第三章GPS的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)

第三章GPS的構(gòu)成及信號(hào)構(gòu)造1主要內(nèi)容

回憶GPS系統(tǒng)的構(gòu)成§1.GPS衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)成 §2.GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào) §3.GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文 §4.GPS接受機(jī)基本工作原理2概述3GPS衛(wèi)星測(cè)距原理概述>測(cè)距原理衛(wèi)星信號(hào)于“T”時(shí)刻發(fā)射GPS接受機(jī)于“T+Δt”收到信號(hào)站星距離

=信號(hào)傳播時(shí)間×光速ThereceiverusesitsinternalclockandthecodedinformationfromeachGPSsatelliteto

determinethetimeittookthesignalstoreachthereceiver.4GPS衛(wèi)星測(cè)距原理概述>測(cè)距原理GPS定位的基本測(cè)量，是觀察站至GPS衛(wèi)星的距離，它是經(jīng)過測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)在該途徑上的傳播時(shí)間（時(shí)間延遲），或者測(cè)定衛(wèi)星載波信號(hào)相位在該途徑上變化的周數(shù)（相位延遲）來導(dǎo)出的。ρ=v?Δt 衛(wèi)星至觀察站距離ρ=傳播速度v×傳播時(shí)間ΔtTwo-wayandone-wayranging5§1

GPS衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)成

6一、概述導(dǎo)航信號(hào)>概述衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)是一種由導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的，可供無數(shù)顧客共享的空間信息資源。 GPS信號(hào)是一種多調(diào)制波、多信號(hào)格式和多用途的無線電信號(hào)。7一、概述測(cè)距碼信號(hào)>有關(guān)GPS衛(wèi)星信號(hào) GPS衛(wèi)星所發(fā)播的信號(hào)，涉及載波信號(hào)、P碼（或Y碼）、C/A碼和數(shù)據(jù)碼（或稱D碼）等多種信號(hào)分量，而其中的P碼和C/A碼，統(tǒng)稱為測(cè)距碼。 GPS衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生、構(gòu)成和復(fù)制等，都涉及到當(dāng)代數(shù)字通信理論和技術(shù)方面的復(fù)雜問題，雖然GPS的顧客一般能夠不去進(jìn)一步研究，但了解其基本概念，對(duì)了解GPS定位的原理仍是必要的。 8一、概述測(cè)距碼信號(hào)>有關(guān)GPS衛(wèi)星信號(hào)1、滿足多顧客系統(tǒng)的要求：GPS是根據(jù)單程測(cè)距原理建立的，即顧客只需經(jīng)過接受設(shè)備來接受衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，并測(cè)定信號(hào)傳播的單程時(shí)間延遲或相位延遲，進(jìn)而擬定從觀察站至GPS衛(wèi)星間的距離。 這種單程測(cè)距系統(tǒng)，不但有利于簡(jiǎn)化地面的接受設(shè)備，而且，凡具有接受設(shè)備的顧客，都能夠利用GPS進(jìn)行定位。 9一、概述測(cè)距碼信號(hào)>有關(guān)GPS衛(wèi)星信號(hào)2、滿足實(shí)時(shí)定位的要求：利用GPS導(dǎo)航或?qū)崟r(shí)定位的基本原理，類似于經(jīng)典測(cè)量中的后方距離交會(huì)，即在同一觀察站上，必須同步觀察數(shù)顆瞬時(shí)位置已知的衛(wèi)星，以擬定觀察站至這些衛(wèi)星的距離。GPS工作衛(wèi)星的數(shù)量及分布，既保障了定位的全球性和連續(xù)性，同步還經(jīng)過衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，給出了有關(guān)衛(wèi)星瞬時(shí)位置的信息，這就滿足了GPS顧客連續(xù)實(shí)時(shí)定位的要求。 10一、概述測(cè)距碼信號(hào)>有關(guān)GPS衛(wèi)星信號(hào)3、滿足高精度定位的需要：因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)穿過電離層時(shí)，將受到電離層的折射影響，所以，GPS衛(wèi)星發(fā)射了具有兩種頻率的電磁波信號(hào)，以便應(yīng)用雙頻觀察技術(shù)計(jì)算電離層影響的改正，提升定位的精度。另外，GPS衛(wèi)星發(fā)射的電磁波還具有較高的頻率，這么既提升了計(jì)算電離層折射修正量的精度，同步也滿足了顧客經(jīng)過測(cè)量電磁波的多普勒頻移，進(jìn)行高精度測(cè)速的要求。 11一、概述測(cè)距碼信號(hào)>有關(guān)GPS衛(wèi)星信號(hào)4、滿足軍事保密的要求：GPS是美國(guó)國(guó)防部門，主要為軍事方面的需要，而建立的當(dāng)代化導(dǎo)航系統(tǒng)，但為了兼顧民用部門的需要，衛(wèi)星信號(hào)里涉及兩種測(cè)距碼，即C/A碼和P碼。其中，C/A碼精度較低，但碼的構(gòu)造是公開的，可供具有GPS接受設(shè)備的廣大顧客使用；而P碼精度較高，是構(gòu)造不公開的保密碼，專供美國(guó)軍方以及得到特許的顧客使用。 12一、概述導(dǎo)航信號(hào)>概述GPS信號(hào)的特點(diǎn)：多調(diào)制波：涉及D碼、C/A碼和P碼三種碼。多信號(hào)格式：D碼是一種不歸零的二進(jìn)制碼構(gòu)成的編碼脈沖串 C/A碼和P碼均為偽隨機(jī)噪聲碼 載波是處于L波段的微波連續(xù)波 多用途：可軍用、可民用，也可作靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)測(cè)量，能夠用來 測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)，也能夠用來測(cè)量載體的三維 姿態(tài)參數(shù)。13二、衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)造導(dǎo)航信號(hào)>衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)造前已指出，GPS衛(wèi)星信號(hào)包具有三種信號(hào)分量，即載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼。而全部這些信號(hào)分量，都是在同一種基本頻率的控制下產(chǎn)生的。 每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(hào)（基準(zhǔn)頻率?） 兩種載波（L1和L2） 兩種碼信號(hào)（C/A碼和P碼） 一組導(dǎo)航電文（信息碼，D碼）14二、衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)造導(dǎo)航信號(hào)>衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)造基準(zhǔn)頻率10.23MHZ

C/A碼

1.023MHZ

P碼

10.23MHZL21227.60MHZL11575.42MHZP碼

10.23MHZ數(shù)據(jù)碼D碼

50BPS數(shù)據(jù)碼D碼

50BPS

154

120÷204600÷10GPS衛(wèi)星信號(hào)示意圖15§2GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)16一、碼與碼的產(chǎn)生測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生1、有關(guān)碼的基本概念：在當(dāng)代數(shù)字化通信中，廣泛使用二進(jìn)制數(shù)及其組合來表達(dá)多種信息。這些體現(xiàn)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合，便稱為碼。 在二進(jìn)制中，一位二進(jìn)制數(shù)叫做一種碼元或一比特。比特（binarydigit-bit）意為二進(jìn)制數(shù)，被取為碼的度量單位。17一、碼與碼的產(chǎn)生測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生2、隨機(jī)噪聲碼：碼是用以體現(xiàn)某種信息的二進(jìn)制數(shù)的集合,是一組二進(jìn)制的數(shù)碼序列。這一序列，又能夠體現(xiàn)成以0和1為幅度的時(shí)間函數(shù)。假設(shè)，一組碼序列u（t），對(duì)某一時(shí)刻來說，碼元是0或1完全是隨機(jī)的，但其出現(xiàn)的概率均為1/2。這種碼元幅度的取值完全無規(guī)律的碼序列，一般稱為隨機(jī)碼序列，也叫做隨機(jī)噪聲碼序列。 18一、碼與碼的產(chǎn)生測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生隨機(jī)碼是一種非周期性序列，無法復(fù)制。隨機(jī)碼的特征是其自有關(guān)性好，而自有關(guān)性的好壞，對(duì)于提升利用GPS衛(wèi)星碼測(cè)距的精度，是極其主要的。自有關(guān)性：一種信號(hào)和自己本身的不同步延的信號(hào)的相同程度

19一、碼與碼的產(chǎn)生測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生3、偽隨機(jī)噪聲碼及其產(chǎn)生：pseudorandomnoisecode,PRN雖然隨機(jī)碼具有良好的自有關(guān)特征，但因?yàn)樗且环N非周期性的序列，不服從任何編碼規(guī)則，所以實(shí)際上無法復(fù)制和利用。所以，為了實(shí)際的應(yīng)用，GPS采用了一種偽隨機(jī)噪聲碼，簡(jiǎn)稱偽隨機(jī)碼或偽碼。 20一、碼與碼的產(chǎn)生測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的主要特點(diǎn)是，不但具有類似隨機(jī)碼的良好自有關(guān)性，而且具有某種擬定的編碼規(guī)則。它是周期性的，能夠輕易地復(fù)制。 21一、碼與碼的產(chǎn)生測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生22三、GPS的測(cè)距碼測(cè)距碼信號(hào)>GPS的測(cè)距碼GPS衛(wèi)星采用的兩種測(cè)距碼，即C/A碼和P碼（或Y碼），均屬偽隨機(jī)碼。 但因其構(gòu)成的方式和規(guī)律更為復(fù)雜，故不詳細(xì)簡(jiǎn)介，僅了解其性質(zhì)、特點(diǎn)及作用。23三、GPS的測(cè)距碼測(cè)距碼信號(hào)>GPS的測(cè)距碼1、C/A碼：C/A碼是一種用于辨認(rèn)衛(wèi)星、測(cè)量距離和向民間顧客傳送導(dǎo)航電文的偽噪聲碼。特點(diǎn)： 碼長(zhǎng)很短，易于捕獲（一般C/A碼也稱為捕獲碼） 碼元寬度較大，精度較低（所以C/A碼也稱為粗碼）24三、GPS的測(cè)距碼測(cè)距碼信號(hào)>GPS的測(cè)距碼2、P碼：P碼是由兩個(gè)載波發(fā)送給GPS顧客的另一種偽噪聲碼，是美國(guó)軍方嚴(yán)格控制使用的保密軍用碼。特點(diǎn)： 保密性高，是GPS衛(wèi)星的軍用碼 碼長(zhǎng)很長(zhǎng)，難以捕獲 碼元寬度為C/A碼的1/10，可用于較精密的定位25三、GPS的測(cè)距碼測(cè)距碼信號(hào)>GPS的測(cè)距碼3、C/A碼和P碼的作用：為顧客傳送導(dǎo)航電文。用作測(cè)量GPS信號(hào)接受天線和GPS衛(wèi)星之間距離的測(cè)距信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)解算。用于辨認(rèn)來自不同GPS衛(wèi)星而同步到達(dá)GPS信號(hào)接受天線的GPS信號(hào)。26載波作用搭載其他調(diào)制信號(hào)測(cè)距測(cè)定多普勒頻移類型目前L1–頻率：154f0=1575.43MHz；波長(zhǎng)：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長(zhǎng)：24.42cm當(dāng)代化后增長(zhǎng)L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長(zhǎng)：25.48cm27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的頻率有利于減弱信號(hào)所受的電離層折射影響選擇兩個(gè)頻率能夠很好地消除信號(hào)的電離層折射延遲（電離層折射延遲與信號(hào)的頻率有關(guān)）28§3GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文29一、導(dǎo)航電文的定義導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的定義所謂導(dǎo)航電文，就是GPS衛(wèi)星向顧客播發(fā)的一組反應(yīng)衛(wèi)星在空間的運(yùn)營(yíng)軌道、衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)、電離層延遲修正參數(shù)及衛(wèi)星的工作狀態(tài)等信息的二進(jìn)制代碼，也稱數(shù)據(jù)碼（D碼）。導(dǎo)航電文是利用GPS進(jìn)行定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。30二、導(dǎo)航電文的構(gòu)造導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的構(gòu)造導(dǎo)航電文基本構(gòu)成（導(dǎo)航電文的內(nèi)容涉及5部分）：

遙測(cè)碼（TLW）轉(zhuǎn)換碼（HOW）第一數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊第三數(shù)據(jù)塊導(dǎo)航電文的格式是：主幀、子幀、字碼和頁(yè)碼。每主幀電文長(zhǎng)度為1500bit，播送速率為50bit/s，所以發(fā)播一幀電文需要30s時(shí)間。31四、導(dǎo)航電文的構(gòu)造導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的構(gòu)造1遙測(cè)碼 每個(gè)子幀的第一種字碼都是遙測(cè)碼，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。 2轉(zhuǎn)換碼 每個(gè)子幀的第二個(gè)字碼是轉(zhuǎn)換碼，它的主要作用是幫助顧客從捕獲的C/A碼轉(zhuǎn)換到P碼的捕獲。32四、導(dǎo)航電文的構(gòu)造導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的構(gòu)造3第一數(shù)據(jù)塊

第一子幀的第3~10個(gè)字碼為第一數(shù)據(jù)塊。它的主要內(nèi)容是：（1）標(biāo)識(shí)碼，指明載波L2的調(diào)制波類型(“10”表達(dá)C/A碼，“01”表達(dá)P(Y)碼)、星期序號(hào)(WN–GPS周)、衛(wèi)星的健康情況等；（2）數(shù)據(jù)齡期(AODC)；（3）衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)。 33四、導(dǎo)航電文的構(gòu)造導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的構(gòu)造4第二數(shù)據(jù)塊

第二和第三子幀共同構(gòu)成第二數(shù)據(jù)塊，它表達(dá)GPS衛(wèi)星的星歷。這是GPS定位中最有用的電文。 第2、3子幀的第3~10個(gè)字 星歷參數(shù)開普勒軌道根數(shù)（6個(gè)）軌道攝動(dòng)參數(shù)（9個(gè)） 星歷參照時(shí)刻toe 星歷齡期IODE34四、導(dǎo)航電文的構(gòu)造導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的構(gòu)造5第三數(shù)據(jù)塊

第4、5子幀的第3~10個(gè)字 內(nèi)容：全部衛(wèi)星歷書（概略星歷） 衛(wèi)星健康狀態(tài)GPS時(shí)間與UTC之間的關(guān)系的參數(shù)電離層改正參數(shù) 第三數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容每12.5分鐘反復(fù)一次35§4GPS接受機(jī)基本工作原理36一、GPS接受機(jī)及其分類GPS接受機(jī)>GPS接受機(jī)及其分類前面已經(jīng)簡(jiǎn)介過，GPS主要涉及空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站和顧客接受設(shè)備三大部分。在顧客接受設(shè)備中，接受機(jī)是顧客利用GPS進(jìn)行測(cè)量和導(dǎo)航的關(guān)鍵設(shè)備。

37一、GPS接受機(jī)及其分類GPS接受機(jī)>GPS接受機(jī)及其分類 GPS接受機(jī)是能夠接受、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的衛(wèi)星信號(hào)接受設(shè)備。 天線單元帶前置放大器接受天線接受單元信號(hào)通道存儲(chǔ)器微處理器輸入輸出設(shè)備電源38一、GPS接受機(jī)及其分類GPS接受機(jī)>GPS接受機(jī)及其分類GPS信號(hào)接受機(jī)能夠分為下列類型： 1.按用途分類 （1）測(cè)地型接受機(jī)：厘米級(jí)精度，測(cè)后數(shù)據(jù)處理 （2）導(dǎo)航型接受機(jī)：米級(jí)精度，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理 （3）授時(shí)型接受機(jī)：專用于時(shí)間測(cè)定和頻率控制39一、GPS接受機(jī)及其分類GPS接受機(jī)>GPS接受機(jī)及其分類GPS信號(hào)接受機(jī)能夠分為下列類型： 2.按所用載波頻率多少分類 （1）單頻接受機(jī)：僅使用第一載涉及其調(diào)制波 （2）雙頻接受機(jī)：同步使用兩個(gè)載涉及其調(diào)制波

40一、GPS接受機(jī)及其分類GPS接受機(jī)>GPS接受機(jī)及其分類GPS信號(hào)接受機(jī)能夠分為下列類型： 3.