第3章 GPS定位系统信号和接收机基本工作原理

1、Chapter 3 GPS定位系统的信号和接收机的基本工作原理GPS卫星信号采用组合码调制技术（伪随机码扩频技术）组合码调制技术：将卫星导航电文（基带信号，D码）经伪随机码扩频技术成为组合码，再对L频段的载波进行正交调制（ BPSK调制）。作用：提高系统导航定位精度，使系统具有很高的抗电子干扰能力和极强的保密能力。伪距：pseudo range，接收机到GPS卫星之间的距离。3-1 GPS卫星播发的信号一、伪随机码PRNC：Pseudo Random Noise Code（1）二进制随机序列：1 0 1111 00 1111 0 1 00 1 00 1111 00 11 00 1111 0 1

2、1特点：非周期性序列，不能预先确定，不能复制。（2）相关函数：2、伪随机码（1）伪随机序列：具有非随机序列自相关特性的有周期性的二进制序列。（2）伪随机序列特点：v 二进制序列v 有周期性v 有自相关性（2）伪随机码：由二进制码组成的伪随机序列，由“多级反馈移位寄存器”产生。3、伪随机码特征（1）m序列，周期：（2）伪随机码“0”、“1”出现的概率大致相同。（3）当自相关系数为1，码元完全对齐。PRN码的优越特性：可以在接收机内复制产生，只有相同结构的PRN码完全对齐时才产生强相关。GPS接收机正是利用PRN码的这两个突出特性进行卫星识别和伪距测量。4、伪码扩频技术（PRN技术）（1）复合序列

3、（复合码）：将多个周期较短的m序列按预定规则构成的一个周期较长的序列。（2）GPS基带信号（D码）：fundamental information 带宽 f = 50 HZ，传递速率V = 50 bit/s（3）伪随机码扩频技术：将基带信号（D码）通过扩频调制到伪随机码上（第一级调制）。 过程： 扩频-发射-传播-接收-解频码码或码码二、C/A码和P码 GPS定位系统采用码分多址技术（CDMA），给不同卫星指配不同结构的伪随机码。 CDMA:Code Division Multiple Access1、伪随机码技术（PRN技术）作用：（1）识别不同卫星，捕获卫星信号（CDMA）（2）测定伪距（

4、C/A码和P码）（3）传递导航电文（D码）（4）提高抗干扰能力（ PRN技术）GPS定位系统通常采用两种伪随机码：C/A码和P码伪随机码：C/A、P码2、C/A码：粗码，Coarse Acquisition Code（1）定义：用于分址、搜捕卫星信号、粗测距，具有一定抗干扰能力，并提供民用的明码。（2）特性频率：f1 =1.023MHZ 数码率：Vu =1.023 M bit/s 码元宽度：s (相当于)码长：Nu =210-1 = 1023bit （两个10级反馈移位寄存器组合产生） 周期：Tu =Nu tu = 1023s =1 ms搜索时间：1023bit/（50bit/s）=20.5s

5、 (50bit/s 搜索速率)测量精度：29.3（取误差为1/101/100）3、P码：精码，Precise Code（1）定义：用于分址、通过C/A码获取卫星信号，精密测距，具有较强抗干扰能力，提供特许用户使用的受控密码。（2）特性频率：f1 =10.23MHZ 数码率：Vu =10.23 Mbit/s码元宽度：s (相当于)码长：1014 bit （两组12级反馈移位寄存器组合产生）周期：Tu =Nu tu = 2. 35 1014 0.097752 s = 266.4 d实用上P码被分成38部分，每部分周期约7d，码长为 6.19 1012bit搜索时间：1012 bit /（50bit

6、/s）= 1.4 106 d (50bit/s 搜索速率)测量精度：2.93（取误差为1/101/100）三、GPS卫星信号构成GPS卫星信号测距码数据码(导航电文，D码）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段基准频率：，fundamental frequency码： f = 50 HZ（低频信号）C/A码：s ，相当于P码（Y码）：s ，相当于L1载波： f1=154F，1=L2载波：f2=120F，2=GPS载波信号生成：基本频率控制产生两种信号分量f0 x 120f0 x 154f0四、卫星信号的调制分为二级调制第一级是导航电文调制到测距随机码：采用二进制编码序列“模二和

7、”算法，调制结果是把数据码(导航电文)从50Hz扩展到23MHz(对于C/A码) ，从而在接收信号时，采用CDMA原理，可大大提高获取数据码的信噪比，提高比率为：。模二和(1)运算规则:(2)二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”第二级是测距码调制到载波：采用二进制信号“波形相乘”的算法，将导航电文与测距码合成后的二进制码调制到载波上，这实现了第二次扩频，把测距码（C/A）从扩展到（L1），在接收机接收GPS信号时，同样根据CDMA原理，可以提高C/A码的信噪比，比率为。正是利用扩频原理，接收机在弱信号情况下(-160dBw，瓦分贝，弱于噪声)可以正确捕获信号，并且抗干扰

8、性好。 二进制信号的相位调制五、L1、 L2载波信号：L2 载波P码（Y码）数据码（D码）调制L1 载波C/A码P码（Y码）数据码（D码）调制GPS卫星信号的调制卫星信号的调制原理3-2 GPS卫星的导航电文一、导航电文（D码）： Navigation Message用于确定卫星瞬间位置的信息，可以分为三类：1）卫星历书(Almanac，精度：数km)2）广播星历(Broadcast Ephemeris，精度： 1m)3）精密星历(Precise Ephemeris，精度： 520cm) 1、组成：卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟偏差校正参数、轨道摄动改正参数、大气折射改正参数、遥测码

9、、交换信息等。2、格式：组成数据帧，按帧向外播发。 由25帧组成，播发时间，播发速度50bit/s。 25 * 1500bit/帧 = 25 * 5 * 300bit /子帧 导航电文卫星星历卫星工作状态时间系统卫星钟偏差校正参数轨道摄动改正参数大气折射改正参数遥测码交换信息子帧5子帧1子帧2子帧3子帧4Navigation Message 导航电文卫星星历卫星工作状态时间系统卫星钟偏差校正参数轨道摄动改正参数大气折射改正参数遥测码交换信息子帧5子帧1子帧2子帧3子帧4Navigation Message二、导航电文内容：1、组成：遥测码、转换码、第一、二、三数据块。TLMHOWDATA1TL

10、MHOWDATA2TLMHOWDATA2TLMHOWDATA3TLMHOWDATA3第1子帧第2子帧第3子帧第4子帧第5子帧2、遥测码TLM：Telemetry Word用于指导用户是否可选用卫星（数据状态、诊断信息等）3、转换码HOW：Hand Over Word用于辅助用户转换C/A码至P码。4、第一数据块DATA1：（1）WN：卫星时间计数，（GPS星期：）（2）标识码：判断L2载波的调制码（3）测距精度URA ：由卫星钟和星历预报误差决定。一般，URA2N（m）。URA 2（1+N/2）， 0 N6 2N-2 ， 6 N15无精度 ， 15 NN与URA的关系： 0 0.0 URA 6

11、 13.65 URA15 6144 URA（无精度，停止使用）第一数据块DATA1：（4）数据状态（5）电离层延迟改正参数：TGD（6）钟参数据龄期：AODC=t0-t1（7）卫星钟参考时刻：t0（8）卫星钟改正参数：t=a0+a1（t-t0）+a2（t-t0）25、第二数据块DATA2：（1）星历表数据期龄：AODE= t0-t1（2）星历参考时刻： t0（3）开普勒轨道参数：6个参数（4）轨道摄动参数：9个参数6、第三数据块DATA3：（1）第4子帧：2、3、4、5、6、7、8、9、10帧/表示2532颗卫星星历，18帧/表示电离层改正模型，25帧/表示卫星健康状况及干扰等。（2）第5子帧

12、：124帧/表示124颗卫星星历，25帧/表示卫星健康状况及干扰等。3-3 GPS卫星位置的计算卫星定位：GPS卫星轨道参数、GPS卫星位置-开普勒轨道参数 + 卫星轨道摄动改正 卫星实际轨道偏离原因：（1）主要原因：地球形状不对称及质量分布不均匀，大气阻力引起卫星高度降低。 （2）次要原因：太阳、月球引力影响，太阳辐射压力影响等。广播星历文件内容广播星历文件内容卫星钟差常数项，时秒； 卫星钟差漂移项，时秒/时秒； 卫星钟差漂移速率项，时秒/时秒2平近点角的长期变化(近地点参数)，弧度/时秒； 参考时刻的平近点角，弧度； 扁心率； 长半轴的平方根，米1/2；广播星历文件内容参考时刻升交点赤经，

13、弧度； 参考时刻轨道倾角，弧度； 近地点角距，弧度； 升交点赤经在赤道平面中的长期变化主要是由地球引力场的2阶带谐系数 （ ）引起，弧度/时秒； 星历参考时刻 在轨道延迹方向上周期改正余弦项的振幅，弧度；广播星历文件内容星历参考时刻 在轨道延迹方向上周期改正正弦项的振幅，弧度；星历参考时刻 在轨道径向方向上周期改正余弦项的振幅，米；星历参考时刻 在轨道径向方向上周期改正正弦项的振幅，米；星历参考时刻 轨道倾角(近似于法向)周期改正余弦项的振幅，弧度；星历参考时刻 轨道倾角(近似于法向)周期改正正弦项的振幅，弧度；星历参考时刻(星期中的秒数)，秒； 星历数据的年龄； 轨道倾角变化率，弧度/时秒；

14、 L2上存在哪些码指示； GPS星期数； L2上P码伪距指示； 本广播星历精度指标，米； 电离层群延迟改正参数，时秒； 卫星钟数据年龄;信息传送时间(与接收机对接收到的卫星信号解码有关)，时秒。卫星是否健康指标；卫星轨道参数: 6个开普勒元素真近点角fs升交点赤经轨道倾角 i近升角距春分点升交点卫星近地点卫星轨道赤道平面YZXWrwPerigeeOrbita(1-e)ifEquator一、GPS卫星位置计算原理1、卫星轨道参数： 6个开普勒元素轨道长半轴轨道偏心率升交点赤经卫星轨道倾角近升角距真近点角轨道椭圆形状参数：轨道相对定向参数：轨道椭圆定向参数：卫星瞬时位置参数：（1）观测时刻t的平近

15、点角：Ms为基准时刻的平近点角（2）偏近点角： ，通过迭代计算（3）真近点角：（4）观测时刻t 的升交点经度：=-GAST（5）升交角距 us、卫星矢经rs、轨道倾角is（6）卫星运动平均角速度： 地心引力常数：1014m3/s22、观测时刻t的卫星钟差改正：3、摄动改正数：u、r、i摄动改正后的升交角距 u、卫星矢经r、轨道倾角i：4、卫星在轨道平面坐标系（o-xyz）中的位置：5、卫星在地心空间坐标系中的位置：（1）（2） 6、极移影响（协议地球坐标系WGS-84的位置）：二、GPS卫星位置的计算1、根据广播星历计算卫星位置（1）计算思路：首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标，然后将上述坐

16、标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-Wk角，求出卫星在地固坐标系下的坐标。（2）计算过程：1）计算卫星运行的平均角速度2）计算t时刻卫星的平近点角3）计算偏近点角4）计算真近点角5）计算升交距角（未经改正的）6）计算卫星向径7）计算摄动改正项8）进行摄动改正9）计算卫星在轨道平面坐标系中的位置10）计算观测瞬时升交点经度11）计算卫星在瞬时地固坐标系下的坐标12）计算卫星在协议地固坐标系下的坐标2、根据精密星历计算卫星位置精密星历：按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差改正数等信息。064著名的IGS综合精密星历需要12周时间后才能获得。网站为：任意时刻t卫星位置的计算

17、原理：插值法方法：拉格朗日插值法等3-4 GPS接收机及其基本工作原理 GPS 信号接收机的任务: 能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 静态定位：GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。动态定位：用GPS接收机测定一个运动载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车

18、辆等）的运行轨迹。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。一、GPS接收机分类1、按通道工作原理分：（1）码相关型：correlation channel 利用码相关技术得到伪距观测量（移相器），主要应用于导航型接收机（C/A码、P码） （2）载波平方型：squaring channel 利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。 （3）混合型：code phase channel 综合上述两种接收

19、机的优点，可以得到码相位伪距、载波相位观测值，主要应用于测地型接收机。 （4）干涉型：interfere channel 将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定相位差、时间差，求得两测站间距离。无须码结构和星历。 （5）采用窄相关技术和互相关技术、Z跟踪技术等新技术2、按用途分：（1）导航型：主要用于运动载体的导航，可以实时给出载体的位置和速度。一般采用C/A码伪距测量单点实时定位，实时定位精度较低，一般为25m，有SA影响时为100m。 这类接收机价格便宜，应用广泛。分为： 车载型-用于车辆导航定位； 航海型-用于船舶导航定位； 航空型-用于飞机导航定位； 星载型-用于卫星的导航定位

20、。（2）测地型：主要用于精密大地测量和精密工程测量。主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高，仪器结构复杂，价格较贵。知名的品牌有：Ashtech、Trimble、Thales、Leica、Motorola等（3）授时型：主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，用于天文台、无线电通讯、跟踪监测时间同步。 3、按载波频率分：（1）单频型：单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。 （2）双频型：双频接收机可以同时接收L1、L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层 对电

21、磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。 4、按接受通道数分：（1）多通道型：multi-channel 多通道同时跟踪多颗卫星，信噪比较好，测地型接收机使用。（2）序贯通道型：sequencing channel 单通道软件控制，依次跟踪多颗卫星，循环周期大于20ms，信噪比较差。（3）多路复用通道型：multiplexing channel 单通道软件控制，依次跟踪多颗卫星，循环周期小于或等于20ms ，信噪比较差。二、GPS接收机基本结构1、组成：接收机天线、接收机主机、接收机附件。2、接收机天线 由接收天线和前置放大器组成（1）天线类型： 1）单板天线（单频天

22、线）： 结构简单、体积较小。 2）四螺旋型天线： 四条金属管线绕制而成，天线频带宽，全圆极化性能好，可以捕获低高度卫星，但不能进行双频接收，抗震性能差，通常用作导航型接收机天线。3）微带天线： 高度低，重量轻，结构简单并且牢固，易制造，可接收单频、双频信号，主要用于测地型接收机。4）锥形天线： 利用印刷电路技术在介质锥体上制成导电圆锥螺旋表面，天线增益好，但天线较高，天线相位中心和几何中心不对称。5）平面盘旋天线（2）前置放大器：进行信号放大，同时抑制外来信号干扰。三、接收机主机1、组成：变频器、信号通道、微处理器、存储器、显示器、控制面板等2、变频器及中频放大器：提高增益，由高频变频到低频3、信号通道：（1）信号通道作用： 搜索卫星，牵引并跟踪卫星。 对基准信号（数据信号）实行解扩、解调得到广播电文。 进行伪码距测量、载波相位测量及多