GPS卫星信号构成与传播.ppt

GPS定位的基本观测量是观测站（接收机天线）到GPS卫星的 距离（时间）。GPS观测更象一种距离测量 距离测量分为 几何量距：直接对被测距离进行量测 物理量距：不直接测定被测距离，而测量与被测距离有 关的某些物理量，间接测量待测距离。如电磁波测距 GPS测距方式与常规电磁波测距相似，属于物理量距 第四章 GPS卫星信号的构成与传播 主要内容： 4.1 电磁波测距原理 4.2 GPS的测距码信号 4.3 GPS信号传播误差 4.4 GPS卫星的导航电文 电磁波测距：利用电磁波反射原理测量距离 20世纪80年代后，电磁波测距技术以高精度、高效率、低成本 等优点，逐渐取代传统测距手段，成为当前主流测距技术 电磁波测距技术种类较多，按不同的方式可分成不同的类 按载波种类：单载波、双载波和多载波 按信号调制类型：微波和光波调制 按测程长短： 短程（=3km）、中程（315km）和远程（=15km 按观测方式分 脉冲测时、测相（相位法）、测频、频分多路测相、多 谱勒计数等 41 电磁波测距的原理 脉冲测距基本原理：测距仪的脉冲发生器发射的光脉冲以调幅 方式调制在光波上，经调制后的光脉冲分成两个部分，一部分 直接进入接收光学系统，经由光电元件转化为电脉冲，作为参 考脉冲（也称主波脉冲）；另一部分发射后经被测目标反射后 进入接收光学系统，再由光电元件转化为电脉冲，成为反射脉 冲（也叫回波脉冲） 411 脉冲法测距 只要测定反射脉冲 和参考脉冲之间的时 间差t就可确定到 反射目标之间的距离 脉 冲 法 测 距 如何确定t？ 时标脉冲：测距仪的时标震荡器产生的稳定频率的电脉冲， 又称钟脉冲 测距之前，门电路是关闭的，时标脉冲不能通过门电路进入 脉冲计数器。测距时，光脉冲发射的一瞬间，主波脉冲把门 电路“打开“，时标脉冲通过门电路进入脉冲计数器，脉冲计 数器开始计数 时差t的测定 当回波脉冲经由被测目标 反射回测距仪时，又把门 电路“关闭”，脉冲计数器 停止计数 利用t可求出待测距离为 其中d为被测距离，V为光速 假设这期间有n个脉冲进入脉冲计数器，每个脉冲的时间间 隔为T，则 脉冲式测距使用方便，作业效率高，但精度相对较低 20世纪80年代后，随着锁模激光等新技术的问世，脉冲式 测距仪精度大为提高，某些型号的测距仪精度已达毫米级 水平，与相位式测距仪基本相当 412 相位法测距 1、相位法测距的基本原理 2、确定N值的方法 1、相位法测距的基本原理 相位测距基本原理 由载波光源发出的光信号通过调制器进行调制，输出光强 随高频信号变化的调制光波，射向被测目标。与此同时， 高频信号发生器也向混频器A发出相同频率的参考信号， 调制光波经由被测目标反射后回到接收装置，接着又进入 混频器B，成为测距信号 由此，只要比较参考信号和 测距信号之间的相位移，就 能得出被测距离 如果把调制光在被测距离 上往返路程拉直，则有如 图所示的波形 由图知，调制光在被测距离往返的相位差为 (3-5) 假设调制信号波长为 ，则被测距离为 （4-4） （4-5） 在相位测距中， 可以直接测定，而N不能直接测量。这 样一来，距离值将无法唯一确定 为不足一周的波数式中N为相位差整周数（整周波数）， 由 知，如果调制信号足够，使 （称测尺长 度）超过待定距离d，即 ，则N=0。则 d 为 2 确定N值的方法 （4-6） 要唯一确定距离值，必须选择较长的测尺，但仪器的测相精 度有限（假设为10-3），如表所示，测距误差随着测尺长度 的增加而扩大，测程越长测距精度越低 为了解决测程和精度之间的矛盾，可选用一组测尺（两个或 两个以上不同波长的调制光）共同测距，以长测尺来确定大 数，以短测尺来保证精度。 如测量长度为767.68m，可选用两把测尺分别为： 和 用 得到不足1000m的尾数为767m，用 可得到不足 10m的尾数为7.68m，两者结合起来可得到767.68m。 既能保证测程足够长，又能保证相当的测距精度 相位式测距仪一般采用红外光作为载波，精度可达0.510mm 42 GPS的测距码信号 vGPS卫星发射的信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和 数据码（或D码）等多种信号分量 vP码和C/A码统称为测距码 vC/A码称粗码，P码称精码，皆属伪随机噪声码 vGPS卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到现代数字通 信理论和技术方面的复杂问题，GPS用户一般可以不去深入研 究，但了解其基本概念，对理解GPS定位原理仍是必要的 421 伪随机噪声码 422 C/A码和P码 421 伪随机噪声码 1 几个与码有关的基本概念 2 随机噪声码及其相关性 3 伪随机噪声码及其产生 1 几个与码有关的基本概念 码：现代数字通信中，为表达各种不同信息，广泛采用二进 制数及组合，这种表达不同信息的二进制数组合，称码 编码：将文字、图象、声音等信息，按照一定规则表示为二 进制数组合的这个过程 通过编码可将各种信息转变为相应的文本、栅格图象、矢量 图形、音频、视频等具有固定格式，便于存储、编辑、传播 和显示输出的数字信息集合。 比特：一位二进制数为一个比特或一个码元 比特率：在信息传播中，每秒传输的比特数，又称数码率 单位是bit/s或bps 表示 比特和比特率都是码的基本单位 随机噪声码的概念 码是一种二进制数组合的数字序列，它可表达为取值 为0或1的时间函数u(t) 设一组码序列u(t)，在任意时刻，码元为0或1完全是 随机的，概率均为1/2。 这种完全无规律的码序列就称为随机噪声码 随机噪声码的特点 不可复制、非周期性的码序列，具有良好的自相关性 相关性好坏，对提高GPS卫星码信号测距精度，极其重要 2 随机噪声码及其相关性 3、伪随机噪声码 随机噪声码具有良好的自相关性，但它是一种非周期序列， 不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用 GPS系统采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random Noise PRN）简称伪随机码或伪码 伪随机码的特点：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 GPS的测距码C/A码和P码均是伪随机噪声码 422 C/A码和P码 vC/A码码长短，共1023个码元，易于捕获，且通过C/A码提 供的信息容易捕获P码，C/A码通常也称捕获码 vC/A码码元宽度大，假设两序列码元对齐误差为码元宽度的 1/101/100，则相应的测距误差为29.32.93m。精度低， 又称粗码。现代科技的发展，使得测距分辨率大大提高 C/A码：是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码，在 频率为1.023MHz钟脉冲驱动下，由两个10级反馈移位寄存 器相组合而产生的。基本参数如下 v码长 码元 v码元周期 （相应距离为293.1m，码元宽度） v周期 v数码率=1.023Mbit/s P码产生的基本原理与C/A码相似，是在频率为10.23MHz钟脉 冲的驱动下，由两个12级移位寄存器相组合产生的 基本特征参数 P(Y)码 v码长码元 v码元周期(宽度) （相应距离为29.3m ） v周期v数码率=10.23Mbit/s P码频率更高，码元周期较小，假如码序列对齐误差为码元宽 度1/101/100，则相应的测距误差为2.930.29m，这个误差 为C/A码的1/10，故P码又称精码 P码码序列太长，实际中通常是先捕获C/A码，再根据导航电 文提供的信息来确认当前P码信号在整个码序列中的位置 GPS信号到达接收机天线之前要穿过若干大气层。由于大 气影响，将改变电磁波传播方向、速度和状态，这种现 象称大气折射。大气折射包括:电离层和对流层折射 此外，GPS信号在传播过程中还受到多路径效应的影响 卫星信号在传播过程中所产生的误差主要有： 电离层折射 对流层折射 多路径误差 43 GPS信号传播误差 v大气对流层对电磁波传播的折射效应称为对流层延迟。 v包括对流层和平流层的共同影响，但由于折射的80%都在对 流层，因此统称为对流层延迟 v目前降低对流层影响的方法有： v定位精度要求不高时，忽略不计 v采用对流层改正模型加以改正 v引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解 v观测量求差，利用相对定位中测站间对流层延迟的相关 性来削弱影响 一、对流层折射 v大气电离层对电磁波传播的折射效应称为电离层延迟 v取决于信号频率和传播路径上的电子总量 v削弱电离层影响的措施 利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不 同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对 观测量加以修正。其有效性不低于95% 利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由 导航电文提供的或其它合适的电离层模型对观测量进行 改正。目前模型改正的有效性约为75%，仍在完善中 利用同步观测值求差(差分改正)：当观测站间的距离较 近（小于20km）时，卫星信号到达不同观测站的路径相 近，通过同步求差，残差不超过10-6 二、电离层折射 三、多路径效应（Multipath） 多路径效应：也称多路径误差，是指接收机天线除直接收到 卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次 反射的卫星信号，两种信号迭加，将使观测量产生误差。这 种现象称为多路径效应 预防多路径效应的措施 多路径效应在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米 级；对测相伪距影响达厘米级；高反射环境中，影响显 著增大，且常导致卫星信号失锁和产生周跳 预防多路径效应的措施 安置接收机天线的环境应避开较强反射面，如水面 、平坦光滑的地面和建筑表面 选择造型适宜且屏蔽良好的天线，如扼流圈天线 适当延长观测时间，削弱周期性影响 有针对性改善接收机内部电路设计，减弱多路径效 应影响 44 GPS卫星的导航电文 导航电文（Navigation Message）又称为数据码（ Data Message）， 是用户用来定位和导航的数据基础 。它是一组包含卫星星历、卫星工作状态、系统时间 、时钟改正参数、轨道摄动改正、电离层折射参数等 信息的二进制码。是GPS实现定位所必须的信息 441 导航电文的格式 导航电文是具有一定规则格式的二进制码，按帧向用户广播 每帧电文有1500bit，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s 每帧电文包括5个子帧，每个子帧有300bit，播发时间为6s 子帧4、5各包含25页，记载多达25颗卫星，子帧1、2、3与子 帧4、5的每一页，均构成完整的一帧 子帧1、2、3的内容每小时更新，子帧4、5内容仅在卫星注入 新信息后才更新 导航电文全部播发完毕需要12.5min 每个子帧长6秒，含有10个字，每个字占30bit 123 45 12345678910 30s 6s 0.02s 0.6s 子帧4、5各含25页 一个子帧 一个主帧 一个字码 1500bit 300bit 30bit 导航电文的格式 442导航电文的基本内容 一帧导航电文的内容 TLWHOW数据块-时钟修正参数 TLWHOW数据块-星历表 TLWHOW数据块-星历表（续） TLWHOW数据块-卫星历书等 TLWHOW数据块-卫星历书等 子帧 1 一个子帧6s长，10个字，每字30比特 1帧 30s 1500 比特 子帧 3 子帧 4 子帧 5 子帧 2 交接字遥测字 45 GPS卫星信号的构成 vGPS卫星信号包含三种信号分量： v载波信号、测距码和数据码（导航电文） v信号分量都在同一个基本频率f0=10.23MHz控制下产生 基本频率 10.23MHz L1载波 1575.42MHz L2载