李玉柏卫星导航与定位004-卫星导航信号和电文(第五版)ppt课件

第四讲：GPS卫星导航信号与系统GPS系统组成GPS系统的导航信号,.,第四章：GPS卫星导航信号与系统,4.1GPS卫星导航系统组成4.2卫星导航信号4.3卫星的测距码产生4.4卫星导航电文组成、含义和应用,.,1、GPS卫星导航系统组成回顾,GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分,.,1）GPS的空间部分,GPS的空间部分的组成GPS卫星星座设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：28颗,.,GPS的空间部分,GPS卫星星座6个轨道面，轨道倾角55；平均轨道高度20200km；周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）。,.,GPS的空间部分,GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。,.,GPS的空间部分,GPS卫星主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置,.,2）GPS的地面监控部分,地面监控部分（GroundSegment）组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统,.,GPS的地面监控部分,监测站（5个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。,.,GPS的地面监控部分,主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。,.,GPS的地面监控部分,注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）,.,3）GPS的用户部分,组成用户机、车载机接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备,.,2、GPS卫星信号结构,1）GPS卫星信号结构特点,GPS系统信号包含多种信号码流；所有信号码流都是基于原子钟严格同步；卫星利用双载波发射信号【GPS现代化后采用三载波频率发射】；,.,GPS卫星信号结构特点,系统为码分多址体制；GPS系统码中信息包含在一种电文码中，电文码D(t)包含星历等多种数据；GPS系统码中使用伪随机序列扩频码【又称为噪声码，因为它们具有与白噪声相似的形态】CDMA技术；扩频码分为用于精密测距的P码，和用于粗略测距的C/A码；P码、C/A码均是由不同的2个m序列伪码复合构成，且均具优良自相关性能；,.,GPS卫星信号结构特点,扩频码对导航电文扩频进行模二和运算规则可以用双极性表示：二进制信号1表示二进制0，-1表示二进制1，从而直接乘。,.,GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生如图：,2）GPS卫星信号结构,.,GPS卫星信号结构,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,.,GPS卫星信号结构,载波频率选择的因素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）。,.,现代化后的载波信号频谱,.,3）卫星信号的调制,采用正交2PSK调制IQ分别两路的二进制信号的相位调制：,调相PM,.,卫星信号的调制,GPS卫星信号的调制示意图,.,课堂练习,分别写出GPS系统L1和L2导航信号的表达式。,.,3、测距码,伪随机噪声码PRN码:对于某个时刻t而言，码元是0或1完全是随机的，但其出现的概率均为1/2。理论上伪随机噪声码是一种非周期序列，无法复制。但有良好的自相关性。三种测距码：粗码C/A码、精码P码以及Y码：粗码(C/A码)为主要民用导航测距码；Y码用于反欺骗模式启动时替代P码；精码(P码)，或者Y码主要是用于授权用户精确导航测距码。,.,1）C/A码的产生,C/A码是一个码周期长度为1ms、码率为1.023Mbps的Gold码（简称G码）。G码序列由码长为1023的两个线性序列G1和G2，进行模2和生成。,.,C/A码的产生,码长：比特。码元宽：(相应距离为293.1m)周期：数码率：,用C/A码测距在300km内无模糊度问题。C/A码的码长短，共1023个码元，易于捕获，称捕获码。,.,C/A码的产生,码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的10分之1，则相应的测距误差为29m。由于精度低，又称粗码。,.,2）P码的产生,P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由24级反馈移位寄存器产生的截短码。码长：比特；码元宽：，相应的距离为29.3m。周期为：，数码率为：10.23Mbit/s。,.,P码的产生,P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分成38部分，每一部分为7天，其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的捕获一般先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。P码的码元宽度为C/A码的1/10，码元对齐精度约为码元宽度的1/10，则相应的距离误差为2.9m，故P码称为精码。,.,P码的优点：码周期很长，不易破译，利于保密。每个卫星独用一个时区，可充分利用复合码自相关特性。可进行无模糊测距。P码的缺点：码很长，不易捕获，从而需利用C/A码进行捕获。C/A码与P码同步采用同一基准时钟，还在P码的每个历元时刻（初始时刻）使C/A码的两组移位寄存器全置1。采用统一时钟的优点还在于在捕获C/A码基础上便于捕获P码。,P码的优缺点,.,C/A码和P码的码相位分配和码序列初始段,.,C/A码和P码的码相位分配和码序列初始段,.,4、GPS卫星的导航电文D(t)（数据码）,1）导航电文及其格式导航电文是包含有关卫星的星历、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P码等导航信息的数据码（或D(t)）。50bps的导航数据D(t)先模2和到P(Y)和C/A码上，生成的比特序列，再调制L1和L2载波。对一个给定的卫星，P(Y)和C/A码在L1及L2上所用的都是同一个导航数据序列D(t)。,.,导航电文及其格式,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。完整的导航信息由25帧数据组成，全部播完要12.5min。其内容仅在地面注入站注人新的导航数据才更新。每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。,.,导航电文及其格式,导航电文及其格式,.,导航电文及其格式,导航电文及其格式为记载多达25颗卫星的信息，子帧4/5各含有25页，一共25页信息称为历书信息。子帧1/2/3和子帧4/5的每一页构成一个主帧，其中子帧1/2/3记载了该卫星的星历。主帧中1、2、3的内容每12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。,.,2）导航电文的内容,一帧导航电文的内容,.,导航电文的内容,（1）遥测字（TLMTelemetryWORD）位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导；包括固定的10001101+授权用户信息。（2）交接字（HOWHandOverWord）紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供Z记数，可以用于C/A引导捕获P码的。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GPS时。,.,导航电文的内容,.,导航电文的内容,GPS时间以协调世界时(UTC)作为参考。GPS零时定义在1980年1月5日晚上与1月6日凌晨之间的午夜。表述GPS时间的最大单位是一周，定义为604800S(7x24x3600)。GPS时间和UTC有所不同，因为GPS时间是一个连续时间标度，而UTC是要周期地进行整数跳秒修正。在每颗卫星中有一个以15S为单位的历元，叫Z计数，它提供了一个用于精确计算和传送时间的单位。Z计数有29位，包括两部分：19个最低有效位LSBs，称为周时间TOW，10个最高有效位MSBs表示周的数目。在卫星发射的实际数据中只有27个Z计数位。,.,导航电文的内容,其中：10位的周计数是子帧1中的第3个字。17位的周时间在每个子帧的HOW中。一周有604800S，TOW计数从0403199，因为6048001.5=403200。时间起点大约出现在周六夜晚与周日早晨之间的午夜，而午夜在UTC标准中以格林尼治子午线为参考，定义为0000时。经过几年后，零时间的起点和UTC时间0000时相差几秒。17位TOW计数的缩简形式包含整个一周，时间单位是6S，等于一个子帧时长。缩简TOW计数是从0100799。,.,课堂练习,利用导航电文，来计算当前接受信号的发射时间。,.,导航电文的内容,（3）数据块1子帧1的星钟参数：,.,子帧1的导航电文内容,含有卫星钟改正参数及形钟数据龄期IODC、星期的周数编号WN、电离层延迟改正TGD、和卫星工作状态等信息。,卫星信号发射时间计算:,卫星钟改正参数:,.,导航电文的内容,（4）数据块2：子帧2/3的星历参数包含在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。该数据一般称为卫星星历（广播星历）,.,子帧2的星历参数,.,子帧3的星历参数,.,子帧3的星历参数,具体应用：平均角速度升交距角等升交点经度摄动改正,.,导航电文的内容,（5）数据块3历书：包含在4、5两个子帧中，主要向用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星的历书，共25页。,.,导航电文的内容,子帧4：第25,710页包含25到32号为卫星的历书数据；第17也包含专用信息；第18包含电离层和协调世界时(UTC的参数信息；第25页尾防欺骗标记、32颗卫星布局、25到32号卫星健康状况；第1,6,11,12,16,1924页保留；第1315页尾备份页。子帧5：第124也为1到24号卫星的历书数据；第25页包含1到24号卫星的健康状况、历书参数和历书参考星期数。,.,导航电文的内容,说明1历书数据历书数据包括卫星星历定义的下列参数：,只不过不需要频繁更新，有较长生命周期。,说明2电离层参数电离层参数包括在子帧4的第18页，用于电离层实验估计，主要参数包括：,.,3）各个子帧数据格式和信息位置,子帧1的数据格式,.,各个子帧数据格式和信息位置,子帧2的数据格式,.,各个子帧数据格式和信息位置,子帧3的数据格式,.,各个子帧数据格式和信息位置,子帧5的1-24页数据格式,.,4）导航电文的编码和检错,每子帧或跨子帧的30bit的字（每帧10个字）均使下表中的汉明码校验算法：,.,附件：历书数据的使用,包含在导航电文的第四/五子帧中的历书数据又称为预报星历。预报星历是一组比广播星历的精度低的星历，用户通过它可以计算卫星的位置和分布状况。利用这些信息选择更有利的观测时段进行观测，同时也可以作为接收机搜星过程中可见星选择，多普勒频移提供信息。SVID:卫星的PRN号，范围为131H:Health卫星健康状况，零为信号可用，非零为信号不可用e:Eccentricity轨道偏心率,.,1）利用历书进行卫星位置预报,Toa:TimeofApplicability(s)历书的基准时间OrbitalInclination(rad):轨道倾角RateofRightAscen(r/s):升交点赤经变化率SQRT(A)(m1/2):轨道长半轴的平方根RightAscenatWeek(rad):升交点赤经ArgumentofPerigee(rad):近地点俯角MeanAnom(rad):平均近点角Af0(s):卫星时钟校正参数（钟差）Af1(s/s):卫星时钟校正参数（钟速）WN:weekGPS周数,.,利用历书进行卫星位置预报,卫星位置预测：计算平均角速度：,观测时刻t的卫星钟差改正：,计算观测时刻的平近点角Ms和偏近点角Es：,.,利用历书进行卫星位置预报,首先计算升交距角：,计算卫星的地心距离：,计算卫星在轨道坐标系中的坐标,计算观测时刻的真近点角fs：,.,利用历书进行卫星位置预报,首先计算摄动修正升交点的经度：,计算在协议天球坐标系中的空间直角坐标：,.,利用历书进行卫星位置预报,计算在协议地球坐标系中的空间直角坐标,.,2）利用卫星位置可粗略估计用户位置,用户位置求解通过增量的计算来迭代实现，而增量的计算可以利用最小二乘法直接求解：,.,3）卫星高度角及方位角的估计,将卫星位置在用户站心坐标系中表示为：,.,卫星高度角及方位角的估计,在实用中采用用户站心坐标的另外一种形式极坐标系（距离R，方位角A和高度角E）卫星高度角和方位角帮助选星策略的实施。,.,4）卫星位置预报与时钟修正,通过历书的卫星位置预测可以进一步精确卫星时钟的修