GPS--卫星的导航电文解析.ppt

GPS测量原理及应用 四 主讲人 马福义 4 1GPS卫星的导航电文 4 2GPS卫星信号 4 3GPS卫星位置的计算 4 4GPS接收机基本工作原理 导航电文 导航电文 卫星电文 GPS卫星的导航电文 是用户用来定位和导航的数据基础 4 1GPS卫星的导航电文 导航电文包含有关卫星的星历 卫星工作状态 时钟改正 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 导航电文又称为数据码 或D码 导航电文 卫星电文 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 一个主帧 一个子帧 一个字码 卫星电文基本结构 主帧中1 2 3的内容每小时更新一次 4 5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新 一帧导航电文的内容 遥测码 TLM TelemetryWord 每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导转换码 HOW HandOverWord 每一子帧的第2个字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 第一数据块位于第1子帧的第3 10字码 它的主要内容包括 时延差改正Tgd 就是载波L1 L2的电离层时延差 2 数据龄期AODC 是时钟改正数的外推时间间隔 它指明卫星时钟改正数的置信度 3 星期序号WN 表示从1980年1月6日子夜零点 UTC 起算的星期数 即GPS星期数 4 卫星时钟改正 GPS时间和UTC时间之间存在的差值 第二数据块第二数据块包括第2和第3子帧 其内容表示GPS卫星的星历 描述卫星的运行及其轨道的参数 包括下列三类 1 开普勒六参数2 轨道摄动九参数3 时间二参数 参考时刻的平近点角 第三数据块 第三数据块包括第4和第5子帧 其内容包括了所有GPS卫星的历书数据 当接收机捕获到某颗GPS卫星后 根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历 时钟改正 卫星改正 卫星工作状态等数据 用户可以选择工作正常和位置适当的卫星 并且较快地捕获到所选择地卫星 GPS卫星信号组成 4 2GPS卫星信号 Carrier RangingCode Message GPS卫星信号的组成部分载波 Carrier L1L2测距码 RangingCode 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 Message 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 GPS卫星信号结构 GPS卫星的基准频率f0 由卫星上的原子钟直接产生频率为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 154 f0 1575 43MHz 波长 19 03cmL2 频率 120 f0 1227 60MHz 波长 24 42cm现代化后增加L5 频率 115 f0 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 测距码 作用测距性质为伪随机噪声码 PRN PseudoRandomNoise 不同的码 包括未对齐的同一组码 间的相关系数为0或1 n n为码元数 对齐的同一组码间的相关系数为1 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 测距码 测距码 类型目前C A码 Coarse AcquisitionCode 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 PreciseCode 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 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 测距码 4 3GPS卫星位置的计算 卫星在地固系下的坐标计算 计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角 计算过程 续 计算真近点角计算升交距角 未经改正的 计算卫星向径 计算过程 续 计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置 计算过程 续 计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标 4 4GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的分类 GPS接收机组成及工作原理 由于使用目的不同 GPS信号接收机也各有差异 GPS接收机的分类 按接收机用途划分 根据所接收的卫星信号频率划分 根据接收机信号通道类型划分 按工作原理划分 按接收机用途划分 导航型接收机 测地型接收机 授时型接收机 用于确定船舶 车辆 飞机等运载体的实时位置和速度 保障按预定路线航行或选择最佳路线 采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位 精度低 结构简单 价格便宜 应用广泛 导航型接收机 采用载波相位观测量进行相对定位 精度高 观测数据可测后处理或实时处理 RTK 需配备功能完善的数据处理软件 与导航型相比 结构复杂 价格昂贵 测地型接收机 主要用于天文台或地面监控站 进行时频同步测定 授时型接收机 MOTOROLA授时型GPS 根据所接收的卫星信号频率划分 单频接收机 L1 双频接收机 L1 L2 这种分法较为常见 只接收调制的L1信号 虽然可利用导航电文提供的参数 对观测量进行电离层影响修正 但由于修正模型尚不完善 精度较差 主要用于小于20km的短基线精密定位 单频接收机 L1 Smart 3100IS 9600北极星 GPS1210 同时接收L1 L2两种信号 利用双频技术 可消除或减弱电离层折射对观测量的影响 定位精度较高 双频接收机 L1 L2 Smart6100Is 华测X60 根据接收机信号通道类型划分 多通道接收机 序贯通道接收机 多路复用通道接收机 按工作原理划分 码相关型接收机 平方型接收机 混合型接收机 能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码 利用的是C A码或P码 条件是掌握测距码结构 也称有码接收机 利用载波信号的平方技术去掉调制码 获得载波相位测量所必需的载波信号 该机只利用卫星信号 无需解码 不必掌握测距码结构 称无码接收机 综合利用了码相关技术和平方技术的优点 同时获得码相位和精密载波相位观测量 目前广泛使用 GPS接收机组成及工作原理 GPS接收机主要由GPS接收机天线单元 GPS接收机主机单元和电源三部分组成 GPS接收机主机组成 GPS接收机天线 天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流 并经前置放大器进行频率变换 以便对信号进行跟踪 处理和量测 gps螺旋天线 船用gps天线 天线的基本要求 天线与前置放大器应密封为一体 保障在恶劣气象环境下正常工作 天线应呈全圆极化 要求天线的作用范围为整个上半球 天顶处不产生死角 保障能接收来自天空任何方向的卫星信号 天线必须采取适当的防护与屏蔽措施 例如加一块基板 尽可能地减弱信号的多路径效应 防止信号干扰 天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽量小 且保持稳定 GPS接收机天线基本类型 GPS接收机主机 1 变频器及中频放大器2 信号通道3 存储器4 微处理器5 显示器 1 变频器及中频放大器 经过GPS前置放大器的信号仍很微弱 为了得到稳定的高增益信号L频段射频信号降低为低频信号 2 信号通道 搜索卫星 牵引并跟踪卫星对广播电文数据信号进行解扩 解调出广播电文进行伪距测量 载波相位测量及多普勒频移测量 3 存储器 内存保存数据 存储自测软件等 4 微处理器 接收机工作状态自检 位置计算等 5 显示器 液晶显示屏 屏幕键盘等等 电源 内置电源一般采用锂电池 为RAM供电外置电源12V直流镉镍电池 GPS接收机工作原理 当GPS卫星在用户视界升起时 接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测