第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号

第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号 GPS测量原理及应用 4 1GPS卫星的导航电文 GPS卫星的导航电文 简称卫星电文又叫数据码 所谓导航电文 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码捕获码等导航信息的数据码 或D码 它分为预报星历 和精密星历 是用户用来定位和导航的数据基础 GPS测量原理及应用 它的基本单位是长1500bit的一个主帧 如图4 1所示 传输速率是50bit s 30秒钟传送完毕一个主帧 一个主帧包括5个子帧 第1 2 3子帧每30秒钟重复一次 内容每小时更新一次 第4 5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完 即第4 5子帧是12 5分钟播完一次 然后再重复之 其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新 4 1GPS卫星的导航电文 GPS测量原理及应用 导航电文的结构 GPS测量原理及应用 4 1 1遥测字 TLW 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 个同步的起点 使用户便于解释电文数据 4 1 2交接字 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 所谓Z计数是从每星期六 星期日子夜零时起算的时间计数 它表示下一子帧开始瞬间的GPS时 但为了实用方便 Z计数一般表示为从每星期六 星期日子夜零时开始发播的子帧数 因为每一子帧播送延续的时间为6秒 所以 下一子帧开始的瞬时即为6 Z 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 导航电文的结构 GPS测量原理及应用 导航电文的结构 4 1 3第一数据块 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 现对其中的主要内容介绍于下 1 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 2 数据龄期AODC第3字码的第23 和第24比特 以及第8字码的第1 8比特 均表示卫星时钟的数据龄期AODC GPS试验卫星的AODC只占8个比特 而GPS工作卫星却扩展到了10个比特 A0DC是时钟改正数的外推时间间隔 它向用户指明对卫星时钟改正数的置信度 且知AODC toc tl 4 1 式中 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 GPS测量原理及应用 导航电文的结构 3 星期序号WN 表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数 4 卫星时钟改正参数 a0 a1 a2 分别表示该卫星的钟差 钟速及钟速的变化率 当巳知这些参数后 便可按下式计算任意时刻t的钟改正数 t t a0十a1 t toc 十a2 t toc 2 4 2 4 1 4第二数据块包含在2 3两个子帧里 主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息 该数据块一般称为卫星星历 其主要包括的参数及符号如表 p41 3 3所列 数据块二提供了用户利用GPS实时导航和定位的基本数据 GPS测量原理及应用 导航电文的结构 4 1 4第二数据块包含第2和第3子帧 其内容表示GPS卫星的星历 这些数据为用户提供了有关计算卫星坐标位置的信息 描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类 如图4 2所示 GPS测量原理及应用 3 时间二参数 1 从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe 2 星历表的数据龄期AODE 有 AODE toe t1 式中tl为作预报星历测量的最后观测时间 因此AODE就是预报星历的外推时间长度 卫星的运行及其轨道的参数 1 开普勒六参数这6个参数为 e i0 0 M0 其含义同3 4 2 轨道摄动九参数这9个参数为 n Cuc Cus Crc Crs Cic Cis 其含义同3 4 表2 1导航电文中的参数 GPS测量原理及应用 4 1 4第二数据块 导航电文的结构 导航电文的结构 4 1 5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 1 第4子帧 1 第2 3 4 5 7 8 9 10页面提供第25 32颗卫星的历书 2 第17页面提供专用电文 第18页面给出电离层改正模型参数和UTC数据 3 第25页面提供所以卫星的型号 防电子对抗特征符和第25 32颗卫星的健康状况 4 第1 6 11 12 16 19 20 21 22 23 24页作备用 第13 14 15页为空闲页 GPS测量原理及应用 导航电文的结构 2 第5子帧 1 第1 24页面给出第1 24颗卫星的历书 2 第25页面给出第1 24颗卫星的健康状况和星期编号 在第三数据块中 第4和第5子帧的每个页面的第3字码 其开始的8个比特是识别字符 且分成两种形式 a 第1比特和第2比特为电文识别 DATAID b 第3比特 8比特为卫星识别 SVID 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 GPS测量原理及应用 4 2GPS卫星信号 在无线电通信技术中 为了有效地传播信息 都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上 此过程称为调制 然后载波携带着有用信号传送出去 到达用户接收机 GPS使用两种载波 L1载波 fL1 154 f0 1575 42MHz 波长 1 19 032cm L2载波 fL2 120 f0 1227 6MHz 波长 2 24 42cm 选择这两个载波的目的是 测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差 4 2 1概述1 两种载波 GPS测量原理及应用 4 2GPS卫星信号 2 测距码GPS卫星的测距码是用调相技术调制到载波上的 调制码幅值只取0或1 如果当码值取0时 对应的码状态取为1 那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制 这时 当载波和相应的码状态 1相乘时 其相位不变 而当与码状态 1相乘时 其相位改变180 所以当码值从0变1或从1变为0时 都将使载波相位改变180 这时的载波信号实现了调制码的相位调制 见图4 4a GPS测量原理及应用 电磁波基本参数周期T 频率f 速度v 波长 相位 及其相互关系 T 1 f T v 2 ft 码的概念 用来表达某种信息的二进制数的组合 可以表示成以0和1为幅度的时间的函数 4 2GPS卫星信号 3 数据码数据码即为4 1节中的导航电文 根据这一原理 GPS中的三种信号将按图4 4b的线路进行合成 然后向全球发射 形成今天随时都可以接收到的GPS信号 GPS测量原理及应用 4 2GPS卫星信号 从图上看出 卫星发射的所有信号分量都是由同一基本频率f0 A点 产生的 其中包括 载波L1 B点 L2 C点 粗测距码C A D点 精测距码 F点 和数据码 G点 经卫星发射天线 H点 发射出去 发射的信号分量包括 L1 C A J点 L1 P信号 K点 L2 P信号 L点 GPS测量原理及应用 4 2 2伪随机噪声码的产生及特性 伪随机码1 随机噪声码码是用以表达某种信息的二进制数的组合 是一组二进制的数码序列 而这一序列又可以表达成以0和1为幅度的时间的函数 假设一组码序列u t 对某一时刻来说 码元是0或1完全是随机的 但其出现的概率均为1 2 这种码元幅度的取值完全无规律的码序列 通常称为随机码序列 也叫做随机噪声码序列 它是一种非周期序列 无法复制 随机码的特性是其自相关性好 而自相关性的好坏 对于提高利用GPS卫星码信号测距的精度是极其重要的 GPS测量原理及应用 4 2GPS卫星信号 4 2 2伪随机噪声码的产生及特性 2 伪随机噪声码及其特性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序列 不服从任何编码规则 所以实际上无法复制和利用 因此 为了实际的应用 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 可以容易地复制 伪随机码的产生 多极反馈移位寄存器 的装置产生移位寄存器的控制脉冲有两个 钟脉冲和置 l 脉冲 特性 伪随机码既只有与随机码相类似的良好自相关性 又是一种结构确定 可以复制的周期性序列 这样 用户接收机便可容易地复制卫星所发射的伪随机码 以便通过接收码与复制码的比较 可准确地测定其间的时间延迟 注 模二相加 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 GPS测量原理及应用 4 2GPS卫星信号 表4 1四级反馈移位寄存器状态序列 GPS测量原理及应用 4 2 3C A码 1 产生方式C A码是伪随机操声码的中一种 用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码 它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的 两个移位寄存器于每星期六 日子夜零时 在置 1 脉冲作用下全处于1状态 同时在码率1 023MHz驱动下 序列G1 t 和G2 t G2 t 序列经过相位选择器 输入一个与G2 t 平移等价的m序列 然后与G1 t 模2相加 便得到C A码 GPS测量原理及应用 4 2GPS卫星信号 4 2 3C A码 2 C A码特点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 5秒便可达到目的 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GPS的P码 所以通常C A也称为捕获码 3 C A码精度C A码的码元宽度较大 假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1 10 1 100 则这时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 GPS测量原理及应用 4 2GPS卫星信号 4 2 4P码 1 产生方式P码是卫星的精测码 频率为10 23MHz 它是由两个伪随机码PN1 t 和PN2 t 的乘积得到的 2 P码精度由于P码的码元宽度为C A码的1 10 这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l 10 l 100 则由此引起的相应距离误差约为2 93 0 29m 仅为C A码的1 10 所以P码可用于较精密的导航和定位 故通常也称之为精码 3 P码特点根据美国国际部规定 P码是专为军用的 目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码 且价格昂贵 即使如此 美国国防部又宣布实施AS政策 即在P码上增加一个极度保密的W码 形成新的Y码 绝对禁止非特许用户应用 GPS测量原理及应用 4 2GPS卫星信号 作业 伪随机噪声码的产生及特性 GPS测量原理及应用 卫星运行的平均角速度 n n0 nGM 3 986005 1014m3 s2 n均从卫星导航电文中获得 4 3GPS卫星位置的计算 在用GPS信号进行导航定位时 为了解算用户在地心固定坐标系中的位置 需要联合使用接收机所测得的站星距离和卫星在同一坐标系中的坐标 后者是根据卫星电文所提供公式计算的 计算方法 1 计算卫星运行的平均角速度n GPS测量原理及应用 4 3GPS卫星位置的计算 2 对观测时刻t作卫星钟差改正 计算归化时间tk 计算值GPS卫星的轨道参数是相对于参考时间而言的 因此 某观测时刻t 归化到GPS时则为 t t t t a0 a1 t toc a2 t toc 2tk t toea0 a1 a2 toe均从卫星导航电文中获得式中tk称作相对于参考时刻toe的归化时间 但应计及一个星期 604800s 的开始或结束 亦即当tk 302400s时 则应减去604800s 当tk 302400s时 tk应加上604800s GPS测量原理及应用 4 3GPS卫星位置的计算 3 计算观测瞬间的卫星平近点角卫星电文巳给出参考时刻的平近点角M0 故知Mk M0 ntk4 计算偏近点角Ek根据卫星电文已给出的偏心率e和算得的Mk 可知 Ek Mk e sinEk Mk Ek 以弧度计 以上开普勒方程可用迭代法进行解算 即先令Ek Mk然后代入 因为GPS卫星轨道的偏心率e约为0 01左右 通常进行两次迭代计算便可求得偏近点角Ek 5 计算真近点角VkcosVk cosEk e 1 ecosEk sinVk sinEk 1 ecosEk GPS测量原理及应用 GPS测量原理及应用 中南大学 4 3GPS卫星位置的计算 6 计算升交距角 k k Vk 式中 为卫星电文给出的近地点角距 7 计算摄动改正项 u r i u CUCCOS 2 k CUSSIN 2 k r CRCCOS 2 k CRSSIN 2 k i CICCOS 2 k CISSIN 2 k 8 计算经过摄动改正的升交距角uk 卫星矢径rk 和轨道倾角ikuk k urk a 1 ecosEk r GPS测量原理及应用 4 3GPS卫星位置的计算 9 计算卫星在轨道平面上的位置在轨道平面直角坐标系 X轴指向升交点 中 卫星的位置是 xk rkcosukyk rksinuk10 计算观测时刻的升交点经度 k观测时刻的升交点经度 k为该时刻升交点赤经 春分点和升交点之间的角距 与格林尼治视恒星时GAST 春分点和格林尼治起始子午线之间的角距 之差为了根据上述预报的卫星星历参数 计算卫星在协议地球坐标系中的位置 应当知道卫星升交点在观测历元t的经度 如果取 为观测历元t的升交点赤经 GAST为观测历元t时春分点的格林尼治恒星时 则可以写出以下简单关系 k GAST 4 23 GPS测量原理及应用 0 toe的值可从卫星电文中获取 e 7 29211567 10 5rad s为地球自转的速率 oe tk 4 24 GAST GASTw et 4 25 由 4 13 式得 k 0 e tk etoe 4 27 4 3GPS卫星位置的计算 GPS测量原理及应用 GPS测量原理及应用 中南大学 4 3GPS卫星位置的计算 11 计算卫星在地心坐标系中空间直角坐标把卫星在轨道平面直角坐标系中的坐标进行旋转变换 可得出卫星在地心固定坐标系中的三维坐标 GPS测量原理及应用 12 卫星在协议地球坐标系中的坐标计算考虑极移的影响 卫星在协议地球坐标系中的坐标为 4 3GPS卫星位置的计算 GPS测量原理及应用 4 4GPS接收机基本工作原理 1 按接收机的用途分类可分为 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 单点实时定位精度较低 一般为 25m 有SA影响时为 100m 根据应用领域的不同 此类接收机可以进一步分为 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 由于飞机运行速度快 因此 在航空用的接收机要求能适应高速运动 星载型 用于卫星的导航定位 由于卫星的运动速度高达7公里 s以上 因此对接收机的要求更高 4 4 1GPS接收机的分类 GPS测量原理及应用 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 4 4 1GPS接收机的分类 GPS测量原理及应用 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千千米的精密定位 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 1 多通道接收机 2 序贯通道接收机 3 多路多用通道接收机 4 4 1GPS接收机的分类 GPS测量原理及应用 4 按接收机工作原理分类 4 4 1GPS接收机的分类 1 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 2 平方型接收机平方型接收机是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 3 混合型接收机这种仪器是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 4 干涉型接收机这种接收机是将GPS卫星作为射电源 采用干涉测量方法 测定两个测站间距离 GPS测量原理及应用 4 4 2GPS接收机的组成及工作原理 GPS接收机主要以下三部分组成 1 GPS接收机天线单元2 GPS接收机主机单元3 电源1 GPS接收机天线GPS接收机天线有下列几种类型 1 单板天线这种天线结构简单 体积较小 需要安装在一块基板上 属单频天线 2 四螺旋形天线四螺旋形天线是由四条金属管线绕制而成 底部有一块金属掏板 这种天线频带宽 全圆极化性能好 常用作导航型接收机天线 GPS测量原理及应用 4 锥形天线这种天线可以同进出在两个频率上工作 锥形天线的特点是增益好 但是由于其天线较高 并且在水平方向上不对称 天线相位中心与几何中心不完全一致 因此 在安置天线时要仔细定向并且要给于补偿 3 微带天线见图4 9 这种天线也称为贴片天线 微带天线的特点是高度低 重轻 结构简单并且坚固 易于制造 既可用于单频机 又可用于双频机 缺点是增益较低 目前大部分测地型天线都是微带天线 这种天线更适用于飞机 火箭等高速飞行物上 1 GPS接收机天线 GPS测量原理及应用 1 变频器及中频接收放大器经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱 为了得到稳定的高增益 并且使L频段的射频信号变成低频信号 必须采用变频器 2 信号通道信号通道是接收机的核心部分