GPS定位原理第四章.doc

第1节 GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码（D码））：是用户用来定位和导航的数据基础它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延码转换到捕获P码的信息它的基本单位是长1500bit的一个主帧（如图4-1所示），传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完即第4、5子帧是12.5分钟播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新 4.1.1遥测码（TLW，即Telemetry Word）遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据的状态，以次指示用户是否选用该颗卫星4.1.2转换码（HOW,即Hand Over Word）转换码位于每个子帧的第二个字码，其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数，它表示从每星期天零时到星期六24小时，P码子码X1的周期（1.5秒）重复数4.1.3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：①标识码，时延差改正；②星期序号；③卫星健康状况；④数据龄期；⑤卫星时钟改正系数等。

 1.时延差改正时延差改正就是载波L1、L2的电离层时延差当使用单频接收机时，为了减小电离层的影响，提高定位精度，要用改正观测结果，双频接收机可通过L1，L2两频率的组合来消除电离层的影响，不需要此项改正2.数据龄期AODC卫星时钟的数据龄期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AODC=Toc-tl               (4-1)式中：toc为第一数据块的参考时刻；tl是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间3.星期序号WNWN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4.卫星时钟改正GPS时间系统是以地面主控站的主原子钟为基准由于主控站主钟的不稳定性，使得GPS时间和UTC时间之间存在着差值地面监控系统通过临测确定出这种差值，并用导航电文播发给广大用户每一颗GPS卫星的时钟相对GPS时系存在着差值，需加以改正，这是卫星时钟改正：Δts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2       (4-2)式中，a0,a1,a2含义见3.4节4.1.4  第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。

描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类如图4-2所示）3.时间二参数(1)从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe；(2)星历表的数据龄期AODE，有:AODE＝toe-t1        （４－３）式中t1为作预报星历测量的最后观测时间，因此AODE就是预报星历的外推时间长度4.1.5  第三数据块第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星1.第4子帧(1)第2，3，4，5，7，8，9，10页面提供第25～32颗卫星的历书；(2)第17页面提供专用电文，第18页面给出电离层改正模型参数和UTC数据；(3)第25页面提供所以卫星的型号、防电子对抗特征符和第25～32颗卫星的健康状况；(4)第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24页作备用，第13，14，15页为空闲页2.第5子帧(1)第1～24页面给出第1～24颗卫星的历书；(2)第25页面给出第1～24颗卫星的健康状况和星期编号。

在第三数据块中，第4和第5子帧的每个页面的第3字码，其开始的8个比特是识别字符，且分成两种形式：（a）第1和第2比特为电文识别（DATA ID）；(b)第3～8比特为卫星识别（SV ID）第2节 GPS卫星的导航电文和卫星信号4.2.1  概述GPS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：载波、测距码和数据码时钟基本频率为10.23MHzGPS信号的产生，如图4-3所示GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其载波处于L(22cm)波段，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码GPS卫星向广大用户发送的导航电文称为数据码，其码的码率f=50HZ怎样才能有效将低码率的导航电文发送给用户这是关系到GPS系统成败与否的大问题一种有效的发送方法是：用低码率的数据码作二级调制(扩频)第一级，用50Hz的D码调制一个伪噪声码，如调制一个被叫做P码的伪噪声码，后者的码率高达10.23MHZD码调制P码的结果是形成一个组合码，致使D码信号的频带宽度从50Hz扩展到了10.23MHZ，也就是说，GPS卫星原拟发送50bit／s的D码，转变为发送10.23Mbit／s的组合码P(t)D(t)。

在D码调制伪噪声码以后，再用它们的组合码去调制L波段的载波，实现D码的第二级调制．从而形成向用户发送的已调波每颗GPS卫星向用户发送两种巳调波为了叙述方便，分别将两者称为第一和第二GPS卫星射电信号，总称为GPS信号· 两种载波在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机GPS使用两种载波：L1载波：fL1=154×f0=1575.42MHz,波长λ1=19.032cm,L2载波：fL2=120×f0=1227.6MHz,波长λ2=24.42cm选择这两个载频，目的在于测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差2、测距码GPS卫星的测距码是用调相技术调制到载波上的调制码幅值只取0或1如果当码值取0时，对应的码状态取为-1，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制这时，当载波和相应的码状态+1相乘时，其相位不变，而当与码状态-1相乘时，其相位改变180°所以当码值从0变1或从1变为0时，都将使载波相位改变180°这时的载波信号实现了调制码的相位调制（见图4-4a）3、数据码数据码即为4.1节中的导航电文。

根据这一原理，GPS中的三种信号将按图4-4b的线路进行合成，然后向全球发射，形成今天随时都可以接收到的GPS信号从图上看出，卫星发射的所有信号分量都是由同一基本频率f0(A点)产生的，其中包括：载波L1(B点)，L2（C点），粗测距码C/A（D点），精测距码（F点）和数据码（G点）经卫星发射天线（H点）发射出去发射的信号分量包括：L1-C/A（J点），L1-P信号（K点），L2-P信号（L点）4.2.2  伪随机噪声码的产生及特性伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则· 产生方式  伪随机码的产生方式很多GPS技术采用m系列，即产生于最长线性反馈移位寄存器下面以一个由四级反馈移位寄存器组成的m序列为例假设初始状态为(a3,a2,a1,a0)=（1，0，0，0），则在每移一位时，由a3和a0模2相加，产生新的输入a3⊕a0，使状态变为（1，1，0，0）这样移位15次，又回到初始状态在完成这一过程中，其输出端产生一个随机码——000111101011001见图4-5M序列有下列特性：(1)均衡性：在一个周期中，“1”与“0”的数目基本相等，“1”比“0”的数目多一个。

它不允许存在全“0”状态2)游程分布：在序列中，相同的码元连在一起称为一个游程一般说来，长度为1的游程占总数的1/2，长度为2的游程占总数的1/4，余此类推连“1”的游程和连“0”的游程各占一半3)移位相加特性：一个m序列mp与其经过任意次延迟移位产生的另一个序列mr模2相加，得到的ms仍是m序列，即mp⊕mr=ms(m序列)       (4-6)(4)自相关函数：根据自相关函数的定义，可求得m序列的自相关函数：式中:A为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素相同的数目；D为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不同的数目；M为m序列的周期, M=2n-1根据以上m序列的特性，其自相关函数为：现将m序列的自相关函数示于图4-6中由此图看出，m序列的自相关函数只有两种取值1或-1/m这一特殊性非常重要，GPS信号接收机就是利用这一特性使所接收的伪噪声码和机内产生的伪噪声码达到对齐同步，进而捕获和识别来自不同GPS卫星的伪噪声码，解译出它们所传送的导航电文，测定从卫星到测站之间的距离等2、伪噪声特性：如果我们对随机噪声取样，并将每次取样按次序排成序列，我们发现其功率谱为正态分布由此形成的随机码具有噪声码的特性，伪随机码特性上与随机噪声十分相似，具有的良好的自相关特征和确定的编码规则，使我们人工能复制出来。

4.2.3  C/A码1、产生方式  C/A码是伪随机操声码的中一种，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的两个移位寄存器于每星期六/日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，序列G1(t)和G2(t)G2(t)序列经过相位选择器，输入一个与G2(t)平移等价的m序列，然后与G1(t)模2相加，便得到C/A码:2、C/A码特点  从这些G（t）码中选择32个码以PRN1……PRN32命名各种GPS卫星由于C/A码长很短，易于捕获，所以C/A码除了作为粗测码外，还作为GPS卫星信号的捕获码并由此过渡到捕获P码3、C/A码精度  C/A码的码元宽度较大假设两个序列的码元对齐误差为码宽的1/10～1/100，则此进相应的测距误差为29.3～2.93m现代科学技术的发展，使得测距分辨率大大提高一般最简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到0.1m4.2.4  P码1、产生方式  P码是卫星的精测码，码率为10.23MHz它是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的PN1(t)是由两级12位移位寄存器构成的。

两个移位寄存器分别采用反馈点八进制编码14501和17147形成周期为1.5秒的m序列PN1（t）相应的周期为:,在实际应用中，P码采用7天的周期，即在P(t)=PN1(t)•PN2(t+niτ)中截取段周期为7天的P码，并规定每星期六午夜零点使P码置全“1”状态作为起始点2、P码精度  P码周期为约267天才重复一次因此，实际上P码周期被分为38部分(每一部分周期为7天，码长约为6．19X1012比特)，其中有一部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星这样，每颗卫星所使用的P码不同部分，便都具有相同的码长和周期，但结构不同因为P码的码长约为6．19x1012比特，所以如果仍采用搜索C／A码的办法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，那将是无法实现的(约需14x105天)因此，一般都是先捕获C／A码，然后根据导肮电文中给出的有关信息(即Z计数，获得观测时刻在P码中的位置)，便可容易地捕获P码     另外，由于P码的码元宽度为C／A码的1／10，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l／10～l／100，则由此引起的相应距离误差约为2．93-0．29m，仅为C／A码的1／10。

所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为。