第四章 导航卫星信号20171122定稿版本

1、第四章 导航卫星信号 1、GPS卫星导航基本知识 2、GPS卫星信号 3、随机码与伪随机码 4、GPS测距码 5、GPS导航电文 6、GPS卫星星历1、GPS卫星导航基本知识GPS卫星的作用1.接收和存储由地面监控站发来的导航信息。2.接收并执行监控站的控制指令。3.卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作。4.通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准。5.向用户发送定位信息。6.在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。控制部分n主 控 站u负 责 收 集 由 监 控 站 传 来 的 卫 星 跟 踪 数 据 并 计 算 卫 星 星 历 和 时 间 参 数n5 个

2、 监 控 站u负 责 对 卫 星 伪 距 数 据 的 观 测，这 一 卫 星 跟 踪 监 测 网 用 于 确 定 卫 星 广 播 星 历 及 卫 星 钟 模 式u地 面 控 制 站u负 责 向 卫 星 注入信 号5个地面控制站55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs一个主控站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：三个注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)地面监控系统工作流程主控站注入站监测

3、站用户波段原始数据星历、时钟数据、监控数据L1L2波段GPS地面监控系统流程图 GPS卫星 GPS卫星接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段波段GPS地面监控系统的流程图地面监控系统的流程图地面监控系统执行的任务1.数据采集。2.编辑导航电文。3.诊断功能。4.调整卫星。主控站：主控站：监测站：监测站： 为主控站提供卫星的观测数据。注入站：注入站： 将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储系统。空间部分55n24 颗 卫 星n分 布 在 互 为 55 度

4、交 角 的 6 个 轨 道 平 面 上， 每 个 轨 道 面 上 布 有 4 颗 卫 星n卫 星 高 约 20200 Km12 小小 时时 绕绕 轨轨 道道 一一 周周 可可 见见 时时 间间 为为 4-5 小小 时时设计寿命为设计寿命为 7.5 年年卫卫 星星 种类种类 区区 分分 Block 1(一一 代代),Block 2, 2A(二二 代代), Block 2R，2 F(三三 代代)GPS卫星n24颗卫星(21+3)n6个轨道平面n55轨道倾角n20200km轨道高度(地面高度)n12小时(恒星时)轨道周期n5个多小时出现在地平线以上(每颗星)n目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗

5、GPS卫星结构双叶对日定向太阳能双叶对日定向太阳能电池帆板，全长电池帆板，全长5.33m，接受日光面，接受日光面积积7.2m2。多波束定向天线，这是一种由多波束定向天线，这是一种由12个单元构成个单元构成的条形波束螺旋天线阵，能发射的条形波束螺旋天线阵，能发射L1和和L2波段波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上在星体两端面上装有全向遥测遥装有全向遥测遥控天线，用于与控天线，用于与地面监控网通信。地面监控网通信。用户设备部分用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备（三角架、测尺（杆）、数据后处理软件）多数采用石英钟GPS接收机的任务和

6、基本结构任务：任务：捕获卫星信号、跟踪卫星运行，并对信号进行捕获卫星信号、跟踪卫星运行，并对信号进行变换、放大和处理，测出信号传播时间，译出变换、放大和处理，测出信号传播时间，译出导航电文，达到实时定位、导航的目的。导航电文，达到实时定位、导航的目的。基本结构基本结构天线单元：接收天线、前置放大器天线单元：接收天线、前置放大器接收单元：通道单元、计算和显示单元、存储接收单元：通道单元、计算和显示单元、存储单元、电源单元、电源2、GPS卫星信号 GPS卫星信号的产生基准频率基准频率10.23MHZ L1L11575.42MHZC/AC/A码码1.023MHZ P P码码 10 . 23MHZL2

7、L21227.60MHZP P码码10.23MHZ101541205050比特比特/S/S卫星信息电文卫星信息电文(D(D码码) ) 每颗卫星都发射一系列无线电信号每颗卫星都发射一系列无线电信号( (基准频率基准频率 ) ) 两种载波两种载波(L1(L1和和L2) L2) 两种码信号两种码信号(C/A(C/A码和码和P P码码) ) 一组导航电文一组导航电文( (信息码，信息码，D D码码) )GPSGPS卫星信号卫星信号GPSGPS卫星两个卫星两个L L波段的信号（波段的信号（L1L1、L2L2）1、GPS卫星所发射信号的频率，都要受到卫星上原子钟的控制，GPS卫星原子钟的基准频率为10.2

8、3MHZ,卫星利用频率综合器产生的载波频率与基准频率存在如下关系： f1=154f0; f2=120f0;2、每颗GPS卫星用两个L波段的信号（即L1和L2）作为载波，在卫星载波L1和L2上调制的信号成分并不完全相同，载波L1上调制有C/A码、P码和数据码，而载波L2上调制有P码和数据码 1、GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号，GPS卫星离地面20000多千米，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； 2、解决这一问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加载到这一高频信号上，构成一高频的已调波发射给地面。3、随机码与伪随机码 码，表

9、达信息的二进制数及其组合。码，表达信息的二进制数及其组合。（1 1）码的基本概念）码的基本概念 在现代数字化通讯中，广泛使用在现代数字化通讯中，广泛使用二进制数二进制数（即（即“0”和和“1”）及其组合表示各种信息，）及其组合表示各种信息，这些表达不同信息的这些表达不同信息的二进制数及其组合称为码二进制数及其组合称为码。 一位二进制数叫做一个一位二进制数叫做一个码元码元或或一比特一比特； 比特比特（bit）被取为码的度量单位；）被取为码的度量单位； 数码率数码率：在二进制数字化信息的传输中，每秒中传：在二进制数字化信息的传输中，每秒中传输的比特数，记为输的比特数，记为bit/s或或BPS。定义

10、定义：假设一组码序列：假设一组码序列u(t)u(t)，对某一时刻来说，对某一时刻来说，码元是码元是0 0或或1 1完全是随机的，但其出现的概率均完全是随机的，但其出现的概率均为为1/21/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为列，称为随机码序列随机码序列。1 1 10 0 0 01 10 01 1 1 1随机码序列随机码序列n随机码的随机码的自相关性自相关性 设将随机码序列设将随机码序列u(t)u(t)平移平移k k个码元个码元，而得到一，而得到一个新的随机码序列个新的随机码序列u u1 1(t)(t)。如果两随机序列所对应。如果两随机序列所对应的码

11、元中，相同的码元数（的码元中，相同的码元数（0 0或或1 1）为）为SuSu，相异的码，相异的码元数为元数为DuDu，则随机序列，则随机序列u(t)u(t)的自相关系数的自相关系数R(t)R(t)定义定义为：为：DuSuDuSutR)( 自相关函数是时间的函数，自相关函数是时间的函数，GPS通过调整自相关通过调整自相关函数值来计算函数值来计算 信号传播时间。信号传播时间。 随机码的特点：随机码的特点：非周期序列，无法复制。非周期序列，无法复制。DuSuDuSutR)(两种结构相同的码序列完全对齐时R（t）=1两种结构相同的码序列平移k个码元时，R（t）0n伪随机噪声码伪随机噪声码：看似一组杂乱

12、无章的随机噪声码，：看似一组杂乱无章的随机噪声码，其实是其实是按照一定规律编排起来按照一定规律编排起来的、的、可以复制可以复制的的周周期性期性的二进制序列，且的二进制序列，且具有类似于随机噪声码的具有类似于随机噪声码的自相关性。自相关性。n GPS采用了一种伪随机噪声码（采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random Noise-PRN)，简称伪随机码或伪码。，简称伪随机码或伪码。4、GPS测距码 GPS卫星向广大用户发送的导航定位信号，是经过伪随机噪声码扩频扩频的调相信号。 导航信号采用L波段（22cm）做载波。L波段的优点： 减少拥挤，避免“撞车”。目前L波段的频率占用率较低。 适应扩

13、频，传送宽带信号。在占用率较低的L波段，易于传送宽带信号。两种测距码信号：两种测距码信号：C/A码，码，p码码均为均为伪随机噪声码伪随机噪声码1、粗码（C/A码）定义定义：用于进行：用于进行粗略测距粗略测距和和捕获精码捕获精码的测距码。的测距码。产生产生：由两个由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生出级反馈移位寄存器相组合而产生出1023种不同结构的种不同结构的C/A码，但其码长和数码率均相同。码，但其码长和数码率均相同。不同的不同的GPS卫星采用结构相异的卫星采用结构相异的C/A码。码。特性特性：码长码长 L=1023比特；比特；码元宽度码元宽度tu=1/f1=0.97752us(相应距离为

14、相应距离为293.1m)；特点特点: : 测距精度低，测距误差可达测距精度低，测距误差可达29.3m2.9m,也称粗码；也称粗码；码结构公开；目前，码结构公开；目前，C/A码只调制在码只调制在L1载波载波上，故无法精确地上，故无法精确地消除电离层延迟。消除电离层延迟。定义定义：用于精确测定从用于精确测定从GPS卫星至接收机距卫星至接收机距离的测距码。离的测距码。产生产生：其发生电路采用两组各有两个：其发生电路采用两组各有两个12级反级反馈移位寄存器所构成，情况更为复杂。馈移位寄存器所构成，情况更为复杂。特点特点：测距精度高（一般为：测距精度高（一般为0.3米米)，测距误差，测距误差约为约为2.

15、93m0.29m； 码元宽度仅为码元宽度仅为C/A码的码的1/10，也称精码；，也称精码； 码结构不公开，保密码结构不公开，保密。 GPS信号中使用了伪随机码编码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。GPS信号中的C/A码和P码，都是由最长线性移位寄存器序列（简称m序列）产生的伪随机测距码。 GPS伪随机噪声码怎样实现测距功能 卫星和接收机产生同样的码卫星和接收机产生同样的码卫星信号到达接收机后，接收机检查信号经过多长时间到卫星信号到达接收机后，接收机检查信号经过多长时间到达接收机达接收机 由于受GPS卫星至用户GPS接收机的路径信号传播延迟的影响，被接收的伪随机码和复制的伪

16、随机码之间产生了平移； 如果通过一个时间延迟器来对复制的伪随机码进行移动，使两者的相关函数值为1，则可以从时间延迟器中测出对齐码元所用的时间，从而可以较准确地确定由卫星到接收机的距离。 6、GPS星历星历 卫星星历是描述卫星运动轨道的信息描述卫星运动轨道的信息。 卫星星历包含某一时刻的卫星轨道参数（也叫轨道根数）及其变化率。 根据卫星星历，可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。 精确的轨道信息是精密定位的基础。 GPS星历星历 GPS卫星星历可以分为：分为： 预报星历预报星历（广播星历）（广播星历） 后处理星历后处理星历（精密星历）（精密星历）预报星历（广播星历）预报星历（广播星历） 预报星历

17、：预报星历：是是通过通过卫星发射的含有轨道信息卫星发射的含有轨道信息的的导航电文导航电文传输给用户的，用户接收机接收传输给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，这种星历也叫星星历，这种星历也叫广播星历广播星历. . ( (用户在观测时可以用户在观测时可以实时实时地得到地得到) )。预报星历（广播星历）预报星历（广播星历） 预报星历通常包括相对某一参考历元某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数： 开普勒轨道的6个参数； 反映摄动力影响的9个参数； 参考时刻； 星历数据龄期； 预报星历包含的参数是根据GPS监测站约

18、一周的观测资料推算的，也称参考星历。预报星历预报星历 预报星历（参考星历）只代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数，在摄动力的影响下，卫星的实际轨道将偏离参考轨道。 偏离程度主要取决于：观测历元与参考历元的时间差。预报星历（广播星历）预报星历（广播星历） 用轨道参数的摄动项对已知的卫星星历加以改正，可以外推出任意观测历元的卫星星历。 只要保证外推时间间隔不太长，可以保证卫星预报星历的精度。 地面的监控站时刻观测卫星的运行轨道；主控站每天更新卫星的参考星历，由注入站每天向卫星注入新的参考星历。 预报星历（广播星历）预报星历（广播星历） GPS卫星发射的广播星历，每小时更新一次。 那么外推星历的时间间隔将不会超过0.5小时。 预报星历的精度一般为2040m。预报星历的编制和传送过程：监测站监测卫星的运行状态 主控站编制卫星星历注入站将卫星星历注入卫星卫星向用户发送卫星星历用户接收机接收卫星星历（监测站接收机）周期1小时循环闭合的