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1、GPS原理及应用,测绘学院本科生课程,第四讲 GPS卫星的导航电文和卫星信号,卫星星历、导航电文与卫星信号的关系,预备知识：电磁波,电磁场：电磁辐射源周围存在变化的电场和磁场，二者相互激发交替产生，形成电磁场。电磁波：电磁场在空间的传播形成。电磁波的波粒二像性,电磁波的波段划分,码的概念,在现代数字化通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其组合来表示各种信息。这些二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫做一个码元或一比特。比特（bit)为码的度量单位。将各种信息量化，并按预定规则表示为二进制的组合形式，则此过程称为编码。帧：网络传输的最小单位。,是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。
2、包括： 1. 载波 2. 测距码（C/A码和P码） 3. 数据码（D码，导航电文）,GPS卫星信号,时钟基本频率为10.23MHz。使用L 波段的两种载波：L1载波和L2载波。卫星的测距码和数据码采用调相技术调制到载波上,GPS卫星信号,使用L 波段的优点,减少拥挤，避免“撞车” - 频率占用率低适应扩频，传送宽带信号卫星高轨运行能获较大的多普勒频移 - 有利于测量用户的行驶速度大气衰减小，有益于研制用户设备,扩 频,概念：将原拟发送的几十比特速率的电文变换成发送几兆甚至几十兆比特速率的由电文和伪随机噪声码组成的组合码。增加频带宽度，可减小信噪比（信噪比越小，信号深埋在噪声之中，不易被他人捕获
3、，具有极强的保密性）。扩频的目的：节省卫星的电能，增强信号的抗干扰性，实现保密的信息传送。,在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，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。载波携带着有用信号传送出去。,调 制,数据码,测距码,调制信号,载波信号,卫星载波信号调制示意图,解 调,为了进行载波相位测量，用户接收机收到卫星信号后，通过解调来恢复载波的相位。主要方法 - 复制码（结构与测距码完全相同）与卫星信号相乘 - 平方解调技术,GPS信号的产生,采用扩频技术将数据码D 码作一级调制。用D 码（50Hz)调制一个伪噪声码P 码（10.23MHz），形成一个组合码P (t)D (t)
4、。用组合码P (t)D (t)调制L 波段的载波（二级调制），形成向用户发送的已调波。,GPS信号分量,将每颗卫星发送的两种已调波，分别叫做第一导航定位信号和第二导航定位信号，总称为GPS信号。,GPS信号的频率关系,GPS信号的各分量均源于一个公共的10.23MHz的基准信号。且相互之间有一定的比例关系。,GPS信号的构成总结,L1载波,L2载波,GPS信号的SA(Selective availability)影响,人为引入干涉信号，导致非特许用户不能够获得高精度实时导航定位的秘密方法。内容 - 对卫星基准频率所采用的（dither)技术 - 对导航电文采用的 技术（降低广播星历精度） -
5、对P码采用的译密技术（AS技术）,GPS信号的SA(Selective availability)影响,1991年7月1日以来，GPS工作卫星几乎全部实施了SA技术目的：防止敌人开发出各种各样的GPS战斗力倍增系统对策：差分测量技术、局域差分、广域差分、全球差分2000年5月2日，克林顿总统宣布：即日起停止SA技术,测距码,C/A码（粗码）P码（精测码）,作用：给用户传送导航电文（D码）用于测量信号接收天线和GPS卫星之间的距离用于识别来自不同GPS卫星而同时到达接收天线的GPS信号,一组码序列在某一时刻的码元为0或1完全是随机的，这种码元取值完全无规律的码序列，称为随机（噪声）码序列。是一种
6、非周期性序列，无法复制，但自相关性好。根据码序列的自相关系数可判断两个随机码序列的相应码元是否已对齐。,随机噪声码,码序列,是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。产生的基础：“移位寄存器”,特点：（1）具有随机码的良好自相关性；（2）具有某种确定的编码规则；（3）可以容易地复制测距码（C/A码与P码）属于伪随机噪声码,伪随机噪声码（Pseudo Random Noise - PRN）,码相关伪距测量原理,卫星依据自己的时钟发出一个测距码，经过时间后到达接收机；接收机产生一组结构完全相同的复制码，并通过时延器使其延迟时间；将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相关系数 R()=1为止
7、，此时，复制码已和测距码对齐，复制码的延迟时间 就等于卫星信号的传播时间；将 乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。,粗码C/A码(Coarse/Acquisition Code),用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。不同的卫星具有不同的C/A码，但其周期均为1ms,码率均为1.023MHz。一般最简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到0.1m。,C/A码的特点,码长很短，易于捕获 共有1023个码元，若以每秒50码元速度搜索，只需20.5秒即可完成码元宽度较大 假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/100，则相应的测距误差可达2.9m,卫星的精测码，码率为10.23MHz。每颗卫星
8、采用不同的P码。反电子欺骗政策AS（AntiSpoofing) 。 - 在P码上增加一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对禁止非特许用户使用。,精码P码(Precision Code),P码的特点,码长很长 一般先捕获C/A码，再根据导航电文中的信息捕获P码。码元宽度为C/A码的1/10，精度高，专为军用 假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/100，则相应的测距误差只有0.29m。,两种测距码的参数对比,GPS卫星的导航电文,信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，又叫数据码（D码）。内容：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。基本
9、单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。,导航电文的传播过程,导航电文组成,第1、2、3子帧每30s重复一次，内容每小时更新一次。 第4、5子帧是12.5min播完一次，仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。,遥测码,每个子帧的第一个字码作用：表明卫星注入数据的状态,同步码（ 18bit）识别电文的先兆,遥测电文（ 922bit）地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息,连接码（ 2324bit）无意义的连接比特,奇偶检验码（ 2530bit）用于发现和改正错误,1个子帧,1个字码,转换码,位于每个子帧的第2个字码作用：帮助用户从所捕获的
10、C/A码转换到捕获P码,1个子帧,第一数据块：位于第1子帧的第310字码,主帧,1个子帧,第一数据块,标识码 - 星期序号WN（从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的GPS星期数） - 卫星的健康状况数据龄期AODC - 基准时间t0e 与最近一次更新星历数据的时间tL （观测时间）之差。用于评价时钟改正数的可信程度卫星钟改正参数 - 表示卫星的钟差、钟速及钟速的变化率,第一数据块的内容,第二数据块,主帧,包括第2、3子帧表示卫星的星历，包括下列三类参数：（1）开普勒六参数（2）轨道摄动九参数（3）时间二参数,由第4和第5两个子帧构成提供所有GPS卫星的历书数据，为第一和第二数据块的简略
11、形式用户利用第三数据块提供的其他卫星的数据，不仅能选择合适的卫星构成较理想的空间几何图形，且能够较快捕获所选择的待测卫星,主帧,第三数据块,第4子帧,第2、3、4、5、7、8、9、10页面提供第2532颗卫星的历书第17页面提供专用电文，第18页面给出电离层改正模型和UTC数据第25页面给出所有卫星的型号、防电子对抗特征符和第2532颗卫星的健康状况第1、6、11、12、16、19、20、21、22、23、24页面备用，第13、14、15页面空闲,第5子帧,第124页面给出第124颗卫星的历书第25页面给出第124颗卫星的健康状况和星期编号,导航电文组成总结,作 业,GPS卫星信号主要由哪几部分组成？它们相互之间有什么关系，各自的功能是什么？GPS卫星导航电文中主要包含哪些信息？,
