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1、第4章 GPS卫星信号,黄海军 中国地质大学（武汉）测绘工程系,第4章 GPS卫星信号黄海军,2,GPS卫星信号的组成,1,2GPS卫星信号的组成1,3,4.1.1 关于GPS卫星信号,GPS卫星发射的三类信号载波信号 （Carrier Phase）L1L2测距码 (Ranging Code)P码（或Y码）(Precise code) 分别被调制在L1和L2 上C/A码 (Coarse/ Acquisition code) 被调制在L1上卫星的导航电文(Navigation Message/Data Message)GPS卫星信号的生成关键设备 原子钟,34.1.1 关于GPS卫星信号GPS卫
2、星发射的三类信号,4.1.2 GPS卫星信号结构,4,4.1.2 GPS卫星信号结构4,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者分频,4.1.3 GPS卫星的基准频率f0,5,由卫星上的原子钟直接产生4.1.3 GPS卫星的基准频率f0,4.1.4载波,6,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：19.03cmL2 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,4.1.4载波
3、6作用,4.1.4 载波,7,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（电离层折射延迟与信号的频率有关）,4.1.4 载波7特点,8,GPS的测距码信号,2,8GPS的测距码信号2,4.2.1 伪随机噪声码-码的基本概念,9,码（code）:表达不同信息的二进制数组合。编码（coding）：将文字，图像、声音等信息，按照一定规则，表示为二进制数组合的过程。通过编码可以将各种信息转变为相应的文本、栅格图像、矢量图形、音频、视频等具有固定格式，便于存储、编辑、传播和显示输出的数字信息集合。一个比特（bit）或一
4、个码元：一位二进制数。比特率：在信息传播的过程中，每秒传输的比特数。单位bit/s，或者用BPS（Bit Per Second）表示。比特和比特率都是码的基本单位。,4.2.1 伪随机噪声码-码的基本概念9码（code）:表达,4.2.2 随机噪声码,码是一组二进制的数码序列，可以表达成以0和1为幅度的时间函数。假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码（Random Noice）序列（或随机噪声码序列）不可复制的非周期性序列具有良好的自相关性：相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距精度，极其
5、重要,10,4.2.2 随机噪声码码是一组二进制的数码序列，可以表达,11,4.2.3 随机噪声码的自相关性,将随机序列u(t)平移k个码元，得到一个新的随机序列u(t)，如果两随机序列u(t)和u(t)所对应的码元中，相同的码元数（同为0或1）为Au，相异的码元数为Bu，则随机序列u(t)的自相关系数R(t)定义为：当平移的码元数k=0，说明两个结构相同的随机码序列，相应的码元相互对齐,Bu=0，自相关系数R(t)=1。当k0时，由于码序列的随机性，当序列中码元数充分大时，则AuBu，即自相关系数R(t) 0。根据码序列自相关系数的取值，可以判断两个随机码序列的相应码元是否对齐。,114.2
6、.3 随机噪声码的自相关性将随机序列u(t)平移,12,4.2.3 随机噪声码的自相关性,假设GPS卫星发射的是一个随机码序列u(t)，而GPS接收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列u(t)，则由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的u(t)与u(t)之间产生了平移，即相应的码元错开，因而R(t) 0如果通过一个时间延迟器来调整u(t)，使之与u(t)的码元相互完全对齐，即有R(t) =1则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而准确测定GPS卫星到测站的距离随机序列相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距精度，非常重要,124.2.3 随机噪声码的自
7、相关性假设GPS卫星发射的是,13,4.2.4 伪随机噪声码及其产生,尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用GPS采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random Noise-PRN）简称伪随机码或伪码，特点是：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有0或1两种状态。移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置1脉冲。移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置1脉冲的作用下而工作的,134.2.4 伪随机噪声码及其
8、产生尽管随机码具有良好的自,4.2.4伪随机噪声码及其产生,14,四级反馈移位寄存器,4.2.4伪随机噪声码及其产生14四级反馈移位寄存器,4.2.4伪随机噪声码及其产生,状态编号各存储单元状态模二相加输出码元11 1 1,4.2.4 伪随机码及其产生,码序列的产生也可以选择其它的反馈方式，以上介绍的是的反馈方式，还可以是等其他方式。一般说来，对于一个r级反馈移位寄存器来说，它可能经历的状态有Nu是码序列的长度，如果每个钟脉冲的时间周期为tu,该码序列的最大周期为：以上例子r4，属于周期较短的伪码。在GPS测距中，为了保证测量精度还需要周期更长，结构更复杂的伪随机噪声码。,2022/11/4,
9、16,4.2.4 伪随机码及其产生码序列的产生也可以选择其它的反,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：是由两个10级反馈移位寄存器组合产生码长Nu=210-1=1023比特码元宽为tu=1/f1=0.97752s,（ f1为基准频率f0的1/10，1.023 MHz）相应的距离为293.05m周期为Tu= Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为1/100，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称
10、粗码,4.2.5 C/A码（Coarse/Acquisition Code）,17,GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均,P码 P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长 Nu2.351014比特码元宽 tu=1/f0=0.097752s相应的距离 29.3m。周期 Tu= Nutu 267d数码率 10.23Mbit/s 被调制在L1和L2上,4.2.6 P码（Precise Code）,18,P码4.2.6 P码（Precise Code） 18,P码P码的周期长，267天，实际应用时P码的周期被分成38部分，（每
11、一部分为7天，码长约6.19 1012bit）其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。码分多址P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。,4.2.6 P码（Precise Code）,19,P码4.2.6 P码（Precise Code） 19,20,GPS卫星的导航电文,3,20GPS卫星的导航电文 3,导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫
12、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码等导航信息的数据码（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30s。,4.3.1 导航电文及其格式,21,导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟,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。
13、,4.3.1 导航电文及其格式,22,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30,4.3.1 导航电文及其格式,23,123451234567891030s6s0.02s0.6s,4.3.2 导航电文的内容,24,TLMHOW数据块1时钟修正参数TLMHOW数据块2星历,（1）遥测字（TLMTelemetry WORD） 位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。（2）交接字（HOWHand Over Word）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。（3）数据块：第一数
14、据块位于第l子帧的第3-10字,含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等信息。,4.3.2 导航电文的内容,25,（1）遥测字（TLMTelemetry WORD）4.3.,（3）数据块：第一数据块位于第l子帧的第3-10字码,含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等信息。卫星钟改正参数a0（钟差）、a1 （钟速） 、a2 （钟漂）。任意时刻t的钟改正数为 参考历元t0e为数据块1的基准时间，从GPS时星期六/星期日子夜零时起算，变化于0-604800s之间。数据龄期AODA表示基准时间t0e与最近一次更新星历的时间之
15、差，主要用于评价钟改正数的可信程度。现时星期编号WN：表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。,4.3.2 导航电文的内容,26,（3）数据块：第一数据块位于第l子帧的第3-10字码,含有,（4）数据块 ：包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历。（5）数据块 ：包含在4、5两个子帧中，主要向用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星的历书。,4.3.2 导航电文的内容,27,（4）数据块 ：包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关,28,卫星信号的调制与解调,4,28卫星信号的调制与解调 4,GPS卫星取L波段
16、的两种不同电磁波频率为载波L1波长为19.03cm； L2波长为24.42cm。在L1载波上，调制有C/A码、P码（或Y码）和数据码； L2载波上，只调制有P码（或Y码）和数据码。,204600,4.4.1 卫星载波信号,29,GPS卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载波基本频率L1载波,在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信号称为调制信号。GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且调制码的幅值只取0或1。如果码值取0，则对应的码状态取+1；而码值取1时，对应码状态为-1，载波和相应的码状态相乘后，即实现了载波的调制。,4.
17、4.2 卫星载波信号的调制,30,在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号加载到,模二和运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则,4.4.2 卫星载波信号的调制,31,模二和4.4.2 卫星载波信号的调制31,二进制信号的相位调制,调频FM,调幅AM,调相PM,注：其它调制方式,4.4.2 卫星载波信号的调制,32,二进制信号的相位调制调频FM调幅AM调相PM注：其它调制方式,GPS卫星信号的调制示意图卫星信号的调制原理,4.4.2 卫星载波信号的调制,33,GPS卫星信号的调制4.4.2 卫星载波信号的调制33,复制码与卫星信号相乘由于调制码的码
18、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。平方解调技术将接收到的卫星信号进行平方，由于处于+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。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。,4.4.3 卫星载波信号的解调,34,复制码与卫星信号相乘4.4.3 卫星载波信号的解调34,小 结,GPS信号的分类了解PRN导航电文的格式和内容了解信号的调制和解调,35,小 结GPS信号的分类35,
