GPS(卫星信号)解析

GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS学习要求了解码的概念，了解随机噪声码的概念及其特征，理解GPS测距码的产生原理，理解GPS导航电文及其组成，掌握GPS卫星星历的概念，理解利用GPS卫星星历进行卫星坐标计算方法，了解卫星载波信号及其组成，了解美国的GPS政策。GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPSGPS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：数据码（导航电文）测距码载波卫星时钟基本频率f0为10.23MHz，是产生上述三种信号的基础。GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS4.1GPS卫星的测距码信号4.2GPS卫星的导航电文4.3GPS卫星星历4.4GPS卫星的载波信号4.5美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策主要内容GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS码的基本概念码码元编码表达信息的二进制数及其组合将各种信息按某种规则表示为数码的过程码组合中的每个二进制数均称作码元，单位是bit数码率数字化信息的传输速度，单位为bit/s或BPS码长一个周期内码元的最大个数，以Nu表示。码元宽度钟脉冲的时间间隔，以tu表示因此一个码序列的周期为码长Nu与码元宽度tu的乘积，以Tu表示，即Tu=Nu×tu4.1GPS卫星的测距码信号GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS自相关性码序列的相关程度，用以比较码序列之间的结构，以相关函数R(t)表示，()uuuuSDRtSD码値相同的码元个数码値相异的码元个数结论随机噪声码具有良好的自相关性。码元值完全无规律的码序列。非周期、无法复制码的基本概念随机噪声码序列1两个相同的码序列对齐0其他情况4.1GPS卫星的测距码信号概念特征一特征二GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS1()uuuuSDRtSD两个相同的码序列对齐0其他情况21ruN码的基本概念伪随机噪声码4.1GPS卫星的测距码信号具有随机噪声码的良好自相关性特征一具有周期性，可以复制，特征二伪随机噪声码由r级移位反馈寄存器产生，码长为GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS码的基本概念输出状态编号各级状态34末级输出①②③④1201300.110140001115100000601000070010108100111911000010011010111011011201011113101010141101111511111110110011111100111R(t)=-1/(2r-1)≈0可见，伪随机噪声码具有良好的自相关特性，并且具有周期性，可以复制。以四级反馈移位寄存器为例1111钟脉冲置“1”脉冲1111伪随机噪声码4.1GPS卫星的测距码信号0GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS由两个具有良好互相关特性的同族m码序列构成的哥尔德码（GoldCode）族。r级移位寄存器只能产生码长为2r-1的m序列，然而实际应用中，往往需要各种不同码长序列。GPS卫星发播两种伪随机测距码：由两个码长互素的m码组成模2和复码；精密测距码p码粗捕获码C/A码GPS的测距码信号4.1GPS卫星的测距码信号GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPSC/A码产生原理)()()(021iNtGtGtGGPS的C/A码是由两个10级移位寄存器产生的m序列G1和G2，经模2和产生的复合码。GPS的测距码信号4.1GPS卫星的测距码信号码元对应的时间，为1/1023msG1与G2间相位偏置的码元数C/A码是利用两个同周期、具有良好互相关特性的同族的m码序列，组成复合码序列族，称此为哥尔德码。这些码既具有良好的自相关特性，又具有优良的互相关特性。GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPSC/A码是短码，易于搜索和捕获；并可据此捕获P码。C/A码数字特征及其定位精度GPS的测距码信号4.1GPS卫星的测距码信号C/A码的数字特征码长Nu=2r-1=1023bit码元宽度对应长度L=c×tu=293.1m周期Tu=Nu×tu=1msC/A码的精度对应的测距误差可达29.3-2.93m结论C/A码精度较低，所以称其为粗码(Coarse/AcquisitionCode)由于钟脉冲频率f1=1/10f0=1.023MHZ，码元宽度为tu=1/f=0.97752μs，若两个序列的码元相关误差为码元宽度的1/10~1/100，钟脉冲的时间间隔GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS)()()(21pintXtXtPP码产生原理GPS的测距码信号4.1GPS卫星的测距码信号GPS的P码是由两个12级移位寄存器产生的m序列X1和X2，组成的模2复合码。ni为子码X2的延迟参数，规定取区间[0,36]的正整数。当ni取0、1、2、…36时，就构成37个平移等价的P码。P码的数字特征码长Nu=212-1=2.35×1014bit码元宽度对应长度L=c×tu=29.3m周期Tu=Nu×tu=267d由于钟脉冲频率f1=f0=10.23MHZ，码元宽度为tu=1/f=0.097752μs，GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPSP码的一周期分为38部分，每部分7天，码长约6.19×1012bit。(PreciseCode)P码的结构GPS的测距码信号4.1GPS卫星的测距码信号5部分由地面监控站使用，1部分闲置，其他32部分各分配给一颗卫星每颗卫星所用P码结构不同，码长和周期相同若以50码元/s的速度搜索，C/A码仅需20.5s，P码需14×155天P码的捕获方法是先捕获C/A码，根据导航电文中给出的相关信息捕获P码P码的精度约为0.29-2.93m结论P码精度高，称为精码，用于较精密的导航定位P码码元宽度为C/A码的1/10，引起的距离误差P码结构保密，不供民用GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS•C/A码和P码主要特征指标特征指标C/A码P码产生物理单元10级反馈移位寄存器12级反馈移位寄存器码长Nu=2r-11023bit2.35×1014bit频率f0.1f0（1.023MHz）f0（10.23MHz）码宽tu=1/f0.97752μs0.097752μs周期=Nu×tu1ms267d码宽等效距离λ=c×tu293.1m29.3m测距误差(1/10-1/100码宽)29.3-2.9m2.93-0.29m特征粗码、开放、二值精码、保密、二值GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS导航电文是以二进制码的形式按规定格式组成，以帧为单位向外播送，又叫数据码（D码）导航电文基本单位为帧，一帧导航电文长1500bit，其传输速率是50bit/s，播发一帧电文的时间为30秒钟。4.2GPS的导航电文概述导航电文是用户进行定位和导航的数据基础意义概念基本单位GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS重复与更新周期第4、5子帧共25页，750秒重复一次，卫星注入新的导航数据后内容更新。第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。一帧导航电文含5个子帧，每个子帧10个字码，每个字码30bit电文，一子帧电文的持续播发时间为6s。4.2GPS的导航电文第1、2、3子帧与第4、5子帧的每一页构成一帧电文，每25帧导航电文组成一个主帧。GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS导航电文的组成遥测码：表明卫星注入数据的状态转换码：提供从C/A码转换到P码的Z记数第一数据块:时延差改正、星期序号、卫星健康状况、数据龄、卫星时钟改正系数第二数据块：卫星星历，提供有关卫星位置信息。第三数据块：包含所有GPS卫星的历书数据，用于选星4.2GPS的导航电文GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS载波L1、L2的电离层时延差。从1980年1月6日世界协调时（UTC）子夜零点起算的GPS星期数为星期序号WN。第一数据块4.2GPS的导航电文时延差改正Tgd星期序号WNTDTIAT32.184sGPST198019s4sUTCUT119871977.1.1GPSTUTCGPST与协调时（UTC）的时刻规定于1980年1月6日相一致。卫星时钟改正时钟龄期AODCGPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS2210)()(ococsttattaat卫星钟差卫星钟速卫星钟漂，即钟速变化率第一数据块的基准时间GPS卫星的时钟相对于GPS时间系统的偏差即为卫星时钟改正时延差改正Tgd星期序号WN卫星时钟改正时钟龄期AODC第一数据块4.2GPS的导航电文GPS时间系统以地面主控站的原子钟为基准基准时间给出的卫星钟改正参数精度随时间的推移而下降时钟改正数的外推时间间隔表明卫星时钟改正数的置信度AODC=toct1最近一次更新卫星钟改正参数的时间GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS第二数据块4.2GPS的导航电文开普勒轨道系数轨道摄动参数时间参数（卫星星历）aeifs卫星轨道椭圆长半轴的平方根卫星轨道椭圆偏心率0参考时刻t0的轨道面倾角0参考时刻t0的升交点赤经近地点角距参考时刻t0的平近点角M0GPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS第二数据块4.2GPS的导航电文开普勒轨道系数轨道摄动参数时间参数（卫星星历）M0=n(t0-τ)n平均角速度改正数，即卫星运动的平均角速度与计算值之差升交点赤径变化率（弧度/秒）i卫星轨道平面倾角的变化率Crs和Crc升交矩角的正余弦调和项改正的振幅（弧度），ssf轨道倾角的正余弦调和项改正的振幅（弧度），Cis和Cic卫星矢径的正余弦调和项改正的振幅（米），Cus和Cuc春分点Msfi升交点S近地点z=2π/TGPSPrinciplesandApplicationsChapter4SatelliteSignalsofGPS第二数据块4.2GPS的导航电文轨道摄动参数时间参数（卫星星历）)2sin()2cos()2sin()2cos()2sin()2cos(kiskicikrskrcrkuskucuCCCCCC升交点角距、卫星矢径和轨道面倾角的摄动改正项从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻