卫星运动及GPS卫星信号

1、三、卫星运动及GPS卫星信号3.5 GPS卫星星历 卫星星历是描述卫星运动轨道的信息描述卫星运动轨道的信息。 卫星星历包含某一时刻的卫星轨道参数（也叫轨道根数）及其变化率。 根据卫星星历，可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。（在GPS中就是如此） 精确的轨道信息是精密定位的基础。广东工业大学GPS定位技术与应用1三、卫星运动及GPS卫星信号GPS卫星星历 GPS卫星星历可以分为：预报星历（广播星历，broadcast ephemeris）；后处理星历（精密星历，precise ephemeris）。广东工业大学GPS定位技术与应用2三、卫星运动及GPS卫星信号3.5.1 预报星历 预报星历，

2、通过卫星发射的、含有轨道信息的导航电文传递给用户。 用户使用接收机接收到信号后，经过解码便可获得所需要的卫星星历。广东工业大学GPS定位技术与应用3三、卫星运动及GPS卫星信号3.5.1 预报星历 预报星历通常包括相对某一参考历元某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数： 开普勒轨道的6个参数； 反映摄动力影响的9个参数； 参考时刻； 星历数据龄期； 预报星历包含的参数是根据GPS监测站约一周的观测资料推算的，也称参考星历。广东工业大学GPS定位技术与应用4三、卫星运动及GPS卫星信号3.5.1 预报星历 预报星历（参考星历）只代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数，在摄动力的影响下，

3、卫星的实际轨道将偏离参考轨道。 偏离程度主要取决于：观测历元与参考历元的时间差。广东工业大学GPS定位技术与应用5三、卫星运动及GPS卫星信号3.5.1 预报星历 用轨道参数的摄动项对已知的卫星星历加以改正，可以外推出任意观测历元的卫星星历。 只要保证外推时间间隔不太长，可以保证卫星预报星历的精度。 地面的监控站时刻观测卫星的运行轨道；主控站每天更新卫星的参考星历，由注入站每天向卫星注入新的参考星历。广东工业大学GPS定位技术与应用6三、卫星运动及GPS卫星信号3.5.1 预报星历 GPS卫星发射的广播星历，每小时更新一次。 那么外推星历的时间间隔将不会超过0.5小时。 预报星历的精度一般为2

4、040m。广东工业大学GPS定位技术与应用7三、卫星运动及GPS卫星信号3.5.2 GPS卫星的后处理星历 预报星历包含外推误差，其精度不能满足某些需要精密定位服务的用户要求。 后处理星历，是根据地面跟踪站所获得的精密观测资料计算而得到的星历，是一种不包含外推误差不包含外推误差的实测星历。 可为用户提供观测时刻的精密卫星星历，精度可达米级，以后将达到分米级。广东工业大学GPS定位技术与应用8三、卫星运动及GPS卫星信号3.5.2 GPS卫星的后处理星历 后处理星历不是通过卫星广播的。 需要通过无线电、网络等通信方式向用户传递。 是有偿服务。广东工业大学GPS定位技术与应用9三、卫星运动及GPS

5、卫星信号3.6 GPS卫星的伪随机测距码3.6.1 概述 GPS卫星向广大用户发送的导航定位信号，是经过伪随机噪声码扩频扩频的调相信号。 导航信号采用L波段（22cm）做载波。L波段的优点： 减少拥挤，避免“撞车”。目前L波段的频率占用率较低。 适应扩频，传送宽带信号。在占用率较低的L波段，易于传送宽带信号。广东工业大学10GPS定位技术与应用三、卫星运动及GPS卫星信号 卫星高轨运行能获得较大的多普勒频移。载波频率越高、多普勒频移越大，有利于测量用户的行驶速度。 大气衰减小，有益于研制用户设备。大气对某些频率的电磁波产生谐振吸收。使用L波段避免了谐振吸收，有利于用低成本设备测量接收GPS信号

6、。广东工业大学GPS定位技术与应用11三、卫星运动及GPS卫星信号信号的扩频 GPS卫星采用扩频技术传送卫星导航电文。 扩频，是指将原定发送的低速率（约几十bps）的电文变换成发送高速率（几兆、几十兆bps）的由电文和伪随机噪声码组成的组合码。 通过香农信道容量定理说明扩频的优越性。广东工业大学GPS定位技术与应用12三、卫星运动及GPS卫星信号香农信道容量定理在高斯白噪声干扰条件下，通信系统信道容量： 其中B是通信带宽，S是信号功率，N是噪声功率。 要取得一定的信道容量C，在S/N较小时，可以通过增大带宽B实现。 例如，要求C=10.23Mbps，如果S/N=1.5，B=7.74MHz；如果

7、S/N=0.1，B=74.40MHz。 增大系统带宽，可以降低要求的信噪比。（抗干扰）广东工业大学GPS定位技术与应用132log1SCBN三、卫星运动及GPS卫星信号伪随机噪声码（pseudo-random noise code）的作用 对导航电文进行扩频； 节省卫星电能 抗干扰 保密 测距：测量卫星到地面用户的距离。广东工业大学GPS定位技术与应用14三、卫星运动及GPS卫星信号随机噪声码 用u(t)表示一组二进制码序列。 随机码序列：码元的幅值是完全随机的码序列，码元宽度为tu。 在t时刻，码元是0或1是随机的，但是出现的概率均为1/2。 是非周期的，无法复制。广东工业大学GPS定位技术

8、与应用15三、卫星运动及GPS卫星信号随机噪声码的自相关特性 具有良好的自相关特性。 自相关函数的定义广东工业大学GPS定位技术与应用161( )lim( ) ()2TaTTRu t u tdtT三、卫星运动及GPS卫星信号随机噪声码的自相关特性 前页的u(t)是指信号波形。如果要求二进制码序列的自相关系数，按以下做法。 当仅需要计算的时间差为码元时间的整数倍时，两个序列的相关系数可以这样计算 其中Su为两个序列码值相同的个数，Du为两个序列码值不同的个数。广东工业大学GPS定位技术与应用17( )aSuDuR tSuDu三、卫星运动及GPS卫星信号 举例：求序列x=1111000100110

9、10在=0、tu、2tu时的自相关系数解：一般，要比较两个序列a和b的对应码元的值是否相等，使用序列模2求和的方法。即两个序列模二求和得到新序列ab，新序列中“0”的个数等于两个序列码值相同的个数，“1”的个数等于两个序列码值不同的个数。那么模二求和的运算法则：11=0， 00=0， 10=1， 01=1广东工业大学GPS定位技术与应用1801( )0+1aR t的个数的个数的个数的个数三、卫星运动及GPS卫星信号 当=0时，自相关函数等于x和x的相关系数。因为xx=000000000000000，所以R(0)=1 当=tu时，自相关函数等于求下列序列的相关系数： 111 1000 1001

10、1010 011 1100 0100 1101 100 0100 1101 0111 所以R(tu)=(7-8)/(7+8)=-1/15 当=2tu时，自相关函数等于求下列序列的相关系数： 111 1000 1001 1010 101 1110 0010 0110 010 0110 1011 1100 所以R(2tu)=(7-8)/(7+8)=-1/15广东工业大学GPS定位技术与应用19三、卫星运动及GPS卫星信号随机噪声码的互相关特性 完全随机的噪声码的互相关函数为零。 即：两组随机生成的码，完全不相关。 因此，GPS接收机必须能够重新生成与GPS卫星发射相同的随机码，并且使两组随机码在时

11、间上对齐，才能成功接收到导航电文。广东工业大学GPS定位技术与应用20三、卫星运动及GPS卫星信号3.6.2 伪随机噪声码及其产生 20世纪40年代末期，信息论的奠基人香农指出，白噪声形式的信号是一种实现有效通讯的最佳信号。但是由于技术限制，当时未能实现香农的设想。 直到20世纪60年代中期，伪随机噪声编码技术的问世，噪声通信才获得了实际的应用，并随机扩展到雷达、导航等技术领域。广东工业大学GPS定位技术与应用21三、卫星运动及GPS卫星信号伪随机码的产生 伪随机码是使用移位寄存器产生的，这种移位寄存器叫做抽头式反馈移位寄存器（tapped feedback shift register） 产

12、生的伪随机码也称为m序列。广东工业大学GPS定位技术与应用22三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用23D1D2D3D4x0111110111100111000111000001000001001001111000011001011101011101001101111100反馈移位寄存器的特征多项式：f1(x)=1+x3+x4其中，x的上标（3,4）表示从（D3D4）抽头。三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用24D1D2D3D4x011111011100011000010100000100000100100111100001100101110101

13、0101001101111100特征多项式：f2(x)=1+x3+x4虽然特征多项式相同，但是输出序列的输出结构不同。三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用25D1D2D3D4x0111110111110111010111010011011011000011110011010000010000011100001100011100反馈移位寄存器的特征多项式：f3(x)=1+x1+x4反馈连接方式与前面的例子不同三、卫星运动及GPS卫星信号m序列的特点 r级移位寄存器产生的m序列的码元宽度等于时钟脉冲周期tu； 一个周期的m序列的最大码长度为Nu=2r-1，m序列的最大周期为

14、Tu=Nu*tu。 在一个m序列周期中，“1”的个数比“0”的个数多1，即“1”出现(2r-1)次，“0”出现(2r-1-1)次，具有平衡性。广东工业大学GPS定位技术与应用26三、卫星运动及GPS卫星信号m序列的特点 对一个周期的m序列，与自身的平移序列做模二和，其结果是一个结构不变的等价平移m序列。 与向后平移序列的模二和111 1010 1100 1000 011 1101 0110 0100100 0111 1010 1100 与向前平移序列的模二和111 1010 1100 1000 111 0101 1001 0001000 1111 0101 1001广东工业大学GPS定位技术与

15、应用27向后平移1位的m序列向后平移4位的m序列向前平移1位的m序列向后平移3位的m序列三、卫星运动及GPS卫星信号m序列的特点 m序列具有良好的相关特性。 m序列的自相关系数自相关系数是广东工业大学GPS定位技术与应用281,0, 1, 2,( )121ariTu iRiTu 三、卫星运动及GPS卫星信号m序列的特点 m序列的互相关系数互相关系数 要求序列a和b的互相关系数，先对它们求模二和，通过得到的新序列中”0”和”1”的个数求得。111 1000 1001 1010 111 1010 1100 1000000 0010 0101 0010所以Rc(t)=(11-4)/15=7/15广东

16、工业大学GPS定位技术与应用2901( )0+1cR t的个数的个数的个数的个数三、卫星运动及GPS卫星信号m序列的特点 总结：两个结构不相同的m序列，互相关系数总是小于1。 即使两个结构相同的m序列，如果两者之间存在时延，它们的互相关系数总是小于1。只有使它们的时延等于零（即码元“对齐”），自相关系数才等于1. 这是极为重要的特性，GPS信号接收机利用自相关系数为最大值的特性，捕获、跟踪和识别来自不同GPS卫星的伪噪声码，解释出传送的导航电文。广东工业大学GPS定位技术与应用30三、卫星运动及GPS卫星信号几种特殊的伪噪声码1、截短伪噪声码2、复合伪噪声码3、Gold组合码广东工业大学GPS

17、定位技术与应用31三、卫星运动及GPS卫星信号1、截短伪噪声码 在一个长度为Nu的m序列中，截取一部分码元组成长度周期为Nu的新序列（NuNu），该序列称为m序列的截短序列，也叫截短伪噪声码。 例如，为了获得一个长度Nu=11的新序列，可以从长度Nu=15的m序列中截除一个子序列，而获得该新序列。具体方法如下。广东工业大学GPS定位技术与应用32三、卫星运动及GPS卫星信号 具体方法是在线性移位寄存器中增加一个状态检测器状态检测器（0011），使其输出脉冲馈送到模二加法器。 当移位寄存器处于0011状态时，状态检测器输出1，这导致模二加法器的输出从0变成1，使一位寄存器从0011状态跃变到10

18、01状态。 当移位寄存器处于其它状态时，状态检测器输出0，这不会影响模二加法器的输出。广东工业大学GPS定位技术与应用33三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用34D1D2D3D4x0111110111100111000111000001000001001001111000011001011101011101001101111100一个周期输出从原来的111100010011010变成截短后的11110011010相当于“截除了”原序列的“1000”子序列三、卫星运动及GPS卫星信号2、复合伪噪声码 在实际应用中，往往需要长度周期很大的m序列。 通常采用两个或两个以上较短

19、的m序列（成为子码）构成一个较长的复合伪噪声码。 如果n个子码的周期分别为P1,P2,Pn，构成的复合码周期为 上式表明，复合码周期比子码周期长得多。广东工业大学GPS定位技术与应用351,niijiPPPP三、卫星运动及GPS卫星信号举例，如何获得复合码 用子码x=1110100和子码y=110构成复合码z 复合码的周期Pz=PxPy=21111010011101001110100 110110110110110110110001100101011111000010 方法：将x重复Pz/Px次，将y重复Pz/Py次，然后求模二和，可以得到复合码z。z=xy广东工业大学GPS定位技术与应用36

20、将x重复3次将y重复7次新的组合码三、卫星运动及GPS卫星信号复合码生成器广东工业大学GPS定位技术与应用37三、卫星运动及GPS卫星信号解码 涉及复合码的另一个使用问题是，从已知的复合码以及其中的一个子码，解译出另一个子码，即“解码”。 已知复合码z、一个子码y，求另一个子码x。zy=xy y=x 可见，即使机密隐藏在某一个子码中，可以通过“解码”求得该子码，从而破解隐藏的机密。广东工业大学GPS定位技术与应用38三、卫星运动及GPS卫星信号解码 001100101011111000010 110110110110110110110 111010011101001110100 方法：将已知的

21、子码y重复写Pz/Py次，与复合码的码元一一对齐，求出它们的模二和。可以知道待求子码x的周期为Pz/Py ，就可以知道模二和结果中包含Py个待求子码x，即在上述结果中包含3个周期的x。因此，x=1110100。广东工业大学GPS定位技术与应用39已知组合码z已知子码y求出的子码x三、卫星运动及GPS卫星信号3、Gold组合码 Gold码由两个周期和速率相同相同而码元结构不不同同的m序列组合而成。 例如，具有相同周期Nu=2r-1的两个m序列：x和y，由它们构成的Gold序列为G=xyj 其中yj为向左移动了j个码元的y序列。 因此，可以构成(xy), (xy1), (xy2),，连同x和y本身

22、，总共2r+1个序列，称为Gold序列族。广东工业大学GPS定位技术与应用40三、卫星运动及GPS卫星信号广东工业大学GPS定位技术与应用41三、卫星运动及GPS卫星信号Gold组合码的特点 Gold码的速率和周期与构成它的m序列相同 Gold码的互相关值为 Gold码的结构简单，调整方便，具有大量的可用码型，适宜于码分多址的大量用户需求。 10级线性移位寄存器只能产生60个独立的m序列。然而，两个10级线性移位寄存器却能产生1025个Gold码。GPS卫星采用Gold码作为粗捕获码。广东工业大学GPS定位技术与应用42122 1 1/1/2( )NuRNu三、卫星运动及GPS卫星信号3.6.

23、3 GPS的测距码信号（伪噪声码） GPS卫星向地面发射的测距码信号中，包含两种伪随机噪声码信号： C/A码（粗捕获码） P码（精确码）广东工业大学GPS定位技术与应用43三、卫星运动及GPS卫星信号1、C/A码 GPS卫星的C/A码是一种Gold码。 Gold码的周期和速率与构成它的m序列是一致的，但是，改变两个m序列之间的相位关系，可以组成一种新的Gold码。第j颗GPS卫星的C/A码为Gj(t)=G1(t)G2t+Nj(10tp) G1(t)和G2(t)表示构成C/A码的m序列；Nj表示第j颗卫星的相位偏差系数，便于识别、跟踪、捕获GPS卫星导航定位信号；tp是P码的码元宽度广东工业大学

24、GPS定位技术与应用44三、卫星运动及GPS卫星信号1、C/A码 不同的卫星，具有不同的C/A码，它们的码率均为1.023MHz，周期为1ms。C/A码由两个1023bit的m序列构成。 特征多项式：G1(x)=1+x3+x10G2(x)=1+x2+x3+x6 +x8+x9+x10广东工业大学GPS定位技术与应用45三、卫星运动及GPS卫星信号 G2的输出经过相位选择器，使不同的GPS卫星能有不同的C/A码。 相位选择的方法：改变G2的输出模二和。例如：对于PRN01卫星，采用第2、6级输出模二和。(C/A)PRN01=G1G22,6对于PRN02卫星，采用第3、7级输出的模二和。(C/A)PRN02=G1G23,7广东工业大学GPS定位技术与应用46三、卫星运动及GPS卫星信号C/A码的特点 C/A码码长较短，易于捕获。通过捕获