gps--卫星的导航电文解析.ppt

GPS测量原理及应用 (四) 主讲人：马福义,4.1 GPS卫星的导航电文,4.2 GPS卫星信号,4.3 GPS卫星位置的计算,4.4 GPS接收机基本工作原理,,导航电文,,导航电文（卫星电文）,GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础4.1 GPS卫星的导航电文,导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时钟改正、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息导航电文又称为数据码（或D码）导航电文（卫星电文）,导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s一个主帧,,,,,,一个子帧,一个字码,,卫星电文基本结构,主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新,一帧导航电文的内容,遥测码（TLM – Telemetry Word） 每一子帧的第1个字 用作捕获导航电文的前导 转换码（HOW – Hand Over Word） 每一子帧的第2个字 紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时,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：,时延差改正Tgd－就是载波L1、L2的电离层 时延差。

2. 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 3. 星期序号WN－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时间和UTC时间之间存在的差值第二数据块 第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类： 1. 开普勒六参数 2. 轨道摄动九参数 3. 时间二参数,参考时刻的平近点角,,,,,,,第三数据块,第三数据块包括第4和第5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地卫星GPS卫星信号组成,4.2 GPS卫星信号,（Carrier）,（Ranging Code）,（Message）,GPS卫星信号的组成部分 载波（Carrier） L1 L2 测距码（Ranging Code） 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）,信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生,GPS卫星信号结构,GPS卫星的基准频率 f0,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,载波①,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：25.48cm,载波②,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）,测距码①,作用 测距 性质 为伪随机噪声码（PRN － Pseudo Random Noise） 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1,全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 测距码,测距码②,类型 目前 C/A码（Coarse/Acquisition Code） – 粗码/捕获码；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 P（Y）码（Precise Code） – 精码；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 现代化后 在L2上调制C/A码 在L1和L2增加调制M码,全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 测距码,4.3 GPS卫星位置的计算,,,,卫星在地固系下的坐标计算,计算过程 计算卫星运行的平均角速度 计算t时刻卫星的平近点角 计算偏近点角,计算过程（续） 计算真近点角 计算升交距角（未经改正的） 计算卫星向径,计算过程（续） 计算摄动改正项 进行摄动改正 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置,计算过程（续） 计算升交点经度 计算卫星在地固坐标系下的坐标,4.4 GPS接收机基本工作原理,GPS接收机的分类,GPS接收机组成及工作原理,,,,,由于使用目的不同，GPS信号接收机也各有差异,GPS接收机的分类,按接收机用途划分,根据所接收的卫星信号频率划分,根据接收机信号通道类型划分,按工作原理划分,按接收机用途划分,导航型接收机,测地型接收机,授时型接收机,用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。

采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛,导航型接收机,采用载波相位观测量进行相对定位，精度高观测数据可测后处理或实时处理（RTK），需配备功能完善的数据处理软件与导航型相比，结构复杂，价格昂贵测地型接收机,主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定授时型接收机,MOTOROLA授时型GPS,根据所接收的卫星信号频率划分,单频接收机(L1),双频接收机(L1+L2),这种分法较为常见,只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20km的短基线精密定位单频接收机(L1),Smart-3100IS,9600 北极星,GPS1210,同时接收L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高双频接收机(L1+L2),Smart 6100 Is,华测X60,根据接收机信号通道类型划分,多通道接收机,序贯通道接收机,多路复用通道接收机,按工作原理划分,码相关型接收机,平方型接收机,混合型接收机,能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。

利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机,利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结构，称无码接收机综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量目前广泛使用,,,,GPS接收机组成及工作原理,GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部分组成,GPS接收机主机组成,GPS接收机天线,天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测gps螺旋天线,船用gps天线,天线的基本要求：,•天线与前置放大器应密封为一体，保障在恶劣气象环境下正常工作 •天线应呈全圆极化：要求天线的作用范围为整个上半球，天顶处不产生死角，保障能接收来自天空任何方向的卫星信号 •天线必须采取适当的防护与屏蔽措施：例如加一块基板，尽可能地减弱信号的多路径效应，防止信号干扰 •天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽量小，且保持稳定GPS接收机天线基本类型,GPS接收机主机,1、变频器及中频放大器 2、信号通道 3、存储器 4、微处理器 5、显示器,1、变频器及中频放大器,经过GPS前置放大器的信号仍很微弱，为了得到稳定的高增益信号 L频段射频信号降低为低频信号,2、信号通道,搜索卫星，牵引并跟踪卫星 对广播电文数据信号进行解扩，解调出广播电文 进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量,3、存储器,内存 保存数据，存储自测软件等,4、微处理器,接收机工作状态自检，位置计算等,5、显示器,液晶显示屏，屏幕键盘等等,电源,内置电源 一般采用锂电池，为RAM供电 外置电源 12V直流镉镍电池,GPS接收机工作原理,当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。