GPS系统组成与信号结构

21GPS系统组成与信号结构控制理论与制导技术研究中心GPS信号特性GPS卫星发射的信号包括载波、扩频码、导航电文三部分。载波频率有2个：L1:频率1575.42MHz;波长：19.03cmL2:频率1227.6MHz;波长：24.42cm原因：有助于消除电离层引起的延迟误差扩频码：伪随机码(PRN)C/A码：基码速率：1.023MHz，长度1023bit，周期1ms，码历元对应293.1m，C/A码周期对应300km。P码：基码速率：10.23MHz，周期7天，无法象C/A码那样搜索，只能由C/A码辅助捕获。AS启动后P码被加密为Y码。导航电文：数据，50bit/s基本频率f010.23MHzL11575.42MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzL21227.6MHzP码10.23MHz50bps数据码（导航电文，或D码）÷10×154×1202.4GPS信号特性L1上调制C/A码导航电文与P码导航电文，L2频率除了调制P码导航电文外，还可调制C/A码导航电文，或单独调制P码，具体哪种情况由控制区段选择，并由L1频率上调制的电文加以指示。GPS发射信号原理图振荡器L2载波L1载波P码电文C/A码△Φ=90°00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-9-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81time/s00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-9-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81time/s00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-9-1.5-1-0.500.511.5time/s00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-9-1.5-1-0.500.511.5time/s00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-9-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81time/s00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-9-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81time/s00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-9-1.5-1-0.500.511.5time/sL1载频(相位0°)L1载频(相位90°)P码调制数据C/A码调制数据使用L波段的载波1）能获得较大的多普勒频移，有利于测速。v径向相对速度2）适应扩频，传输宽带信号。3）大气衰减小，有益于研制用户设备。大气衰减与电磁波波长有关：0.25cm,0.5cm氧气谐振吸收，0.18cm,1.25cm水蒸气谐振吸收。cvff0使用扩频码传输数据降低对系统信噪比的要求。C-信道容量。B-信道带宽。S-信号平均功率。N-噪声功率。信道容量一定的情况下，信道带宽高，则信噪比低。提高信道带宽，可以允许小功率发射有用信号。)1(log2NSBCC/A码与P码的产生——源于M序列C/A码是一种G码,G码由M序列产生。M序列：最大长度伪随机二进制序列电平＋1代表逻辑0，电平－1代表逻辑1产生：由带反馈通道的n级移位寄存器生成每个带反馈通道的n级移位寄存器都能生成一个二进制序列，但不一定具有最大长度。只有某些特定的反馈才能生成最大长度的序列。n级移位寄存器能表示的数有个，去掉全0，有个，因此最大长度是n212npN12n1234CLK4级M序列发生器M序列clk12341000121000301004001051001611007011081011901011010101111011211101311111401111500111600011234CLKM序列的产生f(x)=1+x3+x4M序列的性质1的个数比0的个数“多1”。M序列延时了r个码之后与原序列模2相加，得到的序列为原M序列延时q个码后的序列。M序列的自相关函数电压的“×”)()(tutuM序列的⊕)()()(qkfrkfkfppTdttutuTN1N10)()(10的个数的个数12nM序列的互相关特性n级M序列,存在一组Mn个序列，该组内：两两互相关函数为三值函数inandn4,16pppNntNntN/]2)([,/)(,/1M序列的互相关特性该组内的M序列两两互相关函数比其它序列的互相关函数绝对值的最大值小。nNpM序列个数Mnt(n)/Npρ95114820.0650.321010236030.0640.37组内个数不多编码确定(知道生成器的结构即可)长度自相关函数12nTTuudttutuTR0)()(1lim)(M序列自相关函数M序列的特点G码两个长度相同、互相关函数极大值最小的m序列逐位模2相加构成。n级移位寄存器构成的m序列长度，两个长度为N的m序列模2相加得到的G码长度为N，其中一个m序列相位移动N次，就可得到N个这样的G码。C/A码的产生两个10级反馈移位寄存器产生的G码。每星期日子夜零点，寄存器全置1。码长：1023bit码元宽度：0.97752微秒，对应空间传播距离293.1mC/A码周期1ms通过搜索方法捕获，其上的电文可以辅助捕获P码，又称捕获码用于测距，因此又称测距码12nN10311)(xxxf109863221)(xxxxxxxfP码产生用4个12位的移位寄存器。长度38个星期。被分为37个独立序列，在1星期结束时截断。每个序列长6.1871Х1012，重复周期7天。为每一个序列编号1~37，1~32用于空间区段，33~37保留（如用于同步卫星、地面基准站）。时间基准源10.23MHzX1产生器X2产生器X1周期输出移位i10.23MHz1.5s周期脉冲P码X1X2每周六午夜零点置初态产生P码的原理方块图i=0,1,2,……,36C/A码与P码的特点码序列精确已知自相关函数具有随机序列的特性C/A码自相关函数互相关函数用户可以复现用户可以区分不同卫星信号导航电文数据结构每帧电文长度1500bit，播发速率50bit/s，用时30s每帧电文被划分为5个子帧每子帧长度300bit,播发用时6s每子帧被划分为10个字每字长度30bit,播发用时0.6s1、2、3子帧每30s重复一次，每小时更新一次4、5子帧各有25页，每30s各播发1页，750s全部播完子帧的结构每个子帧的第1个字为遥测字TLM，作为导航数据前导，标志子帧的开始。包括：同步码、操作控制区段注入数据时的状态信息、诊断信息等。共30bit前8bit----捕获信息的前导9～22bit----遥测电文：操作控制区段注入数据时的状态、诊断和其它信息，指示用户是否使用该星23、24bit----无意义25～30----奇偶校验子帧的结构每个子帧的第2个字为交接字HOW，包含辅助用户捕获P码的信息。导航电文的数据存在于第3～10个字。子帧的结构数据块——1第一子帧的第3～10个字为数据块——1包含信息如下：卫星时间计数（周数，最多1024个星期）1980.1.6凌晨——1999.8.22子夜，1999.8.23凌晨——2019.4.6子夜调制标识码（指示L2上调制P码还是C/A码）卫星测距精度URA2N(给出的是N值，N＝15精度不可靠导航数据与信号编码是否正常卫星钟参数对应的参考时刻toc卫星钟钟差校正参数相对论效应：卫星钟每秒比地面钟快448ps10.23MHz10.22999999545MHz时间偏移不是常数，残余误差修正dt=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2电离层修正延迟数据数据块——2第2、3子帧的第3～10个字为数据块——2其内容为卫星星历(ephemeris)和龄期AODE。星历：精确描述天体（如GPS卫星）位置的以时间为变量的函数的一组参数。如对轨道描述：轨道倾角、偏心率、半长轴平方根、星历参考时间等。龄期：星历数据校正后，只能在不长的时间内使用，如果星历过旧，则精度下降。龄期就是提供这种信息的。第4、5子帧第3～10个字内容包括：全部卫星的概略星历，称为历书（almanac），每子帧只能播发历书的一页。用于辅助用户捕获卫星信号。卫星的健康状况、防电子对抗信息。GPS系统时与UTC时间的关联参数。GPS接收机如何获得卫星位置？卫星的位置是通过6个轨道根数（轨道参数）和当前时间实时计算出来的。6个轨道根数及其意义轨道平面倾角iInclinationoforbitalplane升交点ZYXro春分点卫星轨道椭圆中心近地点地心远地点降交点轨道平面赤道面6个轨道根数及其意义卫星的位置是通过6个轨道根数（轨道参数）和当前时间实时计算出来的。轨道平面倾角i升交点赤经ΩRightascensionoftheascendingnode升交点ZYXro春分点卫星轨道椭圆中心近地点地心远地点降交点轨道平面赤道面6个轨道根数及其意义卫星的位置是通过6个轨道根数（轨道参数）和当前时间实时计算出来的。轨道平面倾角i升交点赤经Ω椭圆轨道半长轴aSemimajoraxisoforbitalellipse椭圆轨道偏心率eEccentricityoforbitalellipse升交点ZYXro春分点卫星轨道椭圆中心近地点地心远地点降交点轨道平面赤道面222ccabcea焦距＝回忆：6个轨道根数及其意义卫星的位置是通过6个轨道根数（轨道参数）和当前时间实时计算出来的。轨道平面倾角i升交点赤经Ω椭圆轨道半长轴a椭圆轨道偏心率e近地点角距ωargumentofperigee升交点ZYXro春分点卫星轨道椭圆中心近地点地心远地点降交点轨道平面赤道面6个轨道根数及其意义卫星的位置是通过6个轨道根数（轨道参数）和当前时间实时计算出来的。轨道平面倾角i升交点赤经Ω椭圆轨道半长轴a椭圆轨道偏心率e近地点角距ω平近点角Mmeananomaly卫星自近地点以平均角速度运行到某时刻，其矢径扫过的角度。近地点远地点矢径Oba偏近点角真近点角和矢径夹角PO’S’称为偏近点角(eccentricanomaly)，记为EE=M+esinEEeEefEeeEfcos1sin1sincos1coscos2近地点远地点矢径ObaO’PSS’夹角POS称为真近点角(trueanomaly)，记为f开普勒方程升交点fE(1cos)raeE如何计算卫星在三维空间中的坐标？升交点ZYXro春分点卫星轨道椭圆中心近地点地心远地点降交点轨道平面赤道面升交点轨道平面坐标Oxyx’升交点近地点OyX计算任意时刻的平近点角Mk卫星导航电文中已给出参考时刻toe的平近点角M0，故t时刻的平近点角为Mk＝M0＋n×tk??计算归化时间tkGPS卫星的轨道参数是相对于参考时间toe而言，因此需要计算当前GPS系统时t相对于时间原点toe的归化时间tktk=t-toe考虑到GPS时间是以周为单位7day×24h/day×3600s/h＝604800s当tk302400s时，tk应减去604800s。当tk-302400s时，tk应加上604800s。计算卫星运行平均角速度n卫星运行的平均角速度计算值，地球引力常数330)(aaGMn14323.98600510m/snnn0卫星平均运行角速度导航电文给出的改正数计算任意时刻的偏近点角和真近点角夹角PO’S’称为偏近点角(eccentricanomaly)，记为EEk=Mk+esinEkkkkkkkEeEefEeeEfcos1sin1sincos1coscos2近地点远地点矢径ObaO’PSS’夹角POS称为真近点角(trueanomaly)，记为f计算升