GNSS相关知识介绍全解

GNSS相关知识介绍主讲人：孙泉目录一、GNSS系统介绍二、GPS系统的组成及信号结构三、A-GPS技术四、GPS模块电路五、GPS模块测试六、Q&AGNSS系统介绍GNSS是GlobalNavigationSatelliteSystem的缩写，中文译为全球导航卫星系统。目前，GNSS包含了以下系统：QZSSIRNSSGPSGLONASSGalileoCompassGNSS系统介绍GPS/Glonass/Galileo系统主要参数对比GPS系统组成及其信号结构GPS系统组成GPS系统描述整个GPS系统由三个功能部分组成：控制部分太空部分用户部分GPS系统组成GPS系统控制部分•Hawaii(夏威夷)、•Colorado(科罗拉罗州)、•Ascension(阿森松岛)、•DiegoGarcia(迪戈加西亚岛)•Kwajalein(夸贾林岛)GPS系统组成GPS系统控制部分作用•观察卫星运动情况并计算卫星轨道数据•监测卫星时钟并做相应的预测•同步机载卫星时间•中继转发接收到的某颗卫星精确轨道数据•中继转发接收到的所有卫星粗略轨道数据•中继转发其他信息，包括卫星健康状态、时钟误差信息等GPS系统组成GPS系统太空部分•24+3颗卫星(最多32颗)•6个轨道平面•距地面高度20180km•与赤道面夹角为55°•WGS84坐标系统•运行周期11小时58分钟GPS系统组成GPS系统太空部分GPS卫星有效工作范围GPS卫星回到地面上方初始位置的运行周期是23小时56分钟GPS系统组成GPS系统太空部分GPS卫星分布状态示例GPS系统组成GPS系统太空部分GPS信号通信链路分析GPS系统组成GPS系统太空部分GPS信号频谱密度分布GPS卫星信号信号内容•卫星时钟参数和同步信号•精确的卫星轨道参数(广播星历)•用于确定卫星精确时间的时间校正信息•粗略的卫星轨道参数(卫星历书)•大气电离层数据•用于计算传输时间的其他校正信号•卫星的健康状态、运行信息GPS卫星信号信号结构总览框图(L1&L2)GPS卫星信号信号结构概述•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卫星信号信号结构基准频率•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GPS卫星的基准频率f0GPS卫星信号信号结构整体框图GPS卫星信号信号结构简化框图GPS卫星信号信号结构示例GPS卫星信号信号结构载波•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：25.48cmL119.03cmL224.42cmGPS卫星信号信号结构载波(续)•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）GPS卫星信号信号结构测距码•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1GPS卫星信号信号结构测距码(续)•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个；码元宽度293.05m；仅被调制在L1频段上；•P(Y)码(PreciseCode)–精码；码率10.23MHz；周期7天；1周期含码元数618710400000个；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卫星信号导航电文内容&概述导航信息内容•GPS系统时间和卫星时钟校准值•高精度的卫星轨道数据(星历)•粗略的卫星轨道数据(历书)•系统卫星健康状态导航信息概述•导航信息共分25帧，每帧1500bits，共37500bits•每帧分5个子帧，每子帧300bits•每子帧分10个Word，每个Word为30bits•完整接收需耗时37500/50=12.5分钟GPS卫星信号导航电文数据结构框图GPS卫星信号导航电文数据结构简介每帧分为5个子帧，每个子帧传输不同的信息•子帧1包含每颗卫星的星期时间、时钟修正系数等信息；•子帧2、子帧3包含了每颗卫星的星历信息；•子帧4包含电离层参数、25~32号卫星历书信息；•子帧5包含1~24号卫星历书信息、卫星健康状态信息；•每个子帧只能传输一颗卫星历书信息；GPS卫星信号导航电文遥测字&交接字遥测字TLM(30bit)•前8bit固定序列(10001011)用于信号同步；•中间16bit用于识别授权用户；•后6bit用于奇偶校验；交接字HOW(30bit)•前17bit为时间计数器，每经过6秒增加1，计数器值从0~100799循环变化；•中间7bit作用未知；•后6bit用于奇偶校验；GPS卫星信号导航电文星历VS历书用户部分测距码测距原理用户部分相关器工作原理用户部分相关器工作示意图用户部分相关器数据处理示意图(续)A-GPS技术定位技术简介基于位置的服务LBS(LocationBasedService)，它是通过电信移动运营商的无线电通讯网络(如GSM、CDMA网)或外部定位方式(如GPS)获取移动终端用户的位置信息(地理坐标或大地坐标)，在GIS(GeographicInformationSystem地理信息系统)平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。定位技术移动定位技术•A-GPS•小区识别码(Cell-ID)•到达时间差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)•增强型观测时间差(Enhanced-ObservedTimeDifference,E-OTD)•角度到达时间差(ArrivalofAngle,AOA)•蓝牙定位•WIFI定位定位技术移动定位技术Cell-ID基于Cell-ID的定位技术：该技术又称起源蜂窝小区(CellofOrigin)定位技术。每个小区都有自己特定的小区标识号(Cell-ID)，当进入某一小区时，移动终端要在当前小区进行注册，系统的数据中就会有相应的小区ID标识。系统根据采集到的移动终端所处小区的标识号来确定移动终端用户的位置。这种定位技术在小区密集的地区精度较高且易于实现，无需对现有网络和手机做较大的改动，得到广泛的应用。定位技术移动定位技术TDOA到达时间差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)定位技术：移动终端对基站进行监听并测量出信号到达两个基站的时间差，每两个基站得到一个测量值，形成一个双曲线定位区，这样，三个基站得到2个双曲线定位区，求解出它们的交结点并施以附加条件就可以得到移动终端的确切位置。由于所测量为时间差而非绝对时间，不必满足时间同步的要求，所以TDOA备受关注。定位技术移动定位技术E-OTD增强型观测时间差(Enhanced-ObservedTimeDifference,E-OTD)定位技术：在无线网络中放置若干位置接收器或参考点作为位置测量单元LMU，参考点都有一个精确的定时源，当具有E-OTD功能的手机和LMU接收到3个以上的基站信号时，每个基站信号到达两者的时间差将被算出来，从而估算出手机所处的位置。这项定位技术定位精度较高但硬件实现也复杂。定位技术移动定位技术AOA角度到达(ArrivalofAngle,AOA)定位技术：这种定位技术的首要条件是基站需装设阵列智能天线。通过这种天线测出基站与发送信号的移动终端之间的角度，进一步确定两者之间的连线，这样移动终端与两个基站可得到两条连线，其交点即为待测移动终端的位置。该定位技术的缺点是所需智能天线要求较高，且有定位盲点。定位技术室内定位技术•光跟随定位•室内GPS定位•超声波定位•蓝牙定位•WIFI定位A-GPS技术产生背景当前，基于个人消费者需求的智能化，定位服务LBS(Location-basedService)伴随网络技术的发展，需求呈大幅度增长趋势。随着GPS产品走向消费性，A-GPS作为一种易于实现的定位服务技术，经历了从政策驱动到市场驱动的转变。A-GPS最早的发展背景是来自于美国联邦电信委员会(FCC)所制定的E911政策，要求美国境内手机均须具备立即寻址功能，以在紧急时刻发挥定位寻人的用途。A-GPS技术工作原理前面章节已经讲过GPS导航电文中子帧2和子帧3包含广播星历、星期时间和时钟修正系数等信息。要想完成一次定位，需要合理分布的四颗卫星星历数据，其中最关键的是必须完整接收到子帧2和子帧3的信息，完整接收子帧2和子帧3的信息最快需要18秒时间。如果用户所处的位置信号较差(如在高楼林立的建筑群中)，只要有一些讯号未被下载，就得再耗时30秒重复下载完整的星历信息。A-GPS技术的实现原理是通过其它网络来实时或预先提供这些星历数据，以加速定位时间。A-GPS技术工作原理(续)若GPS接收器可不用解算二进制相移键控(BPSK)调变的导航资料(NavigationData)，则GPS的灵敏度可大幅提升。在没有任何辅助数据之下当卫星讯号的强度低于-142dBm时，GPS接收器便很难从噪声层(NoiseFloor)中解算正确的导航数据。但此时CodePhase的量测却可正确无误。由于导航数据和用户位置无关，因此可藉由一个具有良好接收效果的远程接收器，提供导航数据给客户端的接收器，而毋须透过接收器本身解算出导航数据，这就是AGPS的基本特色之一。远程位置服务器所提供的数据包含Ephemeris系数、Almanac系数、卫星健康数据、卫星时钟误差(ClockError)与大气层误差系数(AtmosphericErrorCoefficients)等，GPS接收器便可利用辅助信息将同相累加的时间长度延伸至超过20毫秒，即一个导航数据位的时间。A-GPS技术实现方式取得卫星定位辅助数据有两种方式：•OnlineA-GPS实时的通过GSM、GPRS、UMTS、CDMA等通信网络取得；•OfflineA-GPS通过通信网络或因特网预先下载相应的卫星星历数据；A-GPS技术发展方向A-GPS的发展可分为政策导向和市场导向：•政策导向的语音紧急服务因需要高可靠性的定位功能，因此产生了控制平面(ControlPlane)架构；•市场导向的LBS和导航应用，强调透过无线数据传输来达成定位应用服务，因此产生了用户平面(UserPlane)架构；A-GPS技术发展方向(续页)控制平面和用户平面的差异在于：•控制平面(ControlPlane)专为紧急救援服务而设计，目的是要让手机能随时随地提供高精度、高可用性的定位功能，不允许其它应用优先于此需求；A-GPS数据通过无线网络控制信道发送，可以与语音通话同时进行；•用户平面(UserPlane)基于TCP/IP协议传送数据来支持所有的LBS应用，使用在非紧急的应用上，其目的是要缩短TTFF的时间；A-GPS技术控制平面A-GPS只是定位技术之控制平面标准的一种，其它还包括基于CDMA的进阶前向链路三角定位(AFLT)技术、基于W