(10)-3.5 卫星信号分类GNSS测量与数据处理

3.1卫星的无摄运动3.2卫星的受摄运动3.3GPS卫星星历3.4GPS卫星的坐标计算3.5载波与测距码3.6导航电文3.7卫星信号的调制第3章GPS卫星运动和卫星星历、信号1.卫星运动基础知识：开普勒定律2.无摄运动下卫星坐标计算3.广播星历下卫星坐标计算4.精密星历的插值方法5.GPS卫星信号分类GPS卫星信号分类基础知识1.载波信号2.测距码3.导航电文GPS卫星发射的三类信号载波信号（CarrierPhase）测距码(RangingCode)P码（或Y码）(Precisecode)C/A码(Coarse/Acquisitioncode)数据码（或D码）(NavigationMessage/DataMessage)§3.5GPS卫星信号GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP1码10.23MHz数据码50BPSP2码10.23MHz数据码50BPS15412010204600L2C码L5载波1176.45MHz115载波作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）类型L1：频率：1575.43MHz，波长：19.03cmL2：频率：1227.60MHz，波长：24.42cm增加L5：1176.45MHz，波长：25.48cm（115）（1）码的概念在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其组合，来表示各种信息表达不同信息的二进制数及其组合，称为码一位二进制数叫一个码元或一比特

(bit)在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s（2）随机噪声码假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码（或随机噪声码）是一种非周期性序列，无法复制自相关性好相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距精度，极其重要。GNSS测距码随机码的自相关性将随机序列u(t)平移k个码元，得到一个新的随机序列u

(t)，如果两随机序列u(t)和u

(t)所对应的码元中，相同的码元数（同为0或1）为Au，相异的码元数为Bu，则随机序列u(t)的自相关系数R(t)定义为：

R(t)=(Au

-Bu)/(Au+Bu)当平移的码元数k=0，说明两个结构相同的随机码序列，相应的码元相互对齐，Bu=0，自相关系数R(t)=1。当k0时，由于码序列的随机性，当序列中码元数充分大时，则AuBu，即自相关系数

R(t)0。根据码序列自相关系数的取值，可以判断两个随机码序列的相应码元是否对齐。GNSS测距码（3）伪随机噪声码及其产生尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用GPS采用了一种伪随机噪声码（PseudoRandomNoise——PRN）简称伪随机码或伪码。特点是：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有0或1两种状态。移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置1脉冲。移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置1脉冲的作用下而工作的。GNSS测距码GPS卫星所采用的两种测距码-C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合产生码长Nu=210-1=1023比特码元宽为tu=1/f1=0.97752s,（f1为基准频率f0的1/10，1.023MHz）相应的距离为293.05m周期为Tu=Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。1023个码元，以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为1/100，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码GNSS测距码GPS卫星所采用的C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。P码：P码产生的原理与C/A码相似，电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu2.351014比特码元宽tu=1/f0=0.097752s相应的距离29.3m。周期Tu=Nutu

267d数码率10.23Mbit/sGNSS测距码GPS卫星所采用的C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。P码：电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。相应的距离29.3m。周期Tu=Nutu

267dP码的周期长267天，实际应用时P码的周期被分成38部分，（每一部分为7天，码长约6.191012bit）其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。码分多址P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。GNSS测距码导航电文：是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码）。码速：50bps内容：广播星历（导航信息）卫星钟改正历书（概略星历）电离层信息卫星健康状况GPS导航电文1.导航电文及其格式导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特导航电文1.导航电文及其格式每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。主帧中1、2、3的内容每2小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特导航电文一帧导航电文的内容TLMHOW数据块—1时钟修正参数TLMHOW数据块—2星历表TLMHOW数据块—2星历表继续TLMHOW数据块—3卫星历书等TLMHOW数据块—3卫星历书等12345一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特遥测字（TLM—TelemetryWORD）位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。交接字（HOW—HandOverWord）紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时。数据块1：第一数据块位于第l子帧的第3-10字码,含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等信息。卫星钟改正参数a0、a1、a2分别表示该卫星的钟差、钟速和钟速变化率。任意时刻t的钟改正数为

t=a0+a1(t-t0c)+a2(t-t0c)2卫星钟参数的数据龄期AODC：表示基准时间t0C与最近一次更新星历的时间之差，主要用于评价钟改正数的可信程度。现时星期编号WN：表示从1980年1月6日UTC零点起算的GPS时星期数。参考历元t0e为数据块1的基准时间，从GPS时星期六/星期日子夜零时起算，变化于0-604800s之间。导航电文的内容数据块2：包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历。数据块3：包含在4、5两个子帧中，主要向用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星的历书。导航电文的内容GPS卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载波L1波长为19.03cm；L2波长为24.42cm；L5波长为25.48cm。在L1载波上，调制有C/A码、P1码（或Y1码）和数据码；在L2载波上，调制有L2C码、P2码（或Y2码）和数据码。