第四章GPS卫星导航电文和卫星信号

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GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）是用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。这些信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，卫星电文又叫数据码（D码）。他的基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit；第4,5子帧各有25个页面，共37500bit。第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一次。第4,5子帧的全部信息则需要750s才能够传送完毕。即第4、5子帧是12.5min播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。4.1.1遥测码遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据状态。遥测码的第1-8bit是同步码，使用户便于解释导航电文；第9-23bit为遥测电文，其中包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。第23和第24bit是连接码；第25-30bit为奇偶检验码，它用于发现和纠正错误。4.1.2转换码转换码位于每个子帧的第二个字码。其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。Z计数实际上是一个时间计数，它以从每星期起始时刻开始播发的D码子帧数为单位，给出了一个子帧开始瞬间的GPS时间。由于每一子帧持续时间为6s，所以下一个子帧开始的时间为6xZs，用户可以据此将接收机时钟精确对准GPS时，并快速捕获P码。4.1.3第一数据块第1子帧第3-10字码，主要内容：①标识码，时延差改正②星期序号③卫星的健康情况④数据龄期⑤卫星时钟改正系数等。4.1.4第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。描述卫星的运动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4.1.5第三数据块第三数据块包括第4和第5两个子帧，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的卫星。4.2GPS卫星信号4.2.1概述GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、测距码和数据码。时钟基本频率为10.23MHz。GPS使用L波段的两种载频：L1载波：fL1=154*f0=1575.42MHz，波长λ1=19.032cmL2载波：fL2=120*f0=1227.6MHz，波长λ2=24.42cm码的基本概念：码是表达信息的二进制数及其组合。每一位二进制数称为1个码元或叫1比特（bit）。如果将各种信息如：声音、图片以及文字通过量化并按某种规则表示为二进制数的组合形式，则这一过程就称为编码，也就是信息的数字化。在二进制数字化信息的传输中，每秒钟传输的比特数称为数码率，用以表示数字化信息的传输速度，其单位为bit/s或记做BPS。一组二进制数的码序列，又可以看作是以0和1为幅度的时间函数，用记号u（t）表示。如果一组码序列u（t），对某个时刻t，码元是0或1完全是随机的。但其出现的概率均为1/2.这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。是一种非周期序列，无法复制。但是随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPS码信号测距就是利用了GPS测距码的良好自相关性才获得成功。自相关性是指两个结构相同的码序列相关程度，它由自相关函数描述。uuuuDSDStR)(随机噪声码序列的良好自相关特性，为GPS测距奠定了基础伪随机噪声码及其产生：由于随机噪声码是非周期码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此提供了一种伪随机噪声码，不仅具有类似随机码的良好自相关性，而且有确定的编码规则，是周期性，可复制的。以4级反馈移位寄存器为例讲解伪随机码的产生和变化过程。GPS卫星发射两种测距码信号，即C/A码和P码，两者都是伪随机噪声码。C/A码由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生，在每星期日子夜零时，在置“1”脉冲的作用下全处于1的状态，同时在码率1.023MHz驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为bitNu10231210，周期为1ms的两个序列)(1tG和)(2tG。)(2tG序列经过相位选择器，输入一个与)(2tG平移等价的m序列，然后与)(1tG模2相加，便得到C/A码。)()()(/021ittGtGtACC/A码的码长、码元宽度、周期和数码率为：码长bitNu10231210码元宽度stu977752.0，相应长度293.1m，周期mstNTuuu1；数码率BPS=1.023Mbit/s。各颗GPS卫星所使用的C/A码，其上述四项指标都相同，但结构相异。C/A码有如下2个特点：1）C/A码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C/A码逐个进行搜索。因为C/A码一共有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20.5s便可完成。由于C/A码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的信息，又可以方便地捕获P码，所以通常C/A码也称为捕获码。2）C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差码元宽度的1/10-1/100，则这是相应的测距误差可达29.3-2.9m，由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。P码：P码由两组各有两个12级反馈移位寄存器电路发生，其基本原理与C/A码相似，但其线路设计细节远比C/A码复杂并且严格保密。P码特征：码长bitNu141035.2；码元宽度stu097752.0，相应长度29.3m；周期dtNTuuu267；数码率BPS=10.23Mbit/s.实际上P码的一个整周期被分为38部分，每一部分周期为7d，码长约为bit121019.6。其中，5部分由地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星，1部分闲置，这样，每颗卫星所使用的P码便具有不同的结构，但码长和周期相同。因为P码的码长约为bit121019.6，所以如果采用搜索C/A码的办法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，那将是无法实现的（约需d51514），因此，一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，便可容易地捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，这时若取码元的相关精度仍为码元宽度的1/10-1/100，则由此引起的相应的距离误差约为2.93-0.29m，仅为C/A码的1/10，所以P码可用于较精密的导航和定位，称为精码。GPS信号的调制与解调：在无线电通信技术中，为了有效地传播信息都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波携带有用信号传送出去，到达用户接收机。将C/A码和P码调制到载波L上，L1载波上调制C/A码、P码以及导航电文；L2载波上仅调制P码与导航电文。GPS卫星的测距码和数据码信号又是怎样调制到载波上的呢？GPS测距码信号和数据码信号，都是以二进制数为码元的时间序列，它具有信号波形和信号序列两种表述形式。信号波形也称为码状态，通常以符号)(tu表示。信号序列通常以符号u表示，信号序列u中的每一个元素取值为0或者1，称为码值，约定，当码值为0时，对应码状态为+1，当码值取1时对应码状态为-1.实现码信号与载波信号的调制，只需要取码状态与载波相乘就可以了。相位跃迁：载波是一种电磁波，由GPS卫星上原子钟的振荡器产生，其数学表达式为一正弦波。因此，当码状态+1与载波相乘时，显然不会改变载波的相位；而当码状态取-1与载波相乘时，载波相位改变180度。这样，当码值由0变为1，或由1变为0时，都会使调制后的载波相位改变180°，称为相位跃迁。在加载测距码信号与数据码信号后，载波L1与L2的表达式分别为：)sin()()()cos()()()(11111ttDtCAttDtPAtSiiCiipL)cos()()()(222ttDtPBtSiipLpA，pB分别为调制于L1与L2上的P码振幅；)(tPi为1状态的P码，)(tDi为1状态的数据码；CA为调制于L1上的C/A码振幅，)(tCi为1状态的C/A码，“i”为卫星编号；j为载波jL的角频率（j=1,2）；j为载波jL的初相（j=1,2）GPS卫星的各个信号分量都是由卫星原子钟振荡器的基准频率产生，并且信号调制过程是通过电路中一系列混频、模二求和与叠加实现。GPS卫星信号的解调：1.码相关解调技术：对已调波要想恢复载波，只需要用接收机产生的复制码信号，在同步条件下与卫星信号相乘就可以了。其原因是由于接收机产生的复制码信号，与GPS卫星发射的测距码信号结构完全相同，在经过码相关清除时延差后，可实现完全同步。这样，原先因乘-1而改变的相位，现在又因在乘-1而得到恢复。主要是恢复数据码D(t)。2.平方解调技术4.4GPS接收机基本工作原理功能上分类：使用GPS和GLONASS，蓝牙设计，高度集成一体化，GNSS接收机，CORS接收机，网络RTK技术，网络RTK超长距离。4.4.1GPS接收机的分类1.用途分类（1）导航型（2）测地型（3）授时型接收机2.接收机的载波频率分类（1）单频接收机（2）双频接收机3.接收机按通道数进行分类4.按接收机工作原理分类4.4.2GPS接收机工作原理组成：天线单元接收机主机单元电源接收机主机：变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。1.GPS接收机天线天线和前置放大器组成。天线将GPS卫星极弱的电磁波转化为相应的电流，放大器将电流放大。以便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测。对天线的要求如下：GPS接收机天下的类型：1.单板2.四螺旋形天线3.微带天线4.锥形天线（盘旋螺线型天线）2.接收机主机（1）变频器及中频放大器（2）信号通道:GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。作用：①搜索卫星，牵引并跟踪卫星。②实时解调出广播电文③进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量多普勒频移：他认为声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。在卫星移动通信中，当飞机移向卫星时，频率变高，远离卫星时，频率变低，而且由于飞机的速度十分快，所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。另外一方面，由于非静止卫星本身也具有很高的速度，所以现在主要用静止卫星与飞机进行通信，同时为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了卫星移动通信的复杂性。（3）存储器存储数据：卫星星历卫星历书和接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。软件：自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件（4）微处理器（5）显示器3.电源：内置，外置4.4.3软件GPS接收机