GPS测量原理与数据处理(专)第二章课件

第二章GPS卫星信号及其测量原理GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理GPS卫星的导航电文GPSGPS卫星的载波信号与相位测量原理美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策GPS接收机基本工作原理2.1.1码及码的特点1.二进制数与码

码：用以表示各种不同信息的二进制数及其组合

比特：一个二进制数

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：码元的出现无规律，不能复制

2.1GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理3.自相关系数

其中，A为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素相同的数目；B为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不相同的数目

2.1.1码及码的特点 这种码序列不仅保留了随机码良好的自相关特性，而且具有某种特定的编码规则，同时具有周期性，易于复制。伪随机码是由多级反馈移位寄存器产生2.1.2伪随机噪声码（PseudoRandomNoise-PRN)伪随机噪声码的产生1.C/A码

C/A码是在频率为1.023MHz的钟脉冲驱动下，由两个10级反馈移位器相组合而产生的。码长Na=1023bit

码元宽tu=0.97752S

周期Tu=Nutu=1ms

数码率Nu/Tu=1.023Mbit/s

C/A码码长很短，易于获得2.1.3GPS卫星的测距码信号2.P码

GPS发射的P码，则是在频率为10.23MHz的钟脉冲的驱动下，由两个各有两个12级移位寄存器相组合产生的码长Nu=2.351014bit

码元宽tu=0.097752S

周期Tu=Nutu=267d

数码率Nu/Tu=10.23Mbit/s

P码周期长不易获得2.1.3GPS卫星的测距码信号

2.2.1导航电文的组成格式

1、概念

导航电文也称数据码（D码、卫星电文），是用户用来定位和导航的数据基础，由卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟的运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码搜索P码的信息等组成。是GPS定位的数据基础，是以二进制码的形式，按帧发送的。

2.2

GPS卫星的导航电文

2、电文的格式

卫星电文是以二进制码的形式，按帧发送的。每帧电文包含5个子帧，其中1，2，3子帧的内容每小时更新一次，而子帧4和子帧5的内容又各分为25页，每帧电文里的子帧4和5只取其中一页，25帧为一个子帧，发送的时间为12.5min。2.2.1GPS卫星的导航电文3.各子帧的内容第一数据块1中包含了卫星钟的改正数及其数据的龄期、星期的周数编号和卫星的工作状态。第二数据块2由子帧2和子帧3组成，包含了广播星历的参数，提供卫星的轨道信息。第三数据块3由子帧4和子帧5组成，包含了卫星的概略星历、卫星的工作状态等，用于选择适当的观测卫星，提高定位精度。2.2.1GPS卫星的导航电文

2.2.2导航电文的内容

（1）遥测码（TLW—TelemetryWord）遥测码位于各子帧开头，其中所含的同步信号为各子帧提供一个同步起点，便于用户从此起点译出电文

（2）转换码（HOW—HandOverWord）转换码紧接着遥测码，提供如何由C/A捕获P码的信息，以便捕获跟踪P码

卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。2.3GPS卫星星历

2.3.1预报星历预报星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，也称广播星历，包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动项改正参数。2.3.1GPS卫星星历

GPS用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共16个，其中包括1个参考时刻，6个相应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。2.3.1GPS卫星星历导航电文中的星历参数 t0e——参考历元 M0——参考时刻的平近点角 es——轨道偏心率 as1/2——轨道长半径的平方根 0——参考时刻的升交点赤经 i0——参考时刻的轨道倾角 s——近地点角距

——升交点赤经变化率

——轨道倾角变化率 n——由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差。2.3.1GPS卫星星历Cuc,Cus——升交距角的余弦、正弦调和改正项振幅Crc,Crs——卫星地心距的余弦、正弦调和改正项振幅Cic,Cis——轨道倾角的余弦正弦调和改正项振幅AODE——星历数据的龄期（外推星历的外推时间间隔）a0——卫星钟差a1——卫星钟速（频率偏差系数）a2——卫星钟速变化率（漂移系数）2.3.1GPS卫星星历

2.3.2后处理星历后处理星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。

这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。2.3.2GPS卫星星历2.4GPS卫星的载波信号与相位测量原理GPS卫星的载波信号GPS卫星信号的调制GPS卫星信号的解调载波相位测量原理基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和据码。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卫星信号示意图如下2.4.1GPS卫星的载波信号补充：载波相位测量1.电磁波及其参数电磁波是一种随时间t变化的正弦或余弦波。如果设电磁波初相角为0，角频率，振幅为Ae，则电磁波的数学表达式为

y=Aesin(t+0)0t+0t0t1y=Aesin(t+0)Ae设电磁波的频率为f，周期为T，相位为，且当t=0时有初相位0，则它们与相位角及角频率有如下关系：=2f；f=1/T，=t/T+0，0=20。由此可得y=Aesin2(t/T+0)。利用电磁波测距除了精确测定电磁波的传播时间或相位变化外，还应准确地测定电磁波的传播速度v。若设电磁波的波长为，相位常数为k，则有k=2/=/v，v=f=/T=/k

在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信号称为调制信号。GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且调制码的幅值只取0或1。如果码值取0，则对应的码状态取+1；而码值取1时，对应码状态为-1，载波和相应的码状态相乘后，即实现了载波的调制。2.4.2GPS卫星信号的调制

为进行载波相位测量，当用户接收到卫星发播的信号后，可通过以下两种解调技术来恢复载波相位。

1、复制码与卫星信号相乘：由于调制码的码值是用1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码信号完全相同的测距码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。但此时恢复的载波尚含有数据码即导航电文。这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构，以便产生复制码。2.4.3GPS卫星信号的解调

2、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，而且也同时去掉了导航电文。2.4.4载波相位测量原理载波相位测量观测方程载波相位观测的的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以表示k接收机在接收机钟面时刻tk时所接受到的j卫星载波信号的相位值，表示k接收机在钟面时刻tk时所产生的本地参考信号的相位值，则k接收机在接收机钟面时刻tk时观测j卫星所取得的相位观测量可写为：2.4.4载波相位测量原理载波相位测量示意图通常的相位测量或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻（t0）以后就可以取得连续的相位观测值。Sj(t0)Sj(ti)N0kN0Int(φ)那么卫星Sj到接收机k之间的距离就可以表示成：在实际进行载波相位测量中，当接收机跟踪上卫星信号时，并在起始历元t0时刻进行首次载波相位测量，所测得的相位差包括整周部分和不足一整周部分，相位观测值应为：

式中,为t0时刻接收机基准信号的相位，为接收机在时刻收到的卫星信号相位。但是，由于载波是一个单纯的正弦波，不具有任何辨识标记，因此无法知道正在测量的是第几周的相位。换句话说N0实际不能测定，称为整周未知数。而接收机在t0时刻之后的各次载波相位测量中，接收机会自动记录从至观测时刻值的整周变化值，这样任意一个时刻一个完整的载波相位测量可以表示为：当卫星信号中断时，将丢失中的一部分整周数称为整周跳变，简称周跳。2.4.4载波相位测量原理载波相位测量观测方程t0时刻和tk

时刻的相位观测值可以写成：接收机在跟踪卫星信号时，不断测定小于一周的相位差，并利用整周计数器记录从t0到tk

时间内的整周数变化量Int()，这一时间段内，要求卫星信号没有中断。如果过程中卫星失锁了，那要采取其他方法进行处理。2.4.4载波相位测量原理2.5.1GPS工作卫星的SA和AS政策精密定位PPS标准定位SPS2.5美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策1、SA技术(选择可用性政策)（1）在广播星历中，对GPS卫星的基准频率采用δ技术，使星历精度降低，其变化为无规律的随机变化。（2）在卫星钟的钟频信号中加高频抖动即ε技术2、AS技术(反电子诱骗技术)将P码与保密的W码相加成Y码，Y码更为保密。3、SA和AS技术对定位的影响降低单点定位的精度降低长距离相对定位的精度

AS技术对高精度相对定位数据处理，整周未知数的确定带来不便2.5.1GPS工作卫星的SA和AS政策2.5.2GPS用户的反限制技术措施研制同时能接收GPS和GLONASS信号的接收机发展DGPS和WADGPS差分GPS建立独立的GPS卫星测轨系统建立独立的卫星导航与定位系统

2.6.1GPS接收机的基本概念

GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。2.6GPS接收机及其分类GPS接收机按构成部分的性质和功能划分：•硬件部分：上述的各种设备。•软件部分：支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航和测量任务的程序。包括内软件和外软件。所谓内软件是指诸如控制接收机信号通道，按时序对各卫星信号进行量测的软件，以及固化在中央处理器中自动操作程序等。此类软件已与接收机融为一体。外软件是指处理观测数据的软件系统，一般以磁盘方式提供。无特别说明，通常所指的软件均指外软件。2.6.1GPS接收机的基本概念•天线（带前置放大器）•信号处理器：用于信号识别与处理•微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算•用户信息传输：包括操作板、显示板等•精密震荡器：产生标准频率•电源2.6.2GPS接收机的主要结构组成：GPS接收机的结构如图所示天线前置放大器信号处理器微处理器导航计算机震荡器用户信息传输数据存储器外部传输电源 1.按工作原理划分：•码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。•平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结构，称无码接收机。•混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。2.6.3接收机类型2、根据接收机信号通道类型划分：•多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。•序贯通道接收机：只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大于20ms），对卫星信号的跟踪是不连续的。2.6.3接收机类型

多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较短（小于20ms），可保持对卫星信号的连续跟踪。2.6.3接收机类型•测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理（RTK），需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。•授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。2.6.3接收机类型3、根据接收机的用途分•导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。一般采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS（RTDGPS）定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。2.6.3接收机类型4、根据所接收的卫星信号频率划分：•单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20km的短基线精密定位。•双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。2.6.3接收机类型2.6.4接收机天线 1、天线的作用与要求天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大