù)。因?yàn)槊恳蛔訋ニ脱舆t的時(shí)間為6秒，所以，下一子幀開始的瞬間為6×Z。ContentsofGPSNavigationData2、數(shù)據(jù)塊I：

它含有關(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(hào)，電離層改正參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息。計(jì)算衛(wèi)星鐘差的多項(xiàng)式參數(shù)：a0,a1,a2ttoc:數(shù)據(jù)塊I的參考時(shí)刻，從GPS時(shí)的每星期日零時(shí)起算，在0~604800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。

ContentsofGPSNavigationData3、數(shù)據(jù)塊Ⅱ

數(shù)據(jù)塊Ⅱ占有第二子幀和第三子幀。主要向用戶提供有關(guān)計(jì)算衛(wèi)星位置的參數(shù)。該數(shù)據(jù)塊一般稱作衛(wèi)星星歷(Ephemeris)。衛(wèi)星位置的計(jì)算三、GPS數(shù)據(jù)文件

semimajoraxis,aeccentricity,erightascensionoftheascendingnode,oargumentofperigee,inclination,iomeananomaly,MoascendingnodeAlgorithmforcomputingsatellitecoordinatesfrombroadcastephemeridesisgiveninGPSInterfaceControlDocumentICD-GPS-200(seealsoenclosedhandout)ContentsofGPSNavigationData4、數(shù)據(jù)塊Ⅲ數(shù)據(jù)塊Ⅲ包含在4，5子幀里。主要向用戶提供計(jì)算GPS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)星工作狀態(tài)的信息。一般這些信息也稱作衛(wèi)星的歷書(Almanac)。有了這些信息，用戶可以方便地選擇適宜的觀測(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2NAVIGATIONDATA RINEXVERSION/TYPEDAT2RIN1.00eTheBoss 29JUN9817:59:25GMT PGM/RUNBY/DATE COMMENT.1118D-07.0000D+00-.5960D-07.0000D+00 IONALPHA.9011D+05.0000D+00-.1966D+06.0000D+00 IONBETA-.142108547152D-13-.372529029846D-0861440159 DELTA-UTC:A0,A1,T,W12 LEAPSECONDS ENDOFHEADER39710101800.0.605774112046D-04.352429196937D-11.000000000000D+00.760000000000D+02.494687500000D+02.448018661776D-08.220198356145D+00.264309346676D-05.244920048863D-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+01.000000000000D+00.139698386192D-08.588000000000D+03.490320000000D+066971010155944.0-.358093529940D-06.000000000000D+00.000000000000D+00.220000000000D+02.526250000000D+02.438268255632D-08-.281081720890D+00…….GPSSignalStructure(5)SummaryofGPSSignalParametersRapidacquisitionPrecisionL1=154RPL2=120RPOneweekTotal38weeks32forSV5forpseudolitePrecise,2hourrule-of-thumbdurationdataLessaccurate,2weekrule-of-thumbdurationdataGPSCode,Data,Subframe,andFrameTimingRelationshipsGPS信號(hào)結(jié)構(gòu)

載波相位偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼的特性

C/A碼和P碼的產(chǎn)生

CarrierPhase(CarrierWaves)fL1=f0x154=1575.42MHzfL2=f0x120=1227.60MHzequivalentwavelength：1=19.03cmequivalentwavelength：2=24.42cmGPS信號(hào)結(jié)構(gòu)

載波相位偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼的特性

C/A碼和P碼的產(chǎn)生

所謂偽隨機(jī)碼也稱偽噪聲碼(PseudoRandomNoiseCode—PRN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)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——最長(zhǎng)線性移位寄存器序列，簡(jiǎn)稱M序列。M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器和模二運(yùn)算。

PseudoRandomNoiseCodeGPSRangingCode1、模二運(yùn)算PseudoRandomNoiseSignalGenerationModulo-2recoveryofGPScodeModulo-2arithmetic:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0BitshiftsalignedMUSTMOD-2ADDRECEIVER-GENERATEDCODETORECOVER2、雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器PseudoRandomNoiseSignalGeneration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)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)器稱作移位寄存器的級(jí)。由r級(jí)雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器的構(gòu)成的移位寄存器稱為r級(jí)移位寄存器。雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器可以是一個(gè)R-S（Reset-Set）觸發(fā)器。如圖是一種觸發(fā)器，它是由四個(gè)與非門構(gòu)成

2、雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器當(dāng)CP=0時(shí)，

R=1，S=0或R=0，S=1時(shí)，和Q一個(gè)為高電平，另一個(gè)為低電平當(dāng)CP=1時(shí)，

R=1，S=0Q=0，

=1

R=0，S=1Q=1，

=0

R=0，S=0不定；

R=1，S=1不變；PseudoRandomNoiseSignalGenerationABCD四個(gè)與非門與非門的特性：1×1=1取反01×0=00×1=0取反10×0=0 在雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器中R稱為復(fù)位輸入端，S稱為置位輸入端。3、移位寄存器PseudoRandomNoiseSignalGeneration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。

脈沖信號(hào)RS4RS3RS2RS1000101100121100311104111151111PseudoRandomNoiseSignalGeneration由于RS4的輸入端始終為1，因此經(jīng)過(guò)四次移位后就全成為1的狀態(tài)并保持下去。這樣得到的RS1輸出端序列顯然不是隨機(jī)序列。

4、最長(zhǎng)線性移位寄存器PseudoRandomNoiseSignalGeneration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。

SlipsA1A2A3A4A3+A410001121000030100040010151001161100070110181011090101110101011111011121110113111101401110150011016000111710000PseudoRandomNoiseSignalGeneration

PropertiesofMSequence我們可以看到A4的輸出端：10001001101011110…這種序列具有周期性，一周期內(nèi)包含15個(gè)碼元（）這個(gè)長(zhǎng)度稱作該序列的碼長(zhǎng)。這種序列取決于移位寄存器的初始狀態(tài)和反饋電路。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。

其它的反饋電路

PseudoRandomNoiseSignalGenerationSlipsA1A2A3A4A1+A410001121000131100141110151111060111171011080101191010110110101101100120011113100101401000150010016000111710000PseudoRandomNoiseSignalGenerationPseudoRandomNoiseSignalGeneration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)碼序列。

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)為2r-1的最長(zhǎng)線性移位寄存器序列，即m序列。m序列是一個(gè)周期序列，每個(gè)周期包含2r-1個(gè)碼元。級(jí)數(shù)相同而反饋電路不同產(chǎn)生不同的碼序列稱為同族碼序列。通常采用多項(xiàng)式來(lái)表達(dá)這種反饋電路：

上面兩圖對(duì)應(yīng)的表達(dá)式分別為：

GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)

載波相位偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼的特性

C/A碼和P碼的產(chǎn)生

PropertiesofMSequence統(tǒng)計(jì)特性循環(huán)相加特性相關(guān)特性

StatisticPropertiesofMSequence碼序列中兩種元素出現(xiàn)的次數(shù)大致相等，相差1次。

0:2r-21:2r-2-1長(zhǎng)度為n的元素游程比長(zhǎng)度為n+1的元素游程多一倍。游程即是連續(xù)出現(xiàn)n次同一元素叫作一個(gè)長(zhǎng)度為n的游程。統(tǒng)計(jì)特性隨機(jī)噪聲、偽隨機(jī)碼的區(qū)別：M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，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)生完全相同的偶然誤差；同樣，人們也無(wú)法得到完全一樣的噪聲。它具有周期性(噪聲或偶然誤差是無(wú)周期的)M序列的幅值始終為1或0

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。ComparisonBetweenMSequenceandRandomErrorComparisonBetweenMSequenceandRandomError相似：M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；0和1出現(xiàn)的概率大致相等。序列連續(xù)N+1個(gè)1(0)的機(jī)會(huì)比連續(xù)出現(xiàn)N個(gè)1(0)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

M序列為周期序列，因此將一個(gè)M序列平移若干個(gè)碼元，仍然為原碼元，只是初相不同。平移前后的兩個(gè)序列稱作平移等價(jià)序列。

循環(huán)相加特性是指一個(gè)M序列序列與平移序列的模二和為此序列的平移等價(jià)序列。

互相關(guān)函數(shù)：自相關(guān)函數(shù)：

AutocorrelationandCorrelationFunctionofMSequence=0

!=0

Autocorrelation

FunctionofMSequence

截短碼:為了從碼長(zhǎng)為P的m序列中獲得一個(gè)碼長(zhǎng)為P’(P’<P)的碼序列，可以通過(guò)對(duì)m序列截去a=P-P’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)成的碼序列稱為復(fù)合碼。

如果由n個(gè)碼長(zhǎng)分別為P1、P2…、PN的子碼構(gòu)成的復(fù)合碼，且P1、P2…、PN互素。則復(fù)合碼的碼長(zhǎng)P為P1*P2*….*PN.。

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)特性不太理想。

一是互相關(guān)函數(shù)的最大值往往可以達(dá)到1/3左右，二是雖然可以找到少量的m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，不能滿足碼分多址的需要。因此在m序列的基礎(chǔ)上引入了Gold碼。GoldCode設(shè)兩個(gè)具有相同碼長(zhǎng)P的m序列a與b

形成一個(gè)周期序列，其碼長(zhǎng)仍為P，稱為Gold碼序列。GoldCode

Gold碼序列族內(nèi)，各序列間的自相關(guān)特性和兩兩互相關(guān)特性取決于m序列的互相關(guān)函數(shù)

如果構(gòu)成Gold碼序列的兩個(gè)m序列具有良好的互相關(guān)特性，則所構(gòu)成的2r+1個(gè)不同的Gold碼將具有良好的自相關(guān)特性和良好的兩兩互相關(guān)特性。RangingCode：CoarseAcquistionCodeGPS信號(hào)結(jié)構(gòu)

載波相位偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼的特性

C/A碼和P碼的產(chǎn)生

RangingCode：CoarseAcquistionCodeC/A碼(CoarseAcquisitionCode),也稱粗捕獲碼。

碼長(zhǎng)為1023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，GPS的C/A碼采用兩個(gè)具有良好互相關(guān)特性的同族碼序列構(gòu)成的Gold碼。P碼是由兩個(gè)碼長(zhǎng)互素的m序列組成的模二和復(fù)合碼。

X1的周期為1.5秒，碼長(zhǎng)為15,345,000碼長(zhǎng)；X2碼長(zhǎng)比X1長(zhǎng)37個(gè)碼元。這兩個(gè)子碼都是24位移位寄存器產(chǎn)生的截短碼；為一碼元對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；是子碼X2的延遲參數(shù)，范圍為0～36。RangingCode：PreciseCodeC/A碼P碼碼長(zhǎng)1023２.35×

碼元寬度0.98μs相當(dāng)于293.1m0.098μs相當(dāng)于29.3m周期1ms約267天精度3米0.3米PropertiesofC/ACodeandPCodePropertiesofC/ACodeandPCodeC/A碼作用：

1、精確、無(wú)模糊的測(cè)距（自相關(guān)特性）

2、識(shí)別衛(wèi)星（碼分多址）（自相關(guān)特性+互相關(guān)特性）

3、調(diào)制導(dǎo)航信息

4、快速捕獲P碼

C/A碼的捕獲自動(dòng)搜索檢測(cè)自相關(guān)函數(shù)峰值搜索并跟蹤載波多普勒，實(shí)現(xiàn)載波匹配碼搜索，實(shí)現(xiàn)最大自相關(guān)90秒C/A碼的捕獲ExamplePeakCorrelationOutputsReceiverProcessingfortheGPSWaveformC/AcodewaveformSignalpowerS(nW)50Bits/secdatastream(±1)1Mbits/secpseudo-randomcode(±1)1575.42MHzL1carrierfrequencyTime(sec)Carrierphase(rad)Trackthecarriertogetdeltapseudorange(doppler)TrackC/AcodetogetpseudorangeDemodulated(t)tostripoffdataAmplifySforsubsequentprocessingAntennapicksupsignals(pico-watts)andfiltersrejectsidelobesSATELLITESIGNALRECEIVERPROCESSINGOnlyL1C/AcodefromsinglesatelliteshownhereGPSReceiverFunctionsLocalOscillatorCodeOffsetDetectorCodeGeneratorPhaseErrorDetectorCarrierFrequencyGeneratorCodeErrorPhaseErrorFILTER1575.42Mhz±1MhzAMPLIFIER~35dBMIXERGHz→MHz~13to70MHzQuartzcrystalRFIFIFLownoisepreamplifierboostssignallevelCombinessatellitesignalwithsinusoidallocalsignalRejectssidelobesANTENNA(pico-watts)L1&L2carrierwavesmodulatedwithC/A&PcodesignalCODETRACKINGLOOP(PorC/ACODE)CARRIERTRACKINGLOOP(L1orL2)InterceptscircularpolarizedsignalsfromallvisiblesatellitesConvertselectromagneticwaveenergyintoelectriccurrent

DelaylockloopalignslocallygeneratedC/AcodewithsatellitesC/Acode.Multiplyandintegrationcircuitsautomaticallyshiftsitsowncodeintime&crosscorrelatesDecodes50bits/secdatastreamUseshandoverwordtolockontoP-code

AlignsphaseoflocaloscillatorwithIFbeatfrequencyMeasurescurrentdopplershiftfromIFphasesignalfrequencydifference

(Costasloop)CodeLockLoopPhaseLockLoopPseudo-rangePseudo-rangerateNavigationProcessor

Satelliteselection

KalmanfilteringNavigationSolutionPuresinusoidalsignalIntermediatefrequency(IF)CarrierwavecontainsallofC/Acode,PcodeanddataSignaltraveltimeforeachsatelliteSatelliteinstantaneousdopplershiftReal-timeCodeMatchingisUsedtoIdentifySatelliteandMeasureSignalTravelTimeUniqueC/AcodefromsatelliteIdenticalC/AcodefromuserSATELLITETransittimetouser~1/11secUSERSETGeneratescodedelayistransittime.Receiverslews(shifts)pulsetrainformatch.

Satellite’suniqueC/AcodeidentifiesitselftoreceiverSatellite&usergenerateidenticalcodedsequencestartingatsametime

Whensatellitepulsetrain1’sand0’smatchreceiverpulsetrain1’sand0’sauto-correlationfunctionvaluechangesfrom0to1

AfterLOCK-ONusercanmeasure

UserclockbiasresultsfromnotstartingsequencesatsametimeLOCK-ONP-CodeReceiversMatchtoC/ACodeFirstandThenDecode‘HandoverWord’

toMatchtoP-CodeTLMHOW30sec1200123012601500MULTIPLEXALMANAC/HEALTHSTATUS⑤TLMHOW30sec900930960MULTIPLEXMESSAGE④1200TLMHOW30sec600630660EPHMERIS③900TLMHOW30sec300330360EPHMERIS②600TLMHOW30sec03060CLOCKCORRECTION①300TLM=TELEMETRYWORDSHOW=HANDOVERWORDSDATASTREAM:

50-Bits/secSuperimposedonC/A&PcodeModulo2additionFrame30sec5sub-frameSub-frameeach6sec&300bitsBITSUB-FRAMEMessagechangesthrough25framesalmanac/Healthstatuschangesthrough25fram