GPS卫星导航电文和卫星信号.ppt

第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号,4.1 GPS卫星的导航电文 4.2 GPS卫星信号 4.3 GPS卫星位置的计算 4.4 GPS接收机基本工作原理,4.1 GPS卫星（导航）电文,内容：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息。 数据码,4.2 GPS信号,4.2.1 概述 GPS信号的组成 GPS信号的产生 GPS信号的调制 4.2.2 伪随机噪声码的产生及特性 4.2.3 载波、C/A码、P码,4.2.2 码、随机噪声码和伪随机噪声码,码：表达信息的二进制数及其组合。 随机噪声码：每一时刻，码元是0或是1完全是随机的一组码序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。 特性：它是一种非周期序列，无法复制。但是，随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPS码信号测距就是利用了GPS测距码的良好的自相关性才获得成功。,自相关性,自相关性是指两个结构相同的码序列的相关程度，它由自相关函数描述。 自相关函数：, 1 1 1 0 1 1,伪随机噪声码(Pseudo Random Noise-PRN ),伪随机噪声码PRN的产生,伪随机噪声码PRN由多级反馈移位寄存器产生。这种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，并接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制。,4.2.1 GPS信号概述,GPS卫星信号（续）,GPS卫星信号的组成部分 载波（Carrier） L1 L2 电离层延迟误差 测距码（Ranging Code） C/A码（目前只被调制在L1上） P(Y)码（被分别调制在L1和L2上） 卫星（导航）电文（D码） GPS卫星信号的生成 关键设备 原子钟,GPS信号的产生,由卫星上的原子钟直接产生 基准频率为10.23MHz 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频,载波,作用 搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移 类型 目前 L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz； 波长：19.03cm L2 频率： 120f0 = 1227.60MHz； 波长：24.42cm 现代化后 增加L5 频率：115f0 = 1176.45MHz； 波长：25.48cm,卫星信号的调制,在数字通讯技术中，为了有效地传播信息，一般均将低频信号加载到高频的载波上，这时原低频信号称为调制信号，而加载信号后的载波就称为已调波。 GPS信号调制，是采用调相技术实现的。 调制定义：数据码和测距码组合码放到载波上，载波携带着有用信号传上去。 （频率变大） 组合码 P-D,C/A-D,卫星信号的调制,模二和 - 运算规则 - 二进制信号：“+1”表示二进制“0”， “-1”表示二进制“1”，则,信号序列 0 1 信号波形+1-1,卫星信号的调制,二进制信号的相位调制,调相PM,卫星信号的调制,GPS卫星信号的调制原理 AP、BP：调制在L1、L2上的P码振幅 AC：调制在L1上的C/A码振幅 为P码、数据码、C/A码的状态码 ：卫星编号,GPS卫星信号的调制与解调,、调制 调制就是在载波上加上信号码，方法是用调相技术将信号调制到载波上。 二进制码（电位） 1 (-1) 0(1) 载波相位 改变180 不变 2、解调 解调就是去掉二进制码，只留下载波。,4.2.3 载波,作用 搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移 类型 目前 L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz； 波长：19.03cm L2 频率： 120f0 = 1227.60MHz； 波长：24.42cm 现代化后 增加L5 频率：115f0 = 1176.45MHz； 波长：25.48cm,载波,特点 所选择的频率有利于测定多普勒频移 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关） 优点 减少拥挤，避免“撞车” 适应扩频，传送,载波,先将带有导航信息的编码脉冲D（t）调制到伪码（C/A，P码上）； 然后对L波段的载波L1，L2进行调制），L2只调P码，L1 C/A，P码,GPS卫星信号构成示意图,载波相位测量原理,载波精度,L1 频率：1575.42MHz。 波长：19.03cm。 测距精度：19.03cm/100=1.9mm。 L2 频率：1227.60MHz。 波长：24.42cm 测距精度：24.42cm/100=2.4mm。,4.2.3 GPS测距码,测距码类型,目前 C/A码（Coarse/Acquisition Code） 粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上 P（Y）码（Precise Code） 精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上 现代化后 在L2上调制C/A码 在L1和L2增加调制M码,码相关伪距测量原理,（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过t时的传播到达GPS接收机。 （2）接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。 （3）通过时延器使之延迟时间，对两码进相关比较。 （4）直至两码完全对齐，相关系数 R（t）=max=1，则该时间延迟即为传播时间t（=t）。 （5）距离=ct=c。,复制码 接收码 ,4.4 GPS接收机的组成及工作原理,GPS用户设备：主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。 工作原理: 1、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码； 2、接收码比复制码滞后一段时间； 3、时延器将复制码延后（向后移位），直到与接收码对齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时间。,GPS信号接收机,天线单元：将卫星信号微弱的电磁波转化为电流，并对信号电流进行放大和变频处理； 接收单元：对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪、处理和测量,天线单元,接收天线：把来自卫星的微弱能量转化为相应的电流量； 天线的几何中心与相位中心 几何中心 相位中心 相位中心偏差 天线相位中心的变化 与信号的高度角有关 与信号的方位角有关 相同类型的天线具有相同的相位中心特性 前置放大器：将信号电流予以放大，将高频信号变为中频信号（降低采样率，便于处理、捕获和跟踪）,接收单元,四部分： 信号通道单元 存储单元 计算和显示控制单元 电源,信号通道单元,信号通道：每个通道在某一刻只能跟踪一颗卫星，当某颗卫星被跟踪后，该卫星便占据这一通道直到信号失锁。 根据解调技术：平方型通道、码相位型通道和码相关型通道。 根据跟踪方式：多通道；序贯通道接收机；多路复用通道；,码相关型通道、平方型通道和码相位型通道,码相关型通道 优点：可以进行伪距和载波相位测量，信号质量好，可获取导航电文 缺点：要了解码的结构 平方型通道 优点：不需要了解码的结构 缺点：信号质量差，无法测定伪距，无法提取导航电文 码相位型通道 优点：不需要了解码的结构 缺点：精度低,序贯通道、多路复用通道和多通道,序贯通道 1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号 1个跟踪周期大于20ms 成本低，无通道间的延迟误差，无法提取导航电文，无法保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂 多路复用通道 1个通道跟踪多颗卫星/频率的信号 一个跟踪周期小于20ms 成本低，无通道间的延迟误差，可提取导航电文，可保持对载波的连续跟踪，控制软件复杂 多通道 1个通道跟踪1颗卫星/频率的信号 性能好 成本高、有通道间的延迟误差,存储单元：存储星历、伪距观测量和载波相位观测量及各种测站信息数据。 （内存还装多种软件：自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件。） 微处理器：开机对通道自检，测定、校正和存储时延值；根据跟踪环路输出的数据码解