GPS教学课件：第2章 - GPS信号构成及其观测

1、内容提要,GPS信号的组成 GPS信号的产生 GPS信号的作用 GPS信号的调制与解调,GPS信号组成部分,GPS卫星信号由载波、测距码和导航电文三部分组成。 GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素： （1）适应多用户系统要求。 （2）满足高精度定位需要。 （3）满足实时定位要求。 （4）满足军事保密要求。,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： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm 现代化后 L5 频率： 115f0 = 1176.45MHz；波长：25

2、.48cm,载波,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）,几个定义,码：表达不同信息的二进制数及其组合。 一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。 将各种信息通过量化，按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。 在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。,表达某种信息的一组二进制的数码序列。 码元是0或1完全是随机的，但出现的概率均为50。这种码元幅度的取值完全无

3、规律的码序列，称为随机码序列（或随机噪声码序列）。 特点：（1）非周期性序列，无法复制； （2）自相关性好。对提高GPS测距精度有利 码元可以表示为0、1为幅度的时间函数,随机噪声码,0,t,1,随机噪声码的自相关性,将随机序列u(t)平移k个码元，得到一个新的随机序列u(t)，如果两随机序列u(t)和u(t)所对应的码元中，相同的码元数（同为0或1）为Au，相异的码元数为Bu，则随机序列u(t)的自相关系数R(t)定义为: 平移的码元数k=0，说明两个结构相同的随机码序列，相应的码元相互对齐， Bu=0，自相关系数R(t)=1。 当k0时，由于码序列的随机性，当序列中码元数充分大时，则AuB

4、u，即自相关系数R(t) 0。 于是，根据码序列自相关系数的取值，可以判断两个随机码序列的相应码元是否对齐。,R(t) = (Au - Bu) / (Au + Bu),利用随机码的自相关性进行GPS测距,假设GPS卫星发射的是一个随机码序列u(t)，而GPS接收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列u(t)，则由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的u(t)与u(t)之间产生了平移，即相应的码元错开，而R(t) 0。如果通过一个时间延迟器来调整u(t)，使之与u(t)的码元相互完全对齐，即有R(t) =1。则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而准确测定站星

5、距离。,伪随机噪声码及其产生,GPS采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random NoicePRN）简称伪随机码或伪码。 特点： 具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。 伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。,GPS的测距码C/A码,GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。 C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码长Nu=210-1=1023比特，码元宽为tu=1/f1= 0.97752s,（ f1为基准频率f0的10分之1，1.023 MHz）,相应的距离为293.1m。周期为Tu= Nu/

6、tu= 1ms，数码率为1.023Mbit/s。 C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。 码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码,C/A码的生成,GPS的测距码-P码,P码采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。 码长Nu2.351014比特，码元宽为tu=1/f0=0.097752 s， 相应的距离为29.3m。周期为Tu= Nutu 267d，数码率为10.23Mbit/s。 实际应用时P码的周期被分成38部分，（每一部分为 7天，码长约6.19 101

7、2比特），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码具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。,导航电文,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。 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。,NAVIGA

8、TION MESSAGE,导航电文的格式,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。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当卫星注入新导航电文后才得以更新。,一帧导航电文的内容,一帧导航电文的内容,遥测字（TLMTelemetry WORD） 位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。 交接字（HOWHand Over Word） 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。

9、 数据块1：含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等信息 （1）卫星钟改正参数a0、a1、a2分别表示该卫星的钟差 、钟速和钟速变化率。任意时刻t的钟改正数为： t=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2,一帧导航电文的内容,（2）参考历元t0e为数据块1的基准时间，从GPS时星期六/星期日子夜零时起算，变化于0-604800s之间。 （3）数据龄期AODA表示基准时间t0e与最近一次更新星历的时间之差，主要用于评价钟改正数的可信程度。 （4）现时星期编号WN：表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。 数据块2：包含在2、3两个子帧

10、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。 数据块3：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，称为卫星历书。,GPS信号构成总结,GPS卫星的基准频率f0,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。,GPS信号的调制,模二和 运算规则 二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则,GPS信号的调制,二进制信号的相位调制 调相,GPS信号的调制,GPS信号的调制,GPS中的三种信号将按下图的线路进行调制，然后向全球发射。 卫

11、星信号的调制原理,GPS信号的解调,为进行载波相位测量，当用户接收到卫星发播的信号后，可通过多种解调技术来恢复载波相位。,码相关法 方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。 技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。 特点 限制：需要了解码的结构。 优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）,GPS信号的解调,平方解调技术：将接收到的卫星信号进行平方，由于处于1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。采用这种方法，可不必知道调制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同

12、时去掉了导航电文。,GPS接收机工作原理,GPS接收机基本功能结构图,测距码测距原理,距离测定的基本思路 信号（测距码）传播时间的测定,信号传播时间的测定,载波测距原理,载波测距原理,理想情况,实际情况,载波测距原理,观测值 整周计数 整周未知数（整周模糊度）,载波测距的特点,优点 精度高，测距精度可达0.1mm量级 难点 整周未知数问题 整周跳变问题,GPS信号的观测（伪距）,GPS is actually a timing system Receiver firmware correlates received signal with replica model Observed time

13、 delay c is “pseudorange” (a biased range),Received signal, driven by satellite clock Ts,Model signal, driven by receiver clock T,GPS Satelliteclock, Ts,Transmitted signal of known code (either C/A or P code),GPS Receiverclock Tr,P=c(Tr-Ts) Pseudorange,Antenna,GPS信号的观测（伪距）,GPS信号的观测（载波）,测量卫星发射的载波和接收机同样的载波之间的相位差，求得空中的距离。 观测值为小于一周的