第三章GPS卫星信号

第三章GPS卫星及其信号地理系张玉红GPS卫星及其信号第一节GPS卫星的发展1.初期概念证实卫星——BlockⅠ2.初期的生产卫星——BlockⅡ3.升级的生产卫星——BlockⅡA4.补充卫星——BlockⅡR5.后续坚持卫星——BlockⅡFGPS卫星及其信号BLOCKⅠ:用于GPS系统的实验,称为GPS实验卫星。BLOCKⅡ:用于组成GPS系统的工作卫星星座。现在运行的卫星有:BLOCKⅡ、ⅡA和ⅡR型卫星。BLOCKⅢ:预计2010年前后将研制并发射试验卫星。GPS卫星及其信号Block小结：Block号码自主导航数据存储时间动量管理自主工作期限URE/mⅡ无14OCS14161.1ⅡA无180星载180100ⅡR有210星载1807.4GPS卫星及其信号GPS卫星及其信号第二节GPS卫星工作星座GPS卫星及其信号ABCDEF3171777137197257GPS卫星轨道位置平面投影图16012080400320280240200GPS卫星及其信号GPS卫星信号两种载波:L1载波、L2载波;两种测距码:C/A码、P码;导航电文:D码第三节GPS卫星的信号GPS卫星及其信号在L1载波上调制有:C/A码、P码和导航电文(D码);在L2载波上调制有:P码和导航电文(D码);※到2007年约有2/3的GPS卫星在L2载波上亦调制有C/A码!GPS卫星及其信号1.GPS卫星的伪随机测距码（1）码：码是一种表达信息的二进制数及其组合，是一组二进制的数码序列。码可以看作是以0和1为幅度的时间函数，用u(t)来表示。······t1-1111101011000100100······信号波形信号序列GPS卫星及其信号（2）伪随机噪声码：是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串，它具有类似随机码的良好相关特性和某种确定的编码规则，是可人工复制的码序列。PRN的产生：基础电路为移位寄存器。1234模二相加模二相加的运算规则：1+1=0；0+1=1；1+0=1；0+0=0。GPS卫星及其信号状态编号各级状态4321模二加反馈末级输出的二进制数111110121110013110001410001150001006001000701001081001119001100100110101111010112101011130101101410111115011110四级反馈移位寄存器状态序列GPS卫星及其信号一般来说，一个r级移位寄存器所产生的m序列，在一个周期内其码元的最大个数Nu=2r–1与此相应，这是m序列的最大周期为：Tu=(2r–1)tu=Nutu式中，Nu也称为码长。GPS卫星及其信号（3）GPS的测距码信号测距码包括：C/A码：亦称粗码、明码和捕获码，其波长为293m；P码：亦称精码、保密码，其波长为29.3m；GPS卫星及其信号1）C/A码（Clear/AcquisitionCode）码长Nu=1023bit；码元宽度tu=0.97752us；相应长度293.1m；周期Tu=Nutu=1ms；数码率BPS=1.023Mbit/sC/A码的特点：1）易于捕获；2）精度较低。GPS卫星及其信号2）P码（PrecisionCode）码长Nu=2.35*1014bit；码元宽度tu=0.097752us；相应长度29.3m；周期Tu=Nutu=267天；数码率BPS=10.23Mbit/sGPS卫星及其信号对于两噪声码的相关性可表示为：相关系数：R=（A－B）/（A＋B）；例如对于任意两个噪声码:X（t）：1010110001010………n.Y（t）：1001011010110………n.比较可知:A=6,B=7,n→∞时A=B→n/2其相关系数R=（A－B）/（A＋B）→0GPS卫星及其信号若对于同一个噪声码:X（t）：1010110001010………nX（t）：1010110001010………n比较可知:A=n，B=0则R=（A－B）/（A＋B）=1（MAX）。※对于伪随机噪声码，只有其自身才具有相关性，即伪随机噪声码具有良好的自相关特性！GPS卫星及其信号如何利用其良好的自相关特性？假设：卫星和测站接收机可以产生同一种噪声码(结构完全相同)。卫星：测距码U（t）；测站；跟踪码U'（t）；在接收机处:因测距码U（t）须经过Δt时间的传播到达接收机,则测距码U（t）比跟踪码U'（t）要延迟Δt的时间。GPS卫星及其信号测距码U（t）:1010110001010……跟踪码U'（t）:1010110001010………现利用码相关器求两码相关系数:R=0再利用码延迟器将跟踪码U'（t）延迟τ1τ2τ3…的时间，若有：τi≠Δt则R=0直至：τn=Δt即:测距码U（t）:1010110001010………跟踪码U'（t）:1010110001010………才有R=1（MAX）此时便有：伪距ρ=C×Δt（或ρ=C×τn）※※然而假设却无法成立,因为噪声码不能复制!为此必须要产生一种码既能复制又可以保持良好的自相关特性。GPS卫星及其信号2.GPS卫星的载波信号载波------L1载波(1575MHz)L2载波(1227MHz)GPS卫星及其信号回顾:第三章GPS卫星及其信号测距码(PRN码)------粗码(C/A码)精码(P码)载波------L1载波(1575MHz)L2载波(1227MHz)导航电文(D码)GPS信号的调制与解调GPS卫星及其信号3.GPS卫星的导航电文概念：GPS卫星的导航电文（简称卫星电文），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码转到捕获P码的信息，卫星电文以二进制码形式发给用户，故又称数据码或D码。基本构成：导航电文的基本单位叫“帧”。基本内容：遥测码；转换码；第一数据块；第二数据块；第三数据块。GPS卫星及其信号（1）遥测码（telemetryword,TLW）：每个子帧的第一个字码，主要作用是指明卫星注入数据的状态，共30bit。其中，1-8bit为同步码，识别电文内容的先兆，使用户易于解调导航电文；9-22bit为遥测电文，包括OCS注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息，指示用户是否选用该卫星；23-24bit为连接作用，无意义；25-30bit为奇偶检验码，用于发现并纠正个别错误，确保正确地传送导航电文。GPS卫星及其信号（2）转换码（handoverword,HOW）：每个子帧的第二个字码，帮助用户从获得的C/A码换到P码的捕获。其中，1-17bit为Z计数；18bit表示卫星注入电文后有否发生滚动动量矩卸截现象；19bit指示数据帧的时间是否与子码的钟信号同步；20-22bit为子帧识别标志；23-24bit无意义；25-30bit为P6。GPS卫星及其信号（3）第一数据块：第一子桢的第3-10字码。①传输参数N：第3字码的13-16bit；指明该颗卫星可能达到的测距精度（URA），值为1-15。N与URA的关系NURA/mNURA/mNURA/m00.00~2.4059.65~13.6510192~38412.40~3.40613.65~24.0011384~76823.40~4.85724.00~48.0012768~153634.85~6.85848.00~96.00131536~307246.85~9.65996~192143072~6144附：N=15时，URA6144m。GPS卫星及其信号②电离层时延改正第7字码的17-24bit，表示L1-C/A码和L1-P码伪距测量的电离层时延改正。它采用Klobuchar电离层时延改正模型。③星钟数据龄期AODC第3字码的23、24bit，及第8字码的1-8bit。④卫星时钟改正GPS卫星及其信号（4）第二数据块：由第二、三子桢共同构成，表示GPS星历，是主要电文。开普勒6参数轨道摄动9参数时间2参数（5）第三数据块：由第4、5子桢构成。GPS卫星及其信号GPS星历，是一系列描述GPS卫星运动及其轨道的参数。它包括广播星历和后处理星历。1.广播星历：是由GPS卫星通过导航电文直接向用户播发的用于实时数据处理的预报星历，包括开普勒参数（6个）和必要的轨道摄动改正项参数（9个）、参考时刻及星历数据龄期共17个。2.后处理星历：是一种用于测后数据处理的GPS精密星历，是由第三者提供给用户的GPS星历。GPS卫星及其信号第四节GPS信号的调制和解调GPS卫星及其信号GPS信号的调制:X(t)=A·CoS（ωt+φ)调制X`(t)=±A·CoS（ωt+φ)GPS卫星及其信号信号的解调(重建载波)X`(t)=±A·CoS（ωt+φ)解调X(t)=A·CoS（ωt+φ)GPS卫星及其信号重建载波的方法:1)、码相关法:X(t)=A·CoS（ωt+φ)调制X`(t)=±A·CoS（ωt+φ)X`(t)=±A·CoS（ωt+φ)再解调X(t)=A·CoS（ωt+φ)※码相关法的特点:方法简单可获得导航电文,但必须要掌握测距码的结构。GPS卫星及其信号2)、平方法(白噪声法):※平方法的特点:不必知道测距码的结构,但去掉测距码的同时亦失去了导航电文。3)、互相关法(混合型接收机)利用上面二法的优点对信号进行解调,重新获得载波信号。;2cos22cos2222tAAtAtXGPS卫星及其信号第三章GPS卫星及其信号测距码(PRN码)------粗码(C/A码)精码(P码)载波------L1载波(1575MHz)L2载波(1227MHz)导航电文(D码)GPS信号的调制与解调1.携带低频的测距码信号与导航电文.2.载波相位测量.以GPS星历为主,用以确定卫星的位置1.精确地测定GPS信号传播时间,进而确定站星距离.2.伪距测量GPS卫星及其信号微波波段的划分波段波长/cm频率/MHz代号简称P——130-75225-400L22cm波段75-15400-2000S10cm波段15-7.52000-4000C5cm波段7.5-3.654000-8200X3cm波段3.65-2.428200-12400Ku2cm波段2.42-1.6612400-18000K1.25cm波段1.66-1.1318000-26500Ka0.8cm波段1.13-0.7526500-40000Q-W0.4cm波段0.75-0.37540000-80000GPS卫星及其信号思考题1．GPS卫星可以发射几种载波？频率和波长各是多少？2．确定GPS卫星载波的原因包括哪几点？3．GPS卫星所发射的测距码包括哪些？各有什么特点？波长又是多少？4．什么是码？什么是伪随机噪声码？5．如何利用PRN的特性来测量星站之间的距离？GPS卫星及其信号6．导航电文包括哪些内容？各有什么用处？7．什么叫星历？分别叙述广播星历和精密星历的特点并举例说明精密星历包括哪些?。8.什么是信号的调制？信号的解调？解调的方法都有哪些？