GPS--卫星的导航电文解析

GPS测量原理及应用(四)主讲人：马福义第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1GPS卫星的导航电文4.2GPS卫星信号4.3GPS卫星位置的计算4.4GPS接收机基本工作原理导航电文导航电文（卫星电文）GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。4.1GPS卫星的导航电文导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时钟改正、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。导航电文又称为数据码（或D码）。导航电文（卫星电文）•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。123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特一个主帧一个子帧一个字码卫星电文基本结构主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特1帧30s1500比特TLWHOW数据块—1时钟修正参数TLWHOW数据块—2星历表TLWHOW数据块—2星历表继续TLWHOW数据块—3卫星历书等TLWHOW数据块—3卫星历书等子帧1一个子帧6s长，10个字，每字30比特子帧3子帧4子帧5子帧2一帧导航电文的内容•遥测码（TLM–TelemetryWord）–每一子帧的第1个字–用作捕获导航电文的前导•转换码（HOW–HandOverWord）–每一子帧的第2个字–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时第一数据块位于第1子帧的第3～10字码，它的主要内容包括：GDSVLSVTtt1)(1.时延差改正Tgd－就是载波L1、L2的电离层时延差。2.数据龄期AODC－是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。3.星期序号WN－表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。4.卫星时钟改正－GPS时间和UTC时间之间存在的差值。LOCttAODC2210)()(ococSVttattaat第二数据块第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类：1.开普勒六参数2.轨道摄动九参数3.时间二参数,,,,,,000MiaeisicrsrcusucCCCCCCin,,,,,,,,AODEtoe,轨道长半径的平方根轨道偏心率参考时刻的升交点赤经参考时刻的轨道倾角近地点角距参考时刻的平近点角第三数据块第三数据块包括第4和第5子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择地卫星。•GPS卫星信号组成4.2GPS卫星信号GPS卫星信号测距码数据码(导航电文）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段（Carrier）（RangingCode）（Message）•GPS卫星信号的组成部分–载波（Carrier）•L1•L2–测距码（RangingCode）•C/A码（目前只被调制在L1上）•P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）–卫星（导航）电文（Message）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50BPS15412010204600GPS卫星信号结构GPS卫星的基准频率f0•由卫星上的原子钟直接产生•频率为10.23MHz•卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频1012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffCAfPffHz码码率码码率卫星（导航）电文码率载波①•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：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cm•L2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm–现代化后•增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03cmL224.42cm载波②•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）测距码①•作用–测距•性质–为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）–不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）–对齐的同一组码间的相关系数为1全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构测距码测距码②•类型–目前•C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上•P（Y）码（PreciseCode）–精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上–现代化后•在L2上调制C/A码•在L1和L2增加调制M码全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构测距码4.3GPS卫星位置的计算升交点Z'(Z)Y'X'ro春分点轨道平面卫星Ω升交点赤经i轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点ω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Ω升交点经度kGASTxy卫星在地固系下的坐标计算•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()843.98600510GMnaaWGSmsnnn称为地球引力常数，在系中定义为)()(0oettnMtM)(sin)()(tEetMtE•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etEtEearctgtV)(cos)(sin1)(2)()(tVt))(cos1()('tEeAtr•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)()()()()(')()()(')(0tittiititrtrtrtututuoe)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx•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))(())((tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ4.4GPS接收机基本工作原理GPS接收机的分类GPS接收机组成及工作原理•由于使用目的不同，GPS信号接收机也各有差异GPS接收机的分类按接收机用途划分根据所接收的卫星信号频率划分根据接收机信号通道类型划分按工作原理划分按接收机用途划分导航型接收机测地型接收机授时型接收机•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。采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛导航型接收机•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。测地型接收机•主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。授时型接收机MOTOROLA授时型GPS根据所接收的卫星信号频率划分单频接收机(L1)双频接收机(L1+L2)这种分法较为常见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。单频接收机(L1)Smart-3100IS9600北极星GPS1210•同时接收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。双频接收机(L1+L2)Smart6100Is华测X60根据接收机信号通道类型划分多通道接收机序贯通道接收机多路复用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。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按工作原理划分码相关型接收机平方型接收机混合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。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GPS接收机组成及工作原理GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部分组成GPS接收机主机组成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GPS接收机天线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，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测。gps螺旋天线船用gps天线天线的基本要求：•天线与前置放大器应密封为一体，保障在恶劣气象环境下正常工作。•天线应呈全圆极化：要求天线的作用范围为整个上半球，天顶处不产生死角，保障能接收来自天空任何方向的卫星信号。•天线必须采取适当的防护与屏蔽措施：例如加一块基板，尽可能地减弱信号的多路径效应，防止信号干扰。•天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽量小，且保持稳定。GPS接收机天线基本类型单极天线微带天线空间螺旋天线四丝螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS接收机主机1、变频器及中频放大器2、信号通道3、存储器4、微处理器5、显示器1、变频器及中频放大器•经过GPS前置放大器的信号仍很微弱，为了得到稳定的高增益信号•L频段射频信号降低为低频信号2、信号通道•搜索卫星，牵引并跟踪卫星•对广播电文数据信号进行解扩，解调出广播电文•进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量3、存储器•内存•保存数据，存储自测软件等4、微处理器•接收机工作状态自检，位置计算等5、显示器液晶显示屏，屏幕键盘等等电源•内置电源一般采用锂电池，为RAM供电•外置电源12V直流镉镍电池GPS接收机工作原理当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出