第四章-GPS卫星信号分解.ppt

第四章GPS卫星信号 1 第四章GPS卫星信号与导航电文 本章学习目标熟悉卫星导航电文的内容 了解GPS卫星信号的作用 掌握GPS卫星信号码结构 掌握GPS卫星位置的计算步骤 熟悉GPS接收机的基本工作原理 了解GPS数据通讯与常用数据格式 第四章GPS卫星信号 2 4 1GPS卫星的导航电文4 2GPS卫星位置的计算4 3GPS卫星信号4 4GPS接收机基本工作原理4 5GPS数据通讯与数据格式 第四章GPS卫星信号 3 GPS卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的信号来测定测站坐标的 那么究竟什么是GPS卫星信号呢 GPS卫星信号的内容 第四章GPS卫星信号 4 4 1GPS卫星的导航电文 1 定义就是包含了有关卫星的星历 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码转换到P捕获码等导航信息的数据码 或D码 是用户用来定位和导航的数据基础 第四章GPS卫星信号 5 5 卫星导航电文包括卫星星历 时钟改正参数 电离层延迟改正参数 工作状态信息 以及由C A码转换到P码的的信息 GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础 电文以二进制码的形式发送 码率为每秒50比特 每个二进制码为20ms 电文按帧传送 每个主帧电文包含1500个二进制码元 周期为30秒 第四章GPS卫星信号 6 6 每个主帧又分为5个子帧 每个子帧都包含300个二进制码 6秒钟传完 第1 2 3子帧每30秒重复一次 内容每小时更新一次 第4 5子帧各有25个页面 其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得到更新 第四章GPS卫星信号 7 7 第四章GPS卫星信号 8 2 遥测码 遥测码 TLM TelemetryWord 位于各子帧的开头 作为捕获导航电文的前导 其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步的起点 使用户便于解释电文数据 同步码 遥测电文 连接码 奇偶检验码 第四章GPS卫星信号 9 9 每个子帧的第一个字为遥测字 TLM 用来表明卫星注入数据的状态 遥测字开头的8个比特可作为捕获导航信息的前导 其中所含的同步信号 为各子帧提供了一个同步的起点 使用户便于解调电文数据 随后的14个比特是遥测码的电文 其内容包括控制站注入数据时的状态 诊断信息和其他信息 以此指示用户是否选用该颗卫星 接下来是两个无信息意义的连接比特和6个奇偶校验比特 奇偶校验位用于发现并纠正个别错误 确保正确传输导航电文 第四章GPS卫星信号 10 3 转换码 转换码 HOW HandOverWord 紧接着各子帧开头的遥测字 主要是向用户提供用于捕获P码的Z计数 转换码表示从每星期日零时至星期六24时 P码子码X1的周期 1 5s 重复数 因此 知道Z计数 就知道观测时刻P码在周期中的准确位置 便能较快的捕获到P码 通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置 以便迅速地捕获P码 第四章GPS卫星信号 11 4 第一数据块 第1子帧的第3 10个字含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期 星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息 主要内容 1 标识码和时延差改正Tgd 第7字码的第17 24比特表示载波L1 L2的电离层时延差改正Tgd 当使用单频接收机时 用Tgd改正所观测的结果 以减小电离层效应影响提高定位精度 当采用双频接收机时 就不必要采用这个时延差改正 第四章GPS卫星信号 12 2 星期序号WN GPS周 3 星钟数据龄期AODC 4 星钟改正参数 a0 a1 a2 计算任意时刻t的钟改正数 4 第一数据块 内容 a0 a1 a2 分别表示该卫星的钟差 钟速及钟速的变化率 toc为第一数据块的参考时刻 tL是计算时钟参数所作测量的最后观测时间 第四章GPS卫星信号 13 5 第二数据块 第2和第3子帧共同构成第二数据块 它表示GPS卫星的星历 这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息 这是GPS定位中最有用的电文 第四章GPS卫星信号 14 6 第三数据块 第三数据块包括第4和第5两个子帧 其内容包括了所有GPS卫星的历书数据 第三数据块的作用 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的卫星 第三数据块的内容每12 5分钟重复一次 第四章GPS卫星信号 15 GPS卫星广播星历预报参数及其定义 第四章GPS卫星信号 16 4 2GPS卫星位置的计算 根据卫星电文所提供的轨道参数按一定公式计算 计算思路 1 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标 2 然后将上述坐标分别绕X轴旋转 i角 绕Z轴旋转 k角 求出卫星在地固系下的坐标 轨道平面坐标系 轨道参数 第四章GPS卫星信号 17 第四章GPS卫星信号 18 1 计算卫星运行的平均角速度 n 第四章GPS卫星信号 19 2 计算归化时间 首先对观测时间t 作卫星钟差改正 t t t 然后将观测时刻t归化到GPS时系 参考时刻 GPS时间系统 GPS卫星的时钟相对GPS时间系统存在着差值 需加以改正 这便是卫星时钟改正 第四章GPS卫星信号 20 3 计算t时刻卫星的平近点角4 计算偏近点角5 计算真近点角 电文中参考时刻的平近点角 第四章GPS卫星信号 21 6 计算升交距角 7 计算摄动改正项 是卫星电文中的近地点角距 升交距角摄动量 卫星矢径摄动量 轨道倾角摄动量 卫星与升交点的地心夹角 即真近点角与近地点角距之和 第四章GPS卫星信号 22 8 进行摄动改正 升交距角 卫星矢径 轨道倾角 9 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置 第四章GPS卫星信号 23 10 计算观测时刻升交点经度 观测时刻的升交点经度 升交点赤径与格林尼治视恒星时GAST之差 第四章GPS卫星信号 24 11 计算卫星在地固坐标系下的坐标 12 卫星在协议地球坐标系下的坐标 其中为地极瞬时坐标 第四章GPS卫星信号 25 25 第四章GPS卫星信号 26 4 3GPS卫星信号 GPS卫星信号包括测距码信号 即P码和C A码信号 导航电文 或称D码 即数据码信号 和载波信号 GPS卫星信号的产生 调制和解调都非常复杂 涉及到现代数字通讯理论和技术方面的若干高科技问题 作为GPS信号用户 虽然可以不去深入钻研这些问题 但了解其基本知识和概念 将有助于理解GPS卫星导航和定位测量的原理 因而显得十分必要 第四章GPS卫星信号 27 GPS卫星信号的内容 第四章GPS卫星信号 28 一 GPS卫星信号 第四章GPS卫星信号 29 1 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 第四章GPS卫星信号 30 2 GPS信号的组成 载波 L1 L2两个民用频率 测距码 C A码和P码 Y码 导航电文 数据码 D码 第四章GPS卫星信号 31 3 信号调制的原因 GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号其中C A码和P码的数码率分别为1 023Mbit s与10 23Mbit s D码 导航电文 又称为数据码 的数码率仅为50bit s GPS卫星离地面远达20000km 其电能又非常紧张 因此很难将上述数码率很低的信号传输到地面 解决这一难题的办法 就是另外发射一种高频信号 并将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上 构成一高频的已调波发射给地面 第四章GPS卫星信号 32 信号调制 补充 任何能量有限的信号都可以余弦波表示 用一个信号 调制信号 去控制另一个信号 载波信号 的某个参量 产生已调制信号 第四章GPS卫星信号 33 4 载波 作用搭载其它调制信号测距类型目前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 第四章GPS卫星信号 34 4 载波 特点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 第四章GPS卫星信号 35 二 GPS测距码 1 码 表达信息的二进制数及其组合 码元 一位二进制数叫一个码元 编码 用二进制数表示信息的过程 信息量 某种事物有2r种类型 可用r位二进制数表示 即含有r比特的信息量 信息的传输速度 单位时间内传输的比特数 码元宽度 传输一个码元所用时间 第四章GPS卫星信号 36 2 随机噪声码 定义 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 非周期性序列 自相关性好 无法复制 应用 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 第四章GPS卫星信号 37 随机码自相关性 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 将U t 平移k个码元 平移后与平移前两序列相同码元个数A 相异个数D 用R t 表示自相关系数 R t A D A D 自相关性好 原码与复制码对齐R t 1 不对齐 0 例子 自相关系数 1110100111010011101001110100R t 6 6 12 0 第四章GPS卫星信号 38 当平移的码元个数k 0时 两个结构相同的码序列其相应码元完全相同 这时D 0 而自相关函数R t 1 当k 0时 且假定码序列中的码元总数充分大 那么由于码序列的随机性 有A D 自相关函数R t 0 由此 根据自相关函数R t 的取值 即可确定两个随机噪声码序列是否已经 相关 或者通俗地讲 两个码序列的相应码元是否已完全 对齐 第四章GPS卫星信号 39 3伪随机噪声码 PseudoRandomNoise PRN 虽然随机码具有良好的自相关特性 但由于它是一种非周期性的码序列 没有确定的编码规则 所以实际上无法复制和利用 GPS采用了一种伪随机噪声码 PseudoRandomNoise PRN 简称伪随机码或伪码 这种码序列的主要特点是 不仅具有类似随机码的良好自相关特性 而且具有某种确定的编码规则 它是周期性的 可人工复制的码序列 第四章GPS卫星信号 40 3 伪随机噪声码 伪随机噪声码表面上看无规律 实际上有一定的规律和周期性 且可以复制 伪随机噪声码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 如 111100010011010111100010011010 第四章GPS卫星信号 41 码序列的示意图 第四章GPS卫星信号 42 GPS信号使用随机噪声码 当r足够大时 就有R t 0 所以伪随机噪声码与随机噪声码一样 具有良好的自相关性 又是一种结构确定 可以复制的周期性序列 用户接收机可方便地复制卫星所发射的伪随机噪声码信号 并通过和接收到的码信号比较 相关 精确测定信号的传播时延 进一步计算出某一时刻测站和卫星间的距离 第四章GPS卫星信号 43 卫星测距原理 卫星发射一个随机序列U t GPS接收机复制随机序列U t 由于信号传播时间延迟 R t 0 序列产生了平移 调整时间延迟 U t 与U t 完全相同 R t 1 测出卫星信号到达用户传播时间 确定卫星至观测站的距离 第四章GPS卫星信号 44 4 测距码 伪随机噪声码两种测距码 C A码 粗码 码速 1 023MHz 码元长度 293mP Y 码 精码 码速 10 23MHz 码元长度 29 3m 第四章GPS卫星信号 45 1 C A码 两个10级移位寄存器产生两个伪随机码G1 G2 特性 码长Nu 2 1 1023比特码元宽tu 1 f1 0 977752 s 相应距离为293 1m 周期Tu Nu tu 1ms数码率 1 023Mb s 10 第四章GPS卫星信号 46 C A码特性 C A码的码长很短 易于捕获 在GPS导航和定位中 为了捕获C A码以测定卫星信号传播的时延 通常需要对C A码逐个进行搜索 因为C A码总共只有1023个码元 所以若以每秒50码元的速度搜索 只需要约20 5s便可完成 由于C A码易于捕获 而且通过捕获的C A码所提供的信息 又可以方便地捕获P码 所以通常C A码也称为捕获码 C A码的码元宽度较大 相应的测距误差可达29 3 2 9m 由于其精度较低 所以C A码也称为粗码 第四章GPS卫星信号 47 由于每颗卫星的C A码都不一样 因此 我们经常用它们的PRN号来区分它们 C A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号 第四章GPS卫星信号 48 P码由两组各由两个12级反馈移位寄存器的电路发生 其基本原理与C A码相似 但其线路设计细节远比C A码复杂并且严格保密 每个移位寄存器产生的伪随机码的码长为 212 1 4095bit 特征钟频 10 23MHz 码元宽度 0 097752 s 相应长度29 3m 码元数N 码长 2 35 1014bit周期T 0 097752 s 2 35 1014 267天被调制在L1和L2上 2 P码 第四章GPS卫星信号 49 P码特性 P码一个整周期被分为38部分 其中1部分闲置 5部分给地面监控站使用 32部分分配给不同的卫星 每颗卫星所使用的P码不同部分 便都具有相同的码长和周期 但结构不同 P码的码长较长 无法采用C A码逐个进行搜索 一般都是先捕获C A码 然后根据导航电文中给出的有关信息 捕获P码 P码的码元宽度为C A码的1 10 若取码元的对齐精度仍为码元宽度的1 10 1 100 则由此引起的相应距离误差为0 29m 仅为C A码的1 10 所以P码定位精度高 故也称为精码 第四章GPS卫星信号 50 4 4GPS接收机基本工作原理 一 接收机测距的基本原理 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 复制码 接收码 第四章GPS卫星信号 51 1 数据接收 第四章GPS卫星信号 52 2 GPS接收机工作原理 GPS接收机工作流程 1 对天线接收到的信号进行捕获 2 跟踪卫星信号以保证连续测距 3 解调导航电文 进行定位解算 GPS导航接收机必须具备码的捕获 码的锁定与测距 电文解调和定位计算的功能 其中的计算功能是由接收机内的微处理器 CPU 和部分存储器及相关软件来完成的 第四章GPS卫星信号 53 2 GPS接收机工作原理 GPS接收机基本功能结构图 第四章GPS卫星信号 54 二 GPS接收机的分类 1 按接收机的用途分类可分为导航型接收机车载型 用于车辆导航定位 航海型 用于船舶导航定位 航空型 用于飞机导航定位 星载型 用于卫星的导航定位 测地型接收机授时型接收机 第四章GPS卫星信号 55 1 导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航 它可以实时给出载体的位置和速度 这类接收机一般采用C A码伪距测量 单点实时定位精度较低一般为 25m 有SA影响时为 100m 这类接收机价格便宜 应用广泛 4 4 1GPS接收机的分类 第四章GPS卫星信号 56 2 测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量 这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位 定位精度高 仪器结构复杂 价格较贵 3 授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时 常用于天文台及无线电通讯中时间同步 第四章GPS卫星信号 57 2 按接收机的载波频率分类 1 单频接收机单频接收机只能接收L1载波信号 测定载波相位观测值进行定位 由于不能有效消除电离层延迟影响 单频接收机只适用于短基线 15km 的精密定位 2 双频接收机双频接收机可以同时接收 载波信号 利用双频对电离层延迟的不一样 可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响 因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位 单频接收机 双频接收机 第四章GPS卫星信号 58 3 按接收机通道数分类GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号 为了分离接收到的不同卫星的信号 以实现对卫星信号的跟踪 处理和量测 具有这样功能的器件称为天线信号通道 根据接收机所具有的通道种类可分为 多通道接收机序贯通道接收机多路复用通道接收机 第四章GPS卫星信号 59 4 按接收机工作原理分类 码相关型接收机 码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值 平方型接收机 利用载波信号的平方技术去掉调制信号 来恢复完整的载波信号 通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差 测定伪距观测值 混合型接收机 综合上述两种接收机的优点 既可以得到码相位伪距 也可以得到载波相位观测值 第四章GPS卫星信号 60 三 GPS信号接收机组成 天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源 天线单元 接收单元 第四章GPS卫星信号 61 本章结构 GPS卫星信号 载波 测距码 导航电文 GPS接收机 接收 类型 组成 计算卫星位置 基本原理 第四章GPS卫星信号 62 4 5GPS数据通讯与数据格式 NMEA协议是为了在不同的GPS 全球定位系统 导航设备中建立统一的BTCM 海事无线电技术委员会 标准 由美国国家海洋电子协会 NMEA TheNationalMarineElectronicsAssociation 制定的一套通讯协议 GPS接收机根据NMEA 0183协议的标准规范 将位置 速度等信息通过串口传送到PC机 PDA等设备 输出采用ASCII码 其串行通信的参数为 波特率 4800bps 数据位 8bit 开始位 1bit 停止位 1bit 无奇偶校验 GPS通讯协议NMEA介绍 第四章GPS卫星信号 63 NMEA 0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议 也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议 大多数常见的GPS接收机 GPS数据处理软件 导航软件都遵守或者至少兼容这个协议 NMEA 0183协议定义的语句非常多 但是常用的或者说兼容性最广的语句只有 GPGGA GPGSA GPGSV GPRMC GPVTG GPGLL等 下面给出这些常用NMEA 0183语句的字段定义解释 第四章GPS卫星信号 64 第四章GPS卫星信号 65 GPGGA例 GPGGA 092204 999 4250 5589 S 14718 5084 E 1 04 24 4 19 7 M 0000 1F字段0 GPGGA 语句ID 表明该语句为GlobalPositioningSystemFixData GGA GPS定位信息字段1 UTC时间 hhmmss sss 时分秒格式字段2 纬度ddmm mmmm 度分格式 前导位数不足则补0 字段3 纬度N 北纬 或S 南纬 字段4 经度dddmm mmmm 度分格式 前导位数不足则补0 字段5 经度E 东经 或W 西经 字段6 GPS状态 0 未定位 1 非差分定位 2 差分定位 3 无效PPS 6 正在估算字段7 正在使用的卫星数量 00 12 前导位数不足则补0 字段8 HDOP水平精度因子 0 5 99 9 字段9 海拔高度 9999 9 99999 9 字段10 地球椭球面相对大地水准面的高度字段11 差分时间 从最近一次接收到差分信号开始的秒数 如果不是差分定位将为空 字段12 差分站ID号0000 1023 前导位数不足则补0 如果不是差分定位将为空 字段13 校验值 第四章GPS卫星信号 66 GPGSV例 GPGSV 3 1 10 20 78 331 45 01 59 235 47 22 41 069 13 32 252 45 70字段0 GPGSV 语句ID 表明该语句为GPSSatellitesinView GSV 可见卫星信息字段1 本次GSV语句的总数目 1 3 字段2 本条GSV语句是本次GSV语句的第几条 1 3 字段3 当前可见卫星总数 00 12 前导位数不足则补0 字段4 PRN码 伪随机噪声码 01 32 前导位数不足则补0 字段5 卫星仰角 00 90 度 前导位数不足则补0 字段6 卫星方位角 00 359 度 前导位数不足则补0 字段7 信噪比 00 99 dbHz字段8 PRN码 伪随机噪声码 01 32 前导位数不足则补0 字段9 卫星仰角 00 90 度 前导位数不足则补0 字段10 卫星方位角 00 359 度 前导位数不足则补0 字段11 信噪比 00 99 dbHz字段12 PRN码 伪随机噪声码 01 32 前导位数不足则补0 字段13 卫星仰角 00 90 度 前导位数不足则补0 字段14 卫星方位角 00 359 度 前导位数不足则补0 字段15 信噪比 00 99 dbHz字段16 校验值 第四章GPS卫星信号 67 对于通常的情况 我们所关心的定位数据如经纬度 速度 时间等均可以从 GPRMC 帧中获取得到 接收机不断地向主机发送各种数据帧 但在处理时一般先通过对帧头的判断对 GPRMC 帧进行数据的提取处理 该帧的结构及各字段释义如下 第四章GPS卫星信号 68 GPRMC RecommendedMinimumSpecificGPS TRANSITData RMC 推荐定位信息 GPRMC hhUTC时间 hhmmss 时分秒 格式定位状态 A 有效定位 V 无效定位纬度ddmm mmmm 度分 格式 前导位数不足则补0 纬度半球N 北半球 或S 南半球 经度dddmm mmmm 度分 格式 前导位数不足则补0 经度半球E 东经 或W 西经 地面速率 000 0 999 9节 前面的0也将被