GPS信号与接收机教学文案.ppt

GPS信号与接收机*GPS卫星信号结构 *GPS卫星导航电文 *GPS卫星位置和速度计算 *GPS接收机 GPS卫星信号构成GPS卫星信号测距码数据码(导航电文）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段L1载波L2载波*GPS卫卫星的基准频频率 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基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600 GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码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，采用正交2PSK调制GPS卫卫星信号的载载波和调调制f0 x 120f0 x 154f0GPS载波信号基本频率控制产生三种信号分量Two Carrier Frequencies（载波频率）L1 is 154 x f0 = 1575.42 MHz, which has a wavelength of 0.19 mL2 is 120 x f0 = 1227.6 MHz, which has a wavelength of 0.24 m*GPS信号时时域表示* SiL1(t)APPi(t)Di(t)cos(1t1i) AcCi(t)Di(t)sin(1t1i)* SiL2(t)BPPi(t)Di(t)cos(2t2i)L1 载波C/A码P码（Y码）数据码L2 载波P码（Y码）数据码调制调制*载载波*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： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm*L2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm*现代化后*增加L5 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm*载载波*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）*测测距码码*作用*测距*编码增益，抗干扰*性质*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*测测距码码*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GPS现代化实施之前2003年以后L2增加C/A码2005年以后增加L5,M码*卫卫星信号的调调制*模二和*逻辑上：异或运算*双极性乘法运算：“1”表示二进制“0”， “-1”表示二进制“1”*卫卫星信号的调调制*二进制信号的相位调制2PSK SiL1(t)AC(Pi(t) Di(t)sin(L1t1)Ac(Ci(t) Di(t)cos(L1t1)SiL2(t)AP(Pi(t) Di(t)sin(L2t2)*AP、AC分别为载波L1(1575.42MHz)和载波L2(1227.6 MHz)的振幅；*Pi(t) 、Ci(t)和Di(t)分别为第i颗GPS的P码、C/A码和D码；*L1、L2分别为载L1、L2的角频率；*1、2分别为第i颗GPS卫星的载波L1、L2的初相。

SiL1(t)、 SiL2(t) 共用天馈发射*卫卫星信号的调调制卫星信号的解调关键在于恢复相干载波（相位），可通过以下两种解调技术来恢复载波（相位）：（1）复制码与卫星信号相乘：由于调制码的码值是用1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码信号完全相同的测距码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波但此时恢复的载波尚含有数据码即导航电文这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构，以便产生复制码卫卫星信号的解调调（2）平方解调技术：将接收到的卫星信号进行平方，由于处于+1、-1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响故卫星信号平方后，可达到解调目的采用这种方法，可不必知道调制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文GPS伪伪随机码码1伪随机噪声码及其特点*GPS信号都采用伪随机码序列编制或调制采用伪随机码序列是因为伪随机码具有良好自相关性伪随机码序列是GPS系统中采用伪码测距的基础GPS系统中采用m序列伪随机码还可以截短和复合加长例如一个码长为LPa伪随机序列码，和一个码长为LPa伪随机序列码，复合码后的复合码长便为： LPXLPaLPb*复合码可大为改善自相关特性，缩短寻找自相关的时间。

所以GPS系统信号码都采用复合形成的伪随机序列编码GPS的测距码GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码 C/A码： GOLD（哥尔德）码，是由两个10级反馈移位寄存器组合（模2和）而产生P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂码周期很长，不易破译，利于保密每个卫星独用一个时区，可充分利用复合码自相关特性可进行无模糊测距缺点：*码很长，不易捕获，从而需利用C/A码进行捕获C/A码与P码同步采用同一基准时钟，还在P码的每个历元时刻（初始时刻）使C/A码的两组移位寄存器全置1采用统一时钟的优点还在于在捕获C/A码基础上便于捕获P码GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础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30sGPS卫星导航电文 导航电文卫星星历卫星工作状态时间系统卫星钟偏差校正参数轨道摄动改正参数大气折射改正参数子帧5子帧1 子帧2子帧3 子帧4子帧 I遥测字 +转换字 + 数据块 I导航电文二进制码Navigation Message每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。

为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧主帧中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GPS卫星导航电文导航电文的格式123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特 按帧向外播送每一数据帧长度为1500bit，每帧又分为5个子帧，每个子帧长300bit播送速度为50bits，每帧时长30s 完整的导航信息由25帧数据组成，全部播完要125min 其内容仅在地面注入站注人新的导航数据才更新一帧导航电文的内容TLWHOW数据块1时钟修正参数TLWHOW数据块2星历表TLWHOW数据块2星历表继续TLWHOW数据块3卫星历书等TLWHOW数据块3卫星历书等子帧 1一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特子帧 3子帧 4子帧 5子帧 21、遥测码（TLWTelemetry WORD）位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导遥测码的第18比特是同步码，使用户便于解释导航电文；第922比特为遥测电文，其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息。

第23和第24比特是连接码；第2530比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误导航电文内容导航电文内容2、转换码（HOWHand Over Word） 紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数所谓Z记数是从星期日零时起，P码子码X1的周期（1.5秒）的重复数因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获到P码导航电文内容3、第一数据块 第一数据块位于第1子帧的第310字码，它的主要内容包括： a、时延差改正Tgd就是载波L1、L2的电离层 时延差 b 、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 C、 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 d 、卫星时钟改正GPS时间和UTC时间之间存在的差值主要内容包括：标识码，时延差改正；星期序号；卫星健康状况；数据龄期；卫星时钟改正系数等*L2所调制测距码标识符 “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码*星钟数据龄期AODC：时钟改正数的外推时间间隔，指明卫星时钟改正数的置信度星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）导航电文内容4、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： a、开普勒六参数。

b 、轨道摄动九参数 C、 时间二参数*第二数据块*第2、3子帧的第310个字*表示GPS卫星的星历，为用户提供了和计算卫星运动的信息，描述卫星运行及轨道的参数*发送该信号卫星的星历 广播星历*星历参数：开普勒六参数 轨道摄动九参数*时间二参数： *AODE星历表数据龄期，表示广播星历外推时间间隔，它是星历参考时刻与最后一次观测数据取得时间之差卫星星历参考时刻，它是从星期日零时开始度量星历历参数详详解*星历历参数详详解*星历历参数详详解*星历历参数详详解导航电文内容5、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卫卫星位置和速度计计算位置计算*卫星位置的确定是定位的一个必须过程，位置的确定即星历参数的计算根据广播星历计算卫星在WGS84坐标坐标广播星历精度不高，此处卫星位置计算采用简略方法1）、首先按“二体问题”公式计算轨道参数；*2）、根据导航电文给出的轨道摄动参数，进行摄动修正，计算修正后的轨道参数；*3）、继而计算卫星在轨道坐标坐标；*4）、最后，仅顾及地球自转的影响，将轨道坐标系转为WGS84坐标系。

GPS卫卫星位置的计计算*计算思路*首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标*然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道参数根据广播星历计算卫星位置*根据广播星历计历计 算卫卫星位置*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*根据广播星历计历计 算卫卫星位置*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*根据广播星历计历计 算卫卫星位置*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*根据广播星历计历计 算卫卫星位置*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精密星历按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差* 2004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77。