卫星导航-系统信号

丁继成哈尔滨工程大学自动化学院卫星导航—系统信号HarbinEngineeringUniversityGPS系统组成及各部分作用地面监控系统卫星用户GPS系统组成及各部分作用GPS卫星轨道和星座星座基本参数：卫星数（颗）21+3轨道数（个）6倾角55°轨道平面间距60°运行周期11h58min卫星轨道高度（km）20200GPS卫星星座GPS系统组成及各部分作用GPS星座的卫星分布GPS系统组成及各部分作用GPS卫星24小时的运行轨道图GPS系统组成及各部分作用0DegreesLatitude-Equator654789101112130102030405060NumberofSatellitesinViewProbability35DegreesLatitude6547891011121305101520253035NumberofSatellitesinViewProbability40DegreesLatitude6547891011121305101520253035NumberofSatellitesinViewProbability90DegreesLatitude-Pole6547891011121301020304050NumberofSatellitesinViewProbability可见卫星数量GPS系统组成及各部分作用GPS卫星作用接收、存储导航电文生成并发送用于导航定位的信号接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途主要设备太阳能电池板原子钟信号生成与发射装置GPS系统组成及各部分作用第一代第二代项目BlockⅠBlockⅡBlockⅡABlockⅡR卫星数1191922发射时间1978~19851989~19901990~19971997~用途试验性正式工作正式工作改进GPS系统寿命（年）57.37.37.8重量（kg）7748458451075时标一台铯钟和二台铷钟二台铯钟和二台铷钟二台铯钟和二台铷钟三台铷钟SA能力无有有有AS能力无有有有独立操作（天）1414180180卫星通讯能力无无有有星间通讯能力无无无有每天注入次数3111GPS系统组成及各部分作用GPS系统组成及各部分作用GPS系统组成及各部分作用GPS系统组成及各部分作用GPS地面监控系统空间段注入站监测站主控站主控站：1个;监测站：6个;注入站：4个;通讯与辅助系统。GPS系统组成及各部分作用KwajaleinAtollUSSpaceCommandHawaiiAscensionIs.DiegoGarciaCapeCanaveral注入站主控站监测站GPS系统组成及各部分作用主控站:管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。监测站:接收卫星数据，采集气象信息，实时监测卫星，并将收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、科罗拉多州法尔孔空军基地、阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）、卡瓦加兰（太平洋）。注入站:将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）、卡瓦加兰（太平洋）。GPS系统组成及各部分作用用户设备GPS接收机TrimbleGPSPatchAntennaGPS系统组成及各部分作用接收机分类（用途）车载型——用于车辆导航定位；航海型——用于船舶导航定位；航空型——用于飞机导航定位;星载型——用于卫星导航定位;测地型——用于大地测量。GPS系统组成及各部分作用接收机分类（载波频率）单频接收机：单频接收机只能接收L1载波信号，不能消除电离层误差;双频接收机：双频接收机可以同时接收L1、L2载波信号。利用不同频率对电离层延迟的差别，可以消除电离层延迟的影响。单频接收机双频接收机GPS系统组成及各部分作用接收机分类（通道数）多通道接收机序贯通道接收机多路多用通道接收机内置SiRF第三代20通道高灵敏度接收机GPS系统组成及各部分作用接收机分类（工作原理）码相关型接收机：利用码相关技术得到伪距观测值；平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值；混合型接收机：综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值；干涉型接收机：将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。GPS系统组成及各部分作用GPS接收机基本结构基带处理模块应用处理模块通道...通道2通道1低噪声放大器下变频器A/D变换器AGC导航解算用户接口射频前端模块模拟中频数字中频天线模块参考晶振频率合成器跟踪捕获电文同步GPS卫星信号GPS信号包括三种信号分量：载波、测距码和数据码(导航电文)。时钟频率f0=10.23MHz，利用频率综合器产生所需要的频率。GPS信号构成L11575.42MHzL21227.60MHz时钟频率10.23MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz101154120D码50HzD码50HzGPS卫星信号载波可运载调制信号的高频振荡波L1，L2测距码用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码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）导航电文由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星空间位置、工作状态、卫星钟修正参数和电离层改正参数等重要数据的二进制码，也被称为数据码（D码）L2P2DL1C/AP1DGPS卫星信号C/A码（Coarse/AcquisitionCode）由M序列优选对组合码形成的Gold码（G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；码长很短，可以在一秒钟搜索一千次，所以C/A码除了用于捕获卫星信号和提供伪距观测量外，还可以过渡到捕获P码。GPS卫星信号C/A码产生GPS卫星信号P码（PreciseCode）由两组12级反馈移位寄存器产生；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。C/A码和P码的频谱带宽是扩频码频率的2倍GPS卫星信号GPS卫星信号0111GPS卫星信号CarrierwaveC/AandDatastreamCarrieranddata20ms1ms1databitGPS卫星信号GPS卫星信号012345678x106012345678x108Frequency(Hz)AmptitudeGPS卫星信号载波L1C/A码P码载波L2D码(导航电文)相移90°()()iiCtDt()iPt()()iiPtDt()iCt基准时钟模2加法器调制器信号合成器()iDtGPS卫星信号102301()()()1023cctRCtCtdtT6310.061610236510.06350.00110231023、-、-11()0(1)cccccTTRTLTC/A码自相关GPS卫星信号C/A码互相关631650.06160.0010.0635102310231023、-、-抗白噪声干扰抗窄带干扰01234567GPS卫星信号IncomingcodeGeneratedcodeCorrelationSPS与PPSSPS：标准定位服务，使用C/A码，民用PPS：精密定位服务，可使用P码，军用SA(SelectiveAvailability)选择可用性（SelectiveAvailability）：人为降低普通用户的测量精度。方法ε技术：轨道加绕（长周期，慢变化）δ技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）AS(Anti-Spoofing)反电子欺骗：P码加密，P+W＝Y美国政府于1991年7月1日实施SA技术，2000年5月2日解除SA和ASSA和AS带SA和AS的GPS信号产生过程SA和ASSA和ASSA对定位精度的影响SA和ASGPS卫星信号质量dB,dBm,dBWGPS卫星信号质量GPS卫星天线的发射功率为478.63W，P=10log10(478.63)=26.8dBW。如果接收天线具有单位增益，则信号在自由空间的衰减（Free-spaceLoss）为221970.19()()5.7310182.4dBW44210FR大气层对GPS信号的衰减（AtmosphericAttenuation）约为A=-2.0dBW，接收天线的极化损失（PolarizationMismatchloss）约为M=-2.4dBW，则到达地面时载波波长卫星距地面高度26.8182.42.02.4160dBW=130dBmSPFAMGPS卫星信号质量SNR130dBm(111dBm19dB/2M)HzGPS卫星信号质量接收机灵敏度是指接收机所能检测的最低输入信号功率，通常以dBm为单位。为评估接收机基带算法的性能，使用与带宽无关的噪声功率谱密度（1Hz带宽上的噪声功率）来表示噪声，此时的信噪比指的是载波-噪声功率谱密度之比C/N0（dB/Hz），简称载噪比。因此，可计算的噪声功率谱密度为1010log(0.001)174dBm/HzThermalNoisePkT0C/N130dBm(144dB/Hz74dBm)ThermalNoiseSPGPS卫星信号质量条件信号强度（dBm）C/N0（dB/Hz）信噪比（dB/2MHz）室外直射-120dBm54-9室外高仰角-125dBm49-14室外中仰角-130dBm44-19室外低仰角/室内极强信号-135dBm39-24室外极低仰角/室内强信号-140dBm34-29室内中等强度信号-145dBm29-34室内弱信号-150dBm24-39室内微弱信号-155dBm19-44室内极弱信号-160dBm14-49导航电文结构导航电文45123456789106s1230.02s30s1个主帧1个子帧1个字码1个页面每个子帧含25个页面0.6s导航电文当前3个子帧第25次重复发送时，第4、5子帧的所有页面才第一次发送完毕。完整的GPS导航电文需要30×25=750s导航电文电文内容导航电文遥测字和转换字Z计数GPS中完整的Z计数由P码发生器中的X1寄存器产生，共有29位，可用于快速捕获P码。其中的低19位表示星期时间（TimeOfWeek,TOW），周期为1.5秒，计数范围为0~403199；高10位表示GPS星期数（WeekNumber,WN），计数范围为0~1023，表示自1980年1月6日零时至当前时刻所经历的星期数，每经过1024个星期产生一次翻转。转换字中发送的只是完整Z计数的17位，是TOW的截短，作为下一子帧电文开始发送的标志。导航电文轨道参数导航电文示例RINEX格式导航电文ReceiverINdependentEXchangeRINEX格式导航电文GPS卫星在轨位置计算0Maa(1-e2)SP卫星轨道GPS卫星在轨位置计算观测时间处理电文中给出的GPS卫星轨道参数是对应于星参考时刻toe的。因此，于某时刻t观测卫星，需将观测时间t归化为tktk＝t－toe在计算tk时，应注意toe是由每星期历元（星期六/星期日子夜零点）开始计量的。当tk＜302400时，应减去604800s。当tk＞302400时，应加上604800s。GPS现代化第二民用信号空间用户服务第三民用信号1ON3menu2Rockwell4567WPT8POS9NAVCLRMARK0OFFNUMLOCKFIXFOM1N42*01”46.12”W091*38’54.36”EL+00862ftZEROIZEM码GPSIII第