GPS培训-20151104(1)剖析.ppt

GPS介绍 目录一 GPS简介二 GPS接收灵敏度三 GPS GLONASS BEIDOU GALILEO 2020 3 24 一 GPS概述1 1 GPS构架GPS是英文GlobalPositioningSystem 全球定位系统 的简称 包含了27颗能持续发送地理位置海拔高度和时间信号的卫星 24个正常使用 3个备用 这些卫星平均分布运行在六个轨道上 运行周期为12小时 一般来说 在地面上的GPS接收器能接收5 12个卫星信号 而为了获得地面上的定位坐标 GPS导航至少需要4个卫星信号 三个用来确定GPS接收器的纬度 经度和海拔高度 第四个则提供同步校正时间 全球定位系统由三部分构成 太空卫星部分 地面控制部分 使用者接收机部分 全球定位系统框架如下图所示 利用三个卫星可以得到GPS接收器的经度 纬度以及海拔高度的信息 但是用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步 所以除了用户的三维坐标x y z外 还要引进一个 t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数 然后用4个方程将这4个未知数解出来 所以如果想知道接收机所处的位置 至少要能接收到4个卫星的信号 2020 3 24 太空卫星部分 由24颗绕极使用卫星所组成 分成六个轨道 运行于约20200公里的高空 绕行地球一周约12小时 每个卫星均持续着发射载有卫星轨道数据及时间的无线电波 提供地球上的各种接收机来应用 地面管制部分 这是为了追踪及控制上述卫星运转 所设置的地面管制站 主要工作为负责修正与维护每个卫星能保持正常运转的各项参数数据 以确保每个卫星都能提供正确的讯息给使用者接收机来接收 使用者接收机 追踪所有的GPS卫星 并实时地计算出接收机所在位置的坐标 移动速度及时间 各种蓝牙GPS即属于此部份 2020 3 24 1 2 GPS信号结构 每颗卫星都发射一系列无线电信号 基准频率 0 两种载波 L1和L2 两种码信号 C A码和P码 一组导航电文 信息码 D码 如下图所示 GPS卫星发射的信号信息 C A码精度 C A码精度 Horizontal5 10mVertical7 20m P码精度 Horizontal2 4mVertical3 6m 2020 3 24 卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出 而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间 再将其乘以光速得到 由于大气层电离层的干扰这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离 而是伪距 PR 当GPS卫星正常工作时 会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码 简称伪码 发射导航信息 GPS系统使用的伪码一共有两种 分别是民用的C A码 粗捕获码 和军用的P码 精密码 C A码频率1 023MHz 重复周期一毫秒 码间距1微秒 码长1023bits 码 P码频率10 23MHz 码间距0 1微秒 码长2x1014bits 而Y码是在P码的基础上形成的 保密性能更佳 GPS卫星发射两种载波 L1 1575 42MHz 2x77x10 23MHz 波长L1 190mm L2 1227 60MHz 2x60 x10 23MHz 波长L2 244mm 导航信息传递速率 50bit s 卫星发射信号及调制后得到的信号如下图所示 卫星发射信号及调制后得到的信号 卫星星历 用于描述太空飞行体位置和速度的表达式的数据系统 卫星星历能精确计算 预测 描绘 跟踪卫星 飞行体的时间 位置 速度等运行状态 2020 3 24 手机接收的GPS信号为L1 1575 42MHz的民用信号 C A码经过调制后的信号如下图所示 C A码的调制过程 2020 3 24 P码的调制后的信号如下图所示 P码的调制过程 2020 3 24 P码和C A码经过调制后的信号叠加过程如图所示 P码和C A码各自经过调制后的信号的叠加信号 由仙农公式R B log2 1 SNR 可知 当信道中的信噪比下降时 可通过扩展频带宽度来保持信道容量不变 所以在GPS中 由伪随机码来调制数据码 通过扩展信号频谱来增强信号的抗干扰能力 所以GPS系统是一个扩频系统 GPS的信号频谱如下图所示 扩频优点 GPS在信号功率小于噪声功率时 系统也能正确解码 缺点就是需要更大的带宽 2020 3 24 GPS信号频谱 1 3 GPS卫星的导航电文 卫星中解调出来的数据码 导航电文是用户用来定位和导航的数据基础 它包含该卫星的星历 工作状况 时钟改正 电离层时延改正 大气折射改正以及由C A码捕获P码等导航信息 也是由卫星信号中解调出来的数据码D t 这些信息以50bit s的数据流调制在载频上 数据采用不归零制 NRZ 的二进制码 2020 3 24 接收机是卫星信号解调的硬件设备 它主要工作是重建载波 提取测距码信号和导航电文 信号解调的常用方式有两种 复制码技术和平方解调技术 复制码技术当接收机复制出的与卫星的测距码信号结构完全相同的复制码 在同步的条件下与接收到的卫星信号相乘 即可去掉信号中的分量 这时 恢复的载波依然还含有数据码信号分量 采用这种技术的条件是必须掌握测距码的结构 否则将不能产生复制码 平方解调技术将接收到的卫星信号进行平方 由于处于 1状态的调制码 经过平方后均变成 1 且 1不影响载波相位 所以信号经过平方后便达到解调目的 采用这种方法不需要知道测距码的结构 但该解调技术却去掉了测距码和导航电文 所以单独使用的时候不能导航 另外该技术将信号上的噪声平方 使得信噪比大大降低 平方解调技术一般用于L2信号解调 2020 3 24 二 GPS接收灵敏度GPS接收机的基带信号处理主要包括对GPS卫星的搜索 捕获 跟踪 解码等工作 目的是为了提取各观测量及导航电文数据 捕获到的GPS卫星信号经过解调 得到数据码 一旦得到数据码就进行校验 信息位经校验所得的结果同校验位相比较 若相同则表明接收信息正确 可以使用 若不相同则表明信息接收错误 要重新接收 2020 3 24 2 1 GPS接收机灵敏度分析对于GPS接收系统而言 灵敏度指标包括多个场景下的指标 分别为 跟踪灵敏度 捕获灵敏度 初始启动灵敏度 目前业界已经可以实现跟踪灵敏度在 160dBm以下的接收机 GPS接收机首先需要完成对卫星信号的捕获 完成捕获所需要的最低信号强度为捕获灵敏度 在捕获之后能够维持对卫星信号跟踪所需要的最低信号强度为跟踪灵敏度 为了实现定位 GPS接收机还需要解调GPS卫星发送的导航电文 相应的 解调导航电文所需要的最低信号强度为初始启动灵敏度 根据上述定义可知 跟踪灵敏度最高 捕获灵敏度次之 初始启动灵敏度最差 从系统级的观点来看 GPS接收机的灵敏度主要由两个方面决定 一是接收机前端整个信号通路的增益及噪声性能 二是基带部分的算法性能 其中 接收机前端决定了接收信号到达基带部分时的信噪比 而基带算法则决定了解调 捕获 跟踪过程所能容忍的最小信噪比 GPS信号是从距地面20000km的LEO LowEarthOrbit 低轨道卫星 卫星上发送到地面上来的 其L1频段 fL1 1575 42MHz 自由空间衰减为 2020 3 24 按照GPS系统设计指标 L1频段的C A码信号的发射EIRP EffectiveIsotropicRadiatedPower 有效通量密度 为P 478 63W 26 8dBw 若大气层衰减为A 2 0dB 则GPS系统L1频段C A码信号到达地面的强度为 Pc a P a f 26 8 2 0 182 4 157 6dB在实际场景中 由于卫星仰角的不同 以及受树木 建筑物等的遮挡 L1频段C A信号到达地面的强度会低于这个值 2 2 辅助GPS AGPS AGPS可以极大的减少首次定位 TTFF 的时间 使接收机可以识别功率电平更低的卫星 由基站提供辅助数据来帮助手机识别可见卫星 手机可以快速识别并计算自己的位置 TTFF可以从60秒缩短到10秒 有两种方法可以发送和接收辅助数据 一个是控制面 一个是IP数据信道 2020 3 24 2 3接收性能参数冷启动TTFF时间首次定位时间TTFF TimeToFirstFix 用于衡量接收机信号搜索过程的快慢程度 搜索过程 也称 信号捕获 包括两个范畴 一是所谓的C A码范畴 与卫星的PRN码复制相关 二是多普勒范畴与载波相关 在执行搜索过程中 针对冷启动的接收机 其PRN码的不确定性可以最多至1023个码片 chips 即GPSC A码的一个完整代码段的总数 的代码不确定性 以及约 11kHz的多普勒不确定性 一些接收机采用的是串行搜索过程 还有一些接收机采用并行 多相关器 过程 更快的设计采用的是匹配滤波器 MatchedFilter 或快速傅立叶变化 FFT 技术 最新的技术采用的是多种代码的混合复制技术 而非分立的代码 冷启动TTFF定义为接收机加电至其捕获第一个有效导航数据点之间的时间 但需满足如下条件 时间未知 当前历书 Almanac 和星历 ephemeris 未知 位置未知 2020 3 24 温启动TTFF时间时间已知 历书已知 无星历 或数据存在时间超过4个小时 位置距上次定位点100公里以内热启动TTFF时间时间已知 历书已知 星历已知 位置距上次定位点100公里以内捕获灵敏度捕获灵敏度是发生 第一次定位 时能够接收到的最低功率水平 该灵敏度的子集包括了在冷启动 温启动和热启动条件下的独立测量值 跟踪灵敏度所谓跟踪灵敏度就是接收机能够连续保持锁定所需要的最低功率水平 跟踪阈值与由接收机锁相环 PLL 跟踪环路中的误差源而导致的测试误差有着密切的关系 相位误差 动态应力误差 dynamicstresserror 和热噪声是主要的误差来源 将这些因素减至最小可以使接收机能够以更低的功率连续跟踪信号 在任何情况下 跟踪阈值应低于捕获敏感度 2020 3 24 重捕获时间重捕获时间是指接收机在丢失所有接收信号状态下 重新接收到信号到获得第一个有效导航数据点所需的时间 较快的重捕获时间对于车辆导航来说至关重要 设想一辆车从隧道中快速驶出 期间该车已失去所有的卫星信号 在驶出隧道后 马上就有一个路口 而驾驶者必须在此驶出道路 在这种情况下 导航系统需要迅速地恢复导航 以给出正确的 现在驶出 的指令 静态导航精度静态导航精度是接收机的定位位置相较于一个已知位置点的精度 该精度具备三个特点 可预测性 相对于一个已知 标定的位置点 接收机解算的位置与之比较应处于该精度范围内 要求两者基于相同的大地坐标系 geodeticdatum 可重复性 在该静态导航精度范围内 用户可以返回到此前用同一接收机测知的某坐标点 相对性 意味着一个用户测得的位置与另一用户在同一时间使用相同接收机测得位置都处于