《GPS卫星信号》PPT课件

第三章GPS卫星及其信号,地理系张玉红,GPS卫星及其信号,第一节GPS卫星的发展,1.初期概念证实卫星Block2.初期的生产卫星Block3.升级的生产卫星BlockA4.补充卫星BlockR5.后续坚持卫星BlockF,GPS卫星及其信号,BLOCK:用于GPS系统的实验,称为GPS实验卫星。BLOCK:用于组成GPS系统的工作卫星星座。现在运行的卫星有:BLOCK、A和R型卫星。BLOCK:预计2010年前后将研制并发射试验卫星。,GPS卫星及其信号,Block小结：,GPS卫星及其信号,GPS卫星及其信号,第二节GPS卫星工作星座,GPS卫星及其信号,A,B,C,D,E,F,317,17,77,137,197,257,GPS卫星轨道位置平面投影图,160,120,80,40,0,320,280,240,200,GPS卫星及其信号,GPS卫星信号两种载波:L1载波、L2载波;两种测距码:C/A码、P码;导航电文:D码,第三节GPS卫星的信号,GPS卫星及其信号,在L1载波上调制有:C/A码、P码和导航电文(D码);在L2载波上调制有:P码和导航电文(D码);到2007年约有2/3的GPS卫星在L2载波上亦调制有C/A码!,GPS卫星及其信号,1.GPS卫星的伪随机测距码（1）码：码是一种表达信息的二进制数及其组合，是一组二进制的数码序列。码可以看作是以0和1为幅度的时间函数，用u(t)来表示。,t,1,-1,111101011000100100,信号波形,信号序列,GPS卫星及其信号,（2）伪随机噪声码：是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串，它具有类似随机码的良好相关特性和某种确定的编码规则，是可人工复制的码序列。PRN的产生：基础电路为移位寄存器。,模二相加的运算规则：1+1=0；0+1=1；1+0=1；0+0=0。,GPS卫星及其信号,四级反馈移位寄存器状态序列,GPS卫星及其信号,一般来说，一个r级移位寄存器所产生的m序列，在一个周期内其码元的最大个数Nu=2r1与此相应，这是m序列的最大周期为：Tu=(2r1)tu=Nutu式中，Nu也称为码长。,GPS卫星及其信号,（3）GPS的测距码信号测距码包括：C/A码：亦称粗码、明码和捕获码，其波长为293m；P码：亦称精码、保密码，其波长为29.3m；,GPS卫星及其信号,1）C/A码（Clear/AcquisitionCode）码长Nu=1023bit；码元宽度tu=0.97752us；相应长度293.1m；周期Tu=Nutu=1ms；数码率BPS=1.023Mbit/sC/A码的特点：1）易于捕获；2）精度较低。,GPS卫星及其信号,2）P码（PrecisionCode）码长Nu=2.35*1014bit；码元宽度tu=0.097752us；相应长度29.3m；周期Tu=Nutu=267天；数码率BPS=10.23Mbit/s,GPS卫星及其信号,对于两噪声码的相关性可表示为：相关系数：R=（AB）/（AB）；例如对于任意两个噪声码:X（t）：1010110001010n.Y（t）：1001011010110n.比较可知:A=6,B=7,n时A=Bn/2其相关系数R=（AB）/（AB）0,GPS卫星及其信号,若对于同一个噪声码:X（t）：1010110001010nX（t）：1010110001010n比较可知:A=n，B=0则R=（AB）/（AB）=1（MAX）。对于伪随机噪声码，只有其自身才具有相关性，即伪随机噪声码具有良好的自相关特性！,GPS卫星及其信号,如何利用其良好的自相关特性？,假设：卫星和测站接收机可以产生同一种噪声码(结构完全相同)。卫星：测距码U（t）；测站；跟踪码U（t）；在接收机处:因测距码U（t）须经过t时间的传播到达接收机,则测距码U（t）比跟踪码U（t）要延迟t的时间。,GPS卫星及其信号,测距码U（t）:1010110001010跟踪码U（t）:1010110001010现利用码相关器求两码相关系数:R=0再利用码延迟器将跟踪码U（t）延迟123的时间，若有：it则R=0直至：n=t即:测距码U（t）:1010110001010跟踪码U（t）:1010110001010才有R=1（MAX）此时便有：伪距=Ct（或=Cn）然而假设却无法成立,因为噪声码不能复制!为此必须要产生一种码既能复制又可以保持良好的自相关特性。,GPS卫星及其信号,2.GPS卫星的载波信号载波-L1载波(1575MHz)L2载波(1227MHz),GPS卫星及其信号,回顾:,第三章GPS卫星及其信号测距码(PRN码)-粗码(C/A码)精码(P码)载波-L1载波(1575MHz)L2载波(1227MHz)导航电文(D码)GPS信号的调制与解调,GPS卫星及其信号,3.GPS卫星的导航电文概念：GPS卫星的导航电文（简称卫星电文），主要包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转到捕获P码的信息，卫星电文以二进制码形式发给用户，故又称数据码或D码。基本构成：导航电文的基本单位叫“帧”。基本内容：遥测码；转换码；第一数据块；第二数据块；第三数据块。,GPS卫星及其信号,（1）遥测码（telemetryword,TLW）：每个子帧的第一个字码，主要作用是指明卫星注入数据的状态，共30bit。其中，1-8bit为同步码，识别电文内容的先兆，使用户易于解调导航电文；9-22bit为遥测电文，包括OCS注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息，指示用户是否选用该卫星；23-24bit为连接作用，无意义；25-30bit为奇偶检验码，用于发现并纠正个别错误，确保正确地传送导航电文。,GPS卫星及其信号,（2）转换码（handoverword,HOW）：每个子帧的第二个字码，帮助用户从获得的C/A码换到P码的捕获。其中，1-17bit为Z计数；18bit表示卫星注入电文后有否发生滚动动量矩卸截现象；19bit指示数据帧的时间是否与子码的钟信号同步；20-22bit为子帧识别标志；23-24bit无意义；25-30bit为P6。,GPS卫星及其信号,（3）第一数据块：第一子桢的第3-10字码。传输参数N：第3字码的13-16bit；指明该颗卫星可能达到的测距精度（URA），值为1-15。N与URA的关系,附：N=15时，URA6144m。,GPS卫星及其信号,电离层时延改正第7字码的17-24bit，表示L1-C/A码和L1-P码伪距测量的电离层时延改正。它采用Klobuchar电离层时延改正模型。星钟数据龄期AODC第3字码的23、24bit，及第8字码的1-8bit。卫星时钟改正,GPS卫星及其信号,（4）第二数据块：由第二、三子桢共同构成，表示GPS星历，是主要电文。开普勒6参数轨道摄动9参数时间2参数（5）第三数据块：由第4、5子桢构成。,GPS卫星及其信号,GPS星历，是一系列描述GPS卫星运动及其轨道的参数。它包括广播星历和后处理星历。1.广播星历：是由GPS卫星通过导航电文直接向用户播发的用于实时数据处理的预报星历，包括开普勒参数（6个）和必要的轨道摄动改正项参数（9个）、参考时刻及星历数据龄期共17个。2.后处理星历：是一种用于测后数据处理的GPS精密星历，是由第三者提供给用户的GPS星历。,GPS卫星及其信号,第四节GPS信号的调制和解调,GPS卫星及其信号,GPS信号的调制:X(t)=ACoS（t+)调制X(t)=ACoS（t+),GPS卫星及其信号,信号的解调(重建载波)X(t)=ACoS（t+)解调X(t)=ACoS（t+),GPS卫星及其信号,重建载波的方法:1)、码相关法:X(t)=ACoS（t+)调制X(t)=ACoS（t+)X(t)=ACoS（t+)再解调X(t)=ACoS（t+)码相关法的特点:方法简单可获得导航电文,但必须要掌握测距码的结构。,GPS卫星及其信号,2)、平方法(白噪声法):平方法的特点:不必知道测距码的结构,但去掉测距码的同时亦失去了导航电文。3)、互相关法(混合型接收机)利用上面二法的优点对信号进行解调,重新获得载波信号。,GPS卫星及其信号,第三章GPS卫星及其信号测距码(PRN码)-粗码(C/A码)精码(P码)载波-L1载波(1575MHz)L2载波(1227MHz)导航电文(D码)GPS信号的调制与解调,1.携带低频的测距码信号与导航电文.2.载波相位测量.,以GPS星历为主,用以确定卫星的位置,1.精确地测定GPS信号传播时间,进而确定站星距离.2.伪距测量,GPS卫星及其信号,微波波段的划分,GPS卫星及其信号,思考题,1GPS卫星可以发射几种载波？频率和波长