测量第四章信号

1、第四章第四章 GPS卫星信号卫星信号Slide 2引言引言 GPS信号概述信号概述GPS信号信号卫星向卫星向广大用户发送的用于广大用户发送的用于导航定位的调制波导航定位的调制波Slide 3信号的成分信号的成分u考虑三个方面：1、为了提供卫星的瞬时位置导航电文 数据码：D码2、为了保密通信，提高信号的抗干扰能力；以及不同的卫星的区分选择和精密测距伪随机码 测距码：C/A码，P码3、为了信号的传播将扩频后的编码脉冲对L波段的两个载波进行调制后发射 载波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ) Slide 4OutlineuGPS信号信号GPSGPS的导航电文的导航电文GPSGP

2、S的伪随机噪声码的伪随机噪声码GPSGPS载波信号载波信号uGPS信号的调制信号的调制uGPS信号接收机信号接收机Slide 5第一节第一节 导航电文导航电文u导航电文的概念导航电文的概念u导航电文的格式导航电文的格式u导航电文的内容导航电文的内容P34Slide 6一、导航电文一、导航电文u导航电文导航电文卫星通过无线电信号向地面发卫星通过无线电信号向地面发播的电文，是用户用来定位和导航的数据基础播的电文，是用户用来定位和导航的数据基础，即一组数据码。，即一组数据码。Slide 7二、导航电文的播发格式二、导航电文的播发格式Slide 8三、导航电文的播发内容三、导航电文的播发内容u卫星的星

3、历卫星的星历u卫星的工作状态卫星的工作状态u卫星的时钟改正卫星的时钟改正u电离层时延改正电离层时延改正uC/A码捕获码捕获P码码u其它卫星的星历其它卫星的星历Slide 9播发内容播发内容子桢号子桢号1个字桢个字桢6秒长，秒长，10个字，每个字个字，每个字30bit1桢桢30秒，秒，1500bitSlide 101 1、遥测码、遥测码 TLM-Telemetry wordTLM-Telemetry wordu遥测码每个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导第第18bit为同步码（10001001），为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解码第第922bit为遥测电文，包括地面监控系

4、统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息，以此指示用户是否选用该卫星。第第23、24bit无意义，第2530bit为奇偶检验码。Slide 112 2、转换码转换码 HOW-Hand over wordHOW-Hand over wordu转换码转换码向用户提供用于捕获P码的Z计数uZ Z计数计数它表示从每星期六/星期日午夜零时开始播发的D码的子桢数。知道Z计数，就知道观测时刻P码在周期中的准确位置，以此较快地捕获P码第117bit表示Z计数，第18bit表明卫星注入电文后是否发生滚动动量矩缺载现象。第19bit用于指示数据帧的时间是否与PN1(t)钟信号同步。第2022bit是子帧识别标志

5、。第23、24bit无意义。第2530bit为奇偶检验码。Slide 123 3、第一数据块第一数据块 第一子帧的第第一子帧的第3-103-10个字码为第一数据块。它的个字码为第一数据块。它的主要内容是：主要内容是：(1)(1)大气传播大气传播时延改正值时延改正值T Tgdgd；(2)(2)星期序号星期序号WNWN，GPSGPS星期数星期数; ;(3)(3)卫星卫星时钟改正时钟改正系数系数(4)(4)数据龄期数据龄期AODCAODC，时钟改正数的外推时间间隔时钟改正数的外推时间间隔；2210)()(ococsttattaatSlide 134 4、第二数据块、第二数据块 第二和第三子帧共同构成

6、第二数据块，它表示GPS卫星的星历。 (1)开普勒6参数 (2)轨道摄动9参数 (3)时间2参数 星历参考时刻 星历数据龄期Slide 145 5、第三数据块、第三数据块u第三数据块是由第第三数据块是由第4 4和第和第5 5两个子帧构成的两个子帧构成的，它提供，它提供GPSGPS卫星的历书数据卫星的历书数据。u当接收机捕获得某颗卫星后，利用第三数当接收机捕获得某颗卫星后，利用第三数据块提供其它卫星的概略星历、时钟改正、据块提供其它卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星工作状态等数据。码分地址和卫星工作状态等数据。u用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，而

7、且还可根据所在的位置，选择最佳星星，而且还可根据所在的位置，选择最佳星座，依据已知的卫星座，依据已知的卫星PRNPRN号进行设置，以快号进行设置，以快速捕获和定位速捕获和定位Slide 15四、用户接收到的导航文件四、用户接收到的导航文件uGPS接收机对导航电文进行解码，输出；接收机对导航电文进行解码，输出；u可以通过随机软件将输出的接收机文件转可以通过随机软件将输出的接收机文件转换成换成ASCIIASCII格式的通用格式的格式的通用格式的RINEX文件文件uReceiver Independent Exchange format (RINEX)

8、/igscb/data/format/rinex2.txtu文件名称格式：文件名称格式： 4-charDay of yearSession.yyn e.g. brdc0120.02nSlide 16RINEXRINEX标准标准 2 NAVIGATION DATA RINEX VERSION / TYPECCRINEXN V1.6.0 UX CDDIS 16-JAN-00 20:32 PGM / RUN BY / DATE IGS BROADCAST EPHEMERIS FILE COMMENT 0.2980D-07 0.2980D-07 -0.1192D-06 0.0000D+00 ION A

9、LPHA 0.1516D+06 -0.1638D+06 0.0000D+00 0.6554D+05 ION BETA 0.838190317154D-08 0.222044604925D-13 503808 1149 DELTA-UTC: A0,A1,T,W 13 LEAP SECONDS END OF HEADER 1 02 1 16 16 0 0.0 0.211737118661D-03 0.147792889038D-11 0.000000000000D+00 0.160000000000D+03-0.923125000000D+02 0.448090093322D-08-0.15000

10、5755213D+01 -0.460073351860D-05 0.528647471219D-02 0.406056642532D-05 0.515370207596D+04 0.316800000000D+06 0.614672899246D-07-0.423702392951D+00 0.162050127983D-06 0.967604434620D+00 0.303406250000D+03-0.172598812748D+01-0.818819821418D-08 -0.140720147273D-09 0.100000000000D+01 0.114900000000D+04 0

11、.000000000000D+00 0.280000000000D+01 0.000000000000D+00-0.325962901115D-08 0.160000000000D+03 0.309618000000D+06 0.400000000000D+01 0.000000000000D+00 0.000000000000D+00Slide 17四、卫星位置的计算（四、卫星位置的计算（4.34.3）)2cos()2sin()2cos()2sin()2cos()2sin(cos1coscoscos1sin1sinsin)(/)(2032kickisKkrckrsKkuckusKKkkKkk

12、kKKKkkKoekCCiCCrCCuVuEeeEVEeEeVEeMEtnMMtttnaMnaaKKKPPPPCTSkpSkkpkpSkkpkpSkkPkkPoeekekkkkkKkKkKZYXYXYXZYXiyZiyxYiyxXuryurxttrtIiirEearuuu11001sincoscossinsincoscossincos)()cos1 (00计算卫星运计算卫星运动的平均角动的平均角速度速度观测时刻与观测时刻与参考时刻之参考时刻之差差平近点角的平近点角的计算计算偏近点角的偏近点角的计算计算真近点角的真近点角的计算计算升交距角（升交距角（升交点升交点卫卫星）星）轨道参数的轨道参数的摄

13、动改正摄动改正轨道平面坐轨道平面坐标系上的坐标系上的坐标标卫星在瞬时卫星在瞬时地球坐标系地球坐标系的坐标的坐标升交点经度升交点经度升交距角、升交距角、地心向量、地心向量、轨道倾角轨道倾角P40Slide 18卫星位置卫星位置近地点近地点i卫星卫星yxz升交点升交点春分点春分点轨道轨道赤道赤道 sfs计算卫星运行计算卫星运行的平均角速度的平均角速度n开普勒参数表开普勒参数表示的卫星位置示的卫星位置卫星在轨道平面坐标卫星在轨道平面坐标系上的位置系上的位置地球坐标系的坐标地球坐标系的坐标协议地球坐标系协议地球坐标系Slide 19第二节第二节 GPS的信号的信号（.2）P37uGPS

14、信号信号GPSGPS的伪随机噪声码的伪随机噪声码测距测距GPSGPS载波信号载波信号uGPS信号的调制信号的调制Slide 20一、一、GPSGPS的测距码的测距码u什么是伪随机噪声码什么是伪随机噪声码u伪随机噪声码的产生伪随机噪声码的产生u伪随机噪声码测距伪随机噪声码测距uGPS的测距码的测距码Slide 211、伪随机噪声码、伪随机噪声码u伪随机噪声码伪随机噪声码PRN码码 Pseudo Random Noice Codeu什么是伪随机噪声码什么是伪随机噪声码以预先确定并可重复产生和复制，具有白噪声统计特性的二进制以预先确定并可重复产生和复制，具有白噪声统计特性的二进制码，有一定周期的，取

15、值码，有一定周期的，取值0或或1的二进制序列的二进制序列u为什么用它测距？为什么用它测距？仙农仙农“噪声通信理论噪声通信理论”：可实现低信噪比的接收，可实现码分多：可实现低信噪比的接收，可实现码分多址通信，具有良好的保密特性址通信，具有良好的保密特性Slide 222、伪随机噪声码的产生、伪随机噪声码的产生uGPS产生伪随机码的方式：产生伪随机码的方式： m序列发生器序列发生器 -多级线性移位反馈寄存器多级线性移位反馈寄存器模二相加模二相加a2a1 a0置置1脉冲脉冲钟脉冲钟脉冲 a3反馈序列反馈序列输出序列输出序列例：例：Slide 23M序列的特点：统计特性序列的特点：统计特性统计特性统计

16、特性u“1”出现的次数比出现的次数比“0”出现的次数出现的次数多一多一 “0” “1”u移位相加特性移位相加特性11212nnsrpmmm 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 Slide 24M序列的特点：相关特性序列的特点：相关特性PLmmmPTaaLdttxtxT121021)()(1)()(1u相关函数：描述两个序列的相似性程度相关函数：描述两个序列的相似性程度连续连续离散离散u通用计算方法通用计算方法PLDADADAR周期，总码元个数不同码元个数相同码元个数:PLDA 1 1 1 1 0 1 0 1 1

17、 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 Slide 25相关特性的应用相关特性的应用Slide 263、伪随机噪声码测距、伪随机噪声码测距u原理原理利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测值星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测值ReceiverSatelliteTime deferenceSlide 27GPS测距测距)(ta)(tat时刻时刻tc

18、 ttt +t时刻时刻)(ta)(ttaSlide 28GPS测距测距Slide 294、GPS的测距码的测距码GPS的测距码的测距码粗测码粗测码C/A码码精测码精测码P码码C/APSlide 30(1)、粗测码、粗测码uC/A码：由两个十级反馈移位寄存器产生码：由两个十级反馈移位寄存器产生uC/A码的特性码的特性 长度周期：长度周期： 码元长度：码元长度： 时间周期：时间周期： 频率：频率：sMbitfmsTmsfbitLP/023. 11255.293,98. 0/110230相当于uC/A码的特点码的特点 易于搜索和捕获；易于搜索和捕获； 码长约为码长约为300km 一个码长一个码长29

19、3m，测量（比对）精度测量（比对）精度1%10%Slide 31(2)、精测码、精测码uP码的特性码的特性 长度周期：长度周期： 码元长度：码元长度： 时间周期：时间周期： 频率：频率：sMbitfTmsfbitLP/23.105 .55459266325.29,098. 0/11035. 2014秒，实际截取七天周期分时天相当于uP码的特点码的特点 周期长，码率高，不易于捕获；周期长，码率高，不易于捕获； 易于保密，难于破译；易于保密，难于破译； AS政策政策: P+W=Y 一个码长一个码长29.3m，测量（比对）精度测量（比对）精度1%10%Slide 32思考与讨论思考与讨论u用测距码测

20、距，就像用一个与对应码用测距码测距，就像用一个与对应码长长度相等的尺子丈量卫地距离？长长度相等的尺子丈量卫地距离？u测量的精度与单个码元长度相关，就测量的精度与单个码元长度相关，就像尺子的最小刻度影响估读精度？像尺子的最小刻度影响估读精度？Slide 33二二 GPS的载波信号的载波信号电磁波的基本概电磁波的基本概念念GPS的载波信号的载波信号Slide 341、电磁波传播的基本概念、电磁波传播的基本概念电磁波是一种随时间t变化的正弦或余弦波。设电磁波初相角为0，角频率，振幅为Ae，则电磁波的数学表达式为 y=Aesin(t+ 0)0 t+0t0t1y=Aesin(t+ 0)Ae补充知识补充知

21、识tySlide 351）电磁波参数的关系）电磁波参数的关系 设电磁波的频率为f， 周期为T， 相位为， 当t=0时有初相位0， 角频率，有如下关系： =2f； f=1/T， =t/T+ 0Slide 362）电磁波的传播）电磁波的传播v假设电磁波在真空中的传播速度为cvac，则有 cvac= vacf= vac/Tv在卫星大地测量中，国际上当前采用的真空光速为： c=2.99782458108(m/s)。Slide 373）信号的折射）信号的折射v实际的电磁波传播是在大气介质中，若干大气层可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。v电磁波在大气中的传播速度可以用折射率n来表

22、示，n=c/v。折射率与大气的组成和结构密切相关，其实际值接近于1。Satellite OrbitIonosphereTroposphere5020020000kmkmkmSlide 382、GPS的载波信号的载波信号L1载波载波 频率：频率：1572.42MHZ 波长：波长：19cmL2载波载波 频率：频率：1227.6MHZ 波长：波长：24cmSlide 39三三 GPS信号的构成信号的构成信号的生成信号的生成信号的调制信号的调制信号的特点信号的特点P36Slide 401、信号的生成、信号的生成Slide 412、GPS信号的调制信号的调制X伪随机噪声码导航电文(50 Hz)X载波调制

23、调制调制调制二二级级调调制制Slide 42数据码和测距码的调制数据码和测距码的调制Slide 43码和载波的调制码和载波的调制The Carrier. combined withThe PRN code. produces theModulated carrier signal which is transmitted. demodulated.Slide 44GPS Signal Encoding)cos(22LB)cos(11LA)(tG)(tD)(tP)()(tDtG)()(tDtPP37Slide 45L1L1上调制的信号上调制的信号L1 Carrier Wave 1575.42MH

24、zC/A Code 1.023 MHzNavigation Message50HzPrecise Code 10.23 MHzSlide 46L2L2上调制的信号上调制的信号L2 Carrier Wave 1227.6MHzNavigation Message50 HzPrecise Code10.23 MHzSlide 47载波：载波：码：码：码：其中：L2)cos(L1)cos(D)(/C)(P)()cos()()()()sin()()cos()()()(221122211111LLLPLCLPBAtDAtGtPtDtPBtStGAtDtPAtSGPS信号结构信号结构Slide 483、信

25、号的特点、信号的特点u载波频率载波频率选用选用L频段的两个频率频段的两个频率，受，受电离层影响小，并可测定电离层延迟；电离层影响小，并可测定电离层延迟；u利用利用伪随机噪声码测距伪随机噪声码测距技术，具有良技术，具有良好的抗干扰性；好的抗干扰性；u采用采用二级调制技术二级调制技术，把发送低码率的，把发送低码率的D码转换成发送复合码，既节省了卫星码转换成发送复合码，既节省了卫星的电能，有增强抗干扰性和保密性；的电能，有增强抗干扰性和保密性；Slide 49第四节第四节 GPS接收机接收机uGPS接收机接收机接收接收GPS卫星发射的信号，卫星发射的信号，并进行处理和量测，以获取导航电文和必要并进行处理和量测，以获取导航电文和必要的观测量的观测量p43Slide 50一、接收机的基本工作原理一、接收机的基本工作原理Slide 51二、接收机的分类二、接收机的分类u根据接收机的工作原理根据接收机的工作原理u根据接收机信号通道的类型根据接收机信号通道的类型u根据接收机的卫星信号