卫星定位原理及应用第四章

1、第四章第四章 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文和卫星信号和卫星信号4.2 GPS卫星信号卫星信号4.2.1概述概述 GPS卫星信号是卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。包括：用于导航定位的调制波。包括：l载波信号载波信号l测距吗（测距吗（C/A码，码，P码）码）l数据码（卫星电文）数据码（卫星电文）4.2.1概述概述注：注： GPS卫星信号的产生、构成与复制，涉及到卫星信号的产生、构成与复制，涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题，对现代数字通信理论和技术方面的复杂问题，对于我们来说，可以不去深入研究，但要了解基于我们来说，可以不去深入研究，但要

2、了解基本概念，有利于理解本概念，有利于理解GPS的定位原理。的定位原理。4.2.1概述概述载波载波l作用作用搭载其它调制信号搭载其它调制信号测距测距测定多普勒频移测定多普勒频移l类型类型目前目前lL1 频率：频率： 154 f0 = 1575.43MHz；波长：；波长：19.03cmlL2 频率：频率： 120 f0 = 1227.60MHz；波长：；波长：24.42cm现代化后现代化后l增加增加L5 频率：频率：115 f0 = 1176.45MHz；波长：；波长：25.48cmL119.03c mL224.42c m4.2.1概述概述l载波特点载波特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择

3、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所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延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）迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）4.2.1概述概述补充：码的概念及特点补充：码的概念及特点 在现代数字通信中，广泛使用二进制数（在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和和1）及其）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为其组合，称为。一位二进制数叫一个。一位二进制数叫一个码元码元或一或

4、一比特比特。比特为码和信息量的度量单位。比特为码和信息量的度量单位。 如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为这一过程称为编码编码。 在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称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，单位为为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。4.2.1概述概述码及码的特点码及码的特点（1）二进制数与码）二进制数与码l码：用以表示各种不同信息的二进制数及其组合码：

5、用以表示各种不同信息的二进制数及其组合l比特：一个二进制数比特：一个二进制数l数码率：在数字化信息传输中的每秒钟传输的比特数数码率：在数字化信息传输中的每秒钟传输的比特数（2）随机噪声码）随机噪声码l随机噪声码：码元的出现无规律，不能复制随机噪声码：码元的出现无规律，不能复制测距码测距码l作用作用测距测距l性质性质为伪随机噪声码（为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为为0或或1/n（n为码元数为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为对齐的同一组码间的相关系数为14.2.1概述概述4

6、.2.1概述概述l类型类型目前目前lC/A码（码（Coarse/Acquisition Code） 粗码粗码/捕获码；码率：捕获码；码率：1.023MHz；周期：；周期：1ms；1周期含码元数：周期含码元数：1023；码元宽度：；码元宽度：293.05m；仅被调制在；仅被调制在L1上上lP（Y）码（）码（Precise Code） 精码；码率：精码；码率：10.23MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含码元数：周期含码元数：6187104000000；码元宽度：；码元宽度：29.30m；被调制在被调制在L1和和L2上上现代化后现代化后l在在L2上调制上调制C/A码码l在在L1和和L2增加调制

7、增加调制M码码4.2.1概述概述l调制：为有效传播信息，将频率较低的信号加调制：为有效传播信息，将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，这个过程即为调制。载到频率较高的载波上，这个过程即为调制。l然后，载波携带有用信号传送出去，到达用户然后，载波携带有用信号传送出去，到达用户接收机。接收机。 码值为码值为0，相应的码状态为，相应的码状态为+1； 码值为码值为1，相应的码状态为，相应的码状态为-1； 载波与相应码状态的相乘便可实现载波的调载波与相应码状态的相乘便可实现载波的调制。制。4.2.2 伪随机噪声码的产生和特征伪随机噪声码的产生和特征l 补充：模二和（模二相加）补充：模二和（模二相加）运

8、算规则运算规则二进制信号：二进制信号：“1”表示二进制表示二进制“0”，“-1”表示二进制表示二进制“1”，则，则000; 110; 101; 011111; 111; 111; 1114.2.2 伪随机噪声码的产生和特征伪随机噪声码的产生和特征l补充：随机噪声码补充：随机噪声码码：二进制的数据序列码：二进制的数据序列 可表达为可表达为0和和1的的幅度的时间函数。幅度的时间函数。 设一组码序列设一组码序列u（t），码元），码元0，1完全随机，完全随机，而概率为而概率为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机序列码随机序列码（随机噪声码随机

9、噪声码）。）。4.2.2 伪随机噪声码的产生和特征伪随机噪声码的产生和特征l随机噪声码：非周期性序列，无法复制。随机噪声码：非周期性序列，无法复制。l自相关性自相关性l自相关系数自相关系数 ： R(t)=(A-B)/(A+B) 其中，其中，A为为m序列与其序列与其j次移位序列一个周期中对应元素相同的数次移位序列一个周期中对应元素相同的数目目;B为为m序列与其序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不相同的数次移位序列一个周期中对应元素不相同的数目。目。当平移码元数当平移码元数j=0时，即时，即B=0，R(t)=1；当平移码元数当平移码元数j不为不为0时，若时，若j趋向于无穷，则趋向于无穷，则A约

10、为约为B，R(t)约为约为0.4.2.2 伪随机噪声码的产生和特征伪随机噪声码的产生和特征 对于对于GPS信号，卫星发射的是一个随机噪声码序列信号，卫星发射的是一个随机噪声码序列u(t)，由于传播时间的延迟，使得接收到的，由于传播时间的延迟，使得接收到的u(t)与与u(t)间平移，即相应的码元错开了，因此间平移，即相应的码元错开了，因此R(t)约为约为0；若通；若通过时间延迟器来调整过时间延迟器来调整u(t)，使之与，使之与u(t)的码元相互完的码元相互完全对齐，即使得全对齐，即使得R(t)=1，那么就可以从，那么就可以从GPS接收机时接收机时间延迟器中，测出卫星到接收机的准确传播时间，从间延

11、迟器中，测出卫星到接收机的准确传播时间，从而可准确确定而可准确确定P。 然而，然而， u(t)为非周期的，不服从任何编码规则，为非周期的，不服从任何编码规则，实际上无法复制和利用，所以引入实际上无法复制和利用，所以引入伪随机噪声伪随机噪声码码。4.2.2 伪随机噪声码的产生和特征伪随机噪声码的产生和特征l移位寄存器移位寄存器l以四级反馈移位寄存器为例：以四级反馈移位寄存器为例：l假设初始状态为（假设初始状态为（a3,a2,a1,a0）=(1,0,0,0),每每次移位时次移位时a3和和a0模二相加，输出端会产生一模二相加，输出端会产生一个随机码：个随机码：000111101011001l思考题？

12、思考题？C/A码码C/AC/A码是由两个码是由两个1010级反馈移位寄存器相组合而产生的级反馈移位寄存器相组合而产生的. .Shandong University of science and technology4.3 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算根据广播星历计算卫星位置卫星位置l计算思路计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标然后将上述坐标分别绕然后将上述坐标分别绕X轴旋转轴旋转-i角、绕角、绕Z轴旋转轴旋转- k角，求出卫星在地固系下的坐标角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道参数轨道参数地心升交点xy

13、近地点卫星近地点角距真近点角升交距角升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径t0 过近地点时刻e 轨道偏心率地心f 真近点角XY起始子午面 升交点经度kG AST xy4.3GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算根据广播星历计算卫星位置卫星位置l计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角03314320()843.986005 10GMnaaWGSmsnnn称为地球引力常数，在系中定义为)()(0oettnMtM)(sin)()(tEetMtE4.3GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广

14、播星历计算根据广播星历计算卫星位置卫星位置l计算过程（续）计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径etEtEearctgtf)(cos)(sin1)(2)()( tftu)(cos1 ()( tEeAtr4.3GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算根据广播星历计算卫星位置卫星位置l计算过程（续）计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置)( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()(tuCtuCtituCtuCtrtuCtuCtuisicrsrcusuc)()()()()( )()()( )(0

15、tittiititrtrtrtututuoe)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx4.3GPS卫星位置的计算卫星位置的计算-根据广播星历计算根据广播星历计算卫星位置卫星位置l计算过程（续）计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标oeeoeektttt)()()(0)(sin)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos0)()(tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ精密星历精密星历按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差置、三维速度和钟差* * 2004 1 15

16、0 0 0.000000002004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.82593

17、2P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428P