GPS信号与接收机

*GPS信号与接收机*GPS卫星信号结构*GPS卫星导航电文*GPS卫星位置和速度计算*GPS接收机GPS卫星信号构成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cmMHzf03.1942.157511cmMHzf42.2460.122722L1载波L2载波*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）*GPS卫星信号的生成*关键设备–原子钟*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卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。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，采用正交2PSK调制。*GPS卫星信号的载波和调制L2Carrier1227.6MHzL1Carrier1575.42MHzClockOutput10.23MHzf0x120f0x154f0GPS载波信号MHzf23.100基本频率控制产生三种信号分量•TwoCarrierFrequencies（载波频率）•L1is154xf0=1575.42MHz,whichhasawavelengthof0.19m•L2is120xf0=1227.6MHz,whichhasawavelengthof0.24m*GPS信号时域表示*SiL1(t)＝APPi(t)Di(t)cos(ω1t＋ψ1i)＋AcCi(t)Di(t)sin(ω1t＋ψ1i)*SiL2(t)＝BPPi(t)Di(t)cos(ω2t＋ψ2i)L1载波C/A码P码（Y码）数据码L2载波P码（Y码）数据码1-1-2-3-23yxy=sinx调制调制*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*编码增益，抗干扰*性质*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*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GPS现代化实施之前2019年以后L2增加C/A码2019年以后增加L5,M码*卫星信号的调制①*模二和*逻辑上：异或运算*双极性乘法运算：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”000;110;101;011111;111;111;111*卫星信号的调制②*二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS2PSKSiL1(t)＝AC(Pi(t)⊕Di(t))sin(ωL1t＋ψ1)＋Ac(Ci(t)⊕Di(t))cos(ωL1t＋ψ1)SiL2(t)＝AP(Pi(t)⊕Di(t))sin(ωL2t＋ψ2)*AP、AC分别为载波L1(1575.42MHz)和载波L2(1227.6MHz)的振幅；*Pi(t)、Ci(t)和Di(t)分别为第i颗GPS的P码、C/A码和D码；*ωL1、ωL2分别为载L1、L2的角频率；*ψ1、ψ2分别为第i颗GPS卫星的载波L1、L2的初相。*SiL1(t)、SiL2(t)共用天馈发射*卫星信号的调制③卫星信号的解调关键在于恢复相干载波（相位），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。*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、-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。*GPS伪随机码1．伪随机噪声码及其特点*GPS信号都采用伪随机码序列编制或调制。*采用伪随机码序列是因为伪随机码具有良好自相关性。*伪随机码序列是GPS系统中采用伪码测距的基础。*GPS系统中采用m序列伪随机码还可以截短和复合加长。*例如一个码长为LPa伪随机序列码，和一个码长为LPa伪随机序列码，复合码后的复合码长便为：LPX＝LPa·LPb*复合码可大为改善自相关特性，缩短寻找自相关的时间。*所以GPS系统信号码都采用复合形成的伪随机序列编码。GPS的测距码GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。C/A码：GOLD（哥尔德）码，是由两个10级反馈移位寄存器组合（模2和）而产生。P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。*①码周期很长，不易破译，利于保密。*②每个卫星独用一个时区，可充分利用复合码自相关特性。*③可进行无模糊测距。缺点：*码很长，不易捕获，从而需利用C/A码进行捕获。*C/A码与P码同步采用同一基准时钟，还在P码的每个历元时刻（初始时刻）使C/A码的两组移位寄存器全置1。*采用统一时钟的优点还在于在捕获C/A码基础上便于捕获P码。GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。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。GPS卫星导航电文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子帧5子帧1子帧2子帧3子帧4子帧I遥测字+转换字+数据块I导航电文二进制码NavigationMessage每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。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。GPS卫星导航电文导航电文的格式123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特按帧向外播送。每一数据帧长度为1500bit，每帧又分为5个子帧，每个子帧长300bit播送速度为50bit／s，每帧时长30s完整的导航信息由25帧数据组成，全部播完要12．5min。其内容仅在地面注入站．注人新的导航数据才更新。一帧导航电文的内容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1帧30s1500比特子帧3子帧4子帧5子帧21、遥测码（TLW—TelemetryWORD）位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。遥测码的第1～8比特是同步码，使用户便于解释导航电文；第9～22比特为遥测电文，其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息。第23和第24比特是连接码；第25～30比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。导航电文内容导航电文内容2、转换码（HOW—HandOverWord）紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从星期日零时起，P码子码X1的周期（1.5秒）的重复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获到P码。导航电文内容3、第一数据块第一数据块位于第1子帧的第3～10字码，它的主要内容包括：a、时延差改正Tgd－就是载波L1、L2的电离层时延差。b、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。C、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。d、卫星时钟改正－GPS时间和UTC时间之间存在的差值。*主要内容包括：标识码，时延差改正；星期序号；卫星健康状况；数据龄期；卫星时钟改正系数等*L2所调制测距码标识符–“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码*星钟数据龄期AODC：时钟改正数的外推时间间隔，指明卫星时钟改正数的置信度。*星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）LOCttAODC导航电文内容4、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：a、开普勒六参数。b、轨道摄动九参数。C、时间二参数AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,,,,,,,,,,,,,,,,000*第二数据块*第2、3子帧的第3~10个字*表示GPS卫星的星历，为用户提供了和计算卫星运动的信息，描述卫星运行及轨道的参数*发送该信号卫星的星历－广播星历*星历参数：开普勒六参数轨道摄动九参数*时间二参数：*AODE——星历表数据龄期，表示广播星历外推时间间隔，它是星历参考时刻与最后一次观测数据取得时间之差。*卫星星历参考时刻，它是从星期日零时开始度量。AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,,,,,,,,,,,,,,,,000nnnsmWGSaaGMnn0231433010986005.384)(系中定义为称为地球引力常数，在平均角速度的计算值：平均角速度的改正值*星历参数详解①：轨道长半轴的平方根A为平均角速度其中：参考时刻的平近点角nttnMtMMoe)()(00oeeoeeoeeoeeoeWoeeWoeoekeWoeoeWoekeWoettttttttGASTtGASTtttGASTtttGASTtGASTtttGASTttGASTGPS)()(])()([][][)]([)()()()()()()()()()(000为升交点赤经，则为升交点经度，为