GPS卫星导航信号 第四章20171129

1、第四章 GPS卫星导航信号1 GPS系统组成2 GPS卫星信号1 GPS系统的组成o GPS定位系统的三大部分： 空间星座部分空间星座部分 GPS卫星星座卫星星座 地面监控部分地面监控部分地面监控系统地面监控系统 用户部分用户部分 GPS 接收机和用户接收机和用户一个主控站：科罗拉多一个主控站：科罗拉多斯必灵司斯必灵司三个注入站：阿松森三个注入站：阿松森(A(Ascencion)scencion) 迭哥迭哥伽西亚伽西亚(Diego Garcia)(Diego Garcia)卡瓦加兰卡瓦加兰(kwajalein)(kwajalein)五个监测站五个监测站=1=1个主控站个主控站+3+3个注入站个

2、注入站+ +夏威夷夏威夷(H(Hawaii)awaii)地面监控站的分布地面监控站的分布 组成组成1.1地面监控部分GPS卫星注入站监测站主控站WWW.1PPT.COM第一PPT PPT模板 PPT素材免费下载阿松森迭哥伽西亚卡瓦加兰科罗拉多夏威夷o一个主控站：科罗拉多斯平士（Colorado Springs）o三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein)o五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)o GPS卫星作为一种动态已知点，其位置可通过卫星发送的“表述卫星运动及轨道参数”的卫星星历算出来，卫星星历时由地

3、面监控系统提供。主控站o 主控站设在美国本土科罗拉多州斯平土主控站设在美国本土科罗拉多州斯平土（Colorado SpringsColorado Springs）n作用：作用：收集数据：收集各监测站监测获得的收集数据：收集各监测站监测获得的伪距和伪距和积分多普勒观测值、卫星时钟和工作状态数积分多普勒观测值、卫星时钟和工作状态数据、气象、监测站自身状态以及参考星历据、气象、监测站自身状态以及参考星历等等数据。数据。数据处理：根据收集的数据计算数据处理：根据收集的数据计算各卫星的星各卫星的星历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正等，等，将这些数据按一定格式编制成导

4、航电文，并将这些数据按一定格式编制成导航电文，并将导航电文传送给注入站将导航电文传送给注入站。 监测与协调：一是承担控制和协调各监测与协调：一是承担控制和协调各监测监测站和注入站站和注入站的工作；二是监测的工作；二是监测整个地面监整个地面监控系统控系统是否正常，检查注入卫星的电文是是否正常，检查注入卫星的电文是否正确，监控卫星是否按预定状态将电文否正确，监控卫星是否按预定状态将电文发送给用户。发送给用户。调度卫星：调度卫星：修正修正卫星的运行轨道，卫星的运行轨道，调用调用备备用卫星去接替失效卫星的工作。用卫星去接替失效卫星的工作。监控站 监控站是无人值守的数据自动采集中心，其位置经精密测定其主

5、要作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。 监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据，算出每2min间隔的观测值并传送给主控站。监控站的作用：监控站的作用： 监控站监控站伪距伪距导航数据导航数据气象数据气象数据卫星状态数据卫星状态数据主控站主控站测测量量传传送送监控站监控站设备：监控站设备：一台双频接收一台双频接收机；机；一台高精度原一台高精度原子钟；子钟；一台计算机；一台计算机；若干台环境数若干台环境数据传感器；据传感器；地面监测站 注入站设有3.66m抛物面天线，1台C波段发射机和一台电子计算机。 其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料

6、以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。 注入站是无人值守的工作站，整个地面监控部分，除主控站外均无人值守。监控系统工作程序 注入站注入站作用o 将导航电文注入卫星中o 每天注入一次o 每次为14天的卫星星历 因此，即便是地面监控系统停止注入，卫星仍能继续发送导航电文14天，但时间越长，精度越低。地面监控系统工作流程 GPSGPS卫星星座卫星星座 由空间运行的多颗卫星按一定的规则组成的GPS卫星星座。GPS卫星运行轨道 GPS卫星运行轨道近于圆形，轨道平均高度20200km（卫星距离地球表面高度）； 轨道倾角55，各轨道面之间相距60，轨道周期约为12恒星时（11小时58分）； GP

7、S卫星升起地平线10以后可用于定位测量，GPS实际观测弧段为132。o 思考：GPS卫星轨道的高度为什么在2万多KM？工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道，一方面是为了增大覆盖面积，另一方面是为了使覆盖均匀，从而达到信号强度均匀、接收时间也均匀的目的GPS卫星的主要作用： 在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10cm波段）发送到卫星的导航电文和其他信号； 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，修正其在轨运行偏差及启用备用时钟等； 用L波段两个无线载波(19cm波段和20cm波段)连续不断的向广大用户发送导航定位信息，并用导航电文的形式提供卫星自身的现势位置与其他在轨

8、卫星的概略位置，以便用户接收使用。17GPSGPS卫星卫星 主要主要设备设备 太阳能电池板太阳能电池板 原子钟（原子钟（2 2台铯钟、台铯钟、2 2台铷钟）台铷钟） 信号生成与发射装置信号生成与发射装置 类型类型 试验卫星：试验卫星：Block Block 工作卫星：工作卫星：Block Block Block Block ：存储星历能力为：存储星历能力为1414天，具有天，具有SASA和和ASAS地能力地能力Block Block AA （AdvancedAdvanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180180天，天，SV35SV35和和SV36S

9、V36带有激光反射棱镜带有激光反射棱镜Block Block RR （Replacement/ReplenishmentReplacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通）：卫星间可相互跟踪相互通讯讯Block Block FF（Follow OnFollow On）：新一代的）：新一代的GPSGPS卫星卫星, ,增设第三民用频率增设第三民用频率18o GPS卫星最根本的作用就是向用户发送用户所需要的信号和电文。既然如此，对卫星的寿命长短和时间的精确度就必须高度重视。GPS工作卫星的设计寿命是七年半，但从实验卫星的工作情况来看，使用寿命一般都会超过甚至远远超过设计寿命

10、。GPS 卫星改进GPS卫星（试验卫星）21Block 卫星Block 试验卫星也称原型卫星，卫星重774KG，设计寿命为5年。GPS卫星（工作卫星BLOCK,BLOCKA,BLOCKR,BLOCKF）22Block 卫星BLOCK卫星重约1.5T，设计寿命为7.5年，平均使用时间预期为6年。1.3用户接收部分 用户设备部分 用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。GPS信号接收机机内软件数据后处理软件GPSGPS信号接收机信号接收机 GPS接收机图片：Trimble接收机图片：徕卡(Leica)接收机图

11、片： Ashtech 、 JAVAD、 Thales 接收机图片：大地型GPS接收机单频机 L1双频机L1+L2图片：导航型GPS机手持型GPS机图片：GPS与GLONASS兼容的接收机313233带电子地图的导航型GPS接收机二、GPS卫星的信号o GPS通过哪些信号进行定位？o GPS信号包含哪几部分？GPS卫星信号的内容o GPSGPS卫星信号是卫星信号是GPSGPS卫星向广大用户发送的用卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。于导航定位的调制波。o GPSGPS卫星发射的信号包含：卫星发射的信号包含：载波信号、测距码、载波信号、测距码、导航电文（数据码）。导航电文（数据码）。2.1载

12、波信号o 可运载调制信号的高频震荡波为载波o GPS发射位于L波段的两种频率的载波信号：n L1载波：fL1=154f0=1575.42MHZ，波长1=19.032cm；n L2载波：fL2=120f0=1227.6MHZ，波长2=24.42cm；GPS卫星信号的调制o 将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程称为调制o 被加载的频率较低的信号称为调制信号o GPS卫星的L1和L2载波上携带测距信号和导航电文 GPS卫星的测距码和导航电文是采用调相技术调制到载波上的，由于伪随机码只有“1”和“0”两种状态。 当码值取0时，对应的码状态为1，而码值取1时，对应的码状态为1。 在载波和相应的码

13、状态相乘后便实现了载波的调制，此时码信号被加载到载波上，经过播发可供用户接收。 当码的波型为” 1”时，与载波相乘，不会改变载波的相位； 当码的波型为”-1”时，与载波相乘，载波相位改变180度。 当码值(调制信号)从1变成0，或从0变成1时，将使载波相位改变180度。调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发 。o 载波信号的作用： 携带测距信号和导航电文传送给用户； 在载波相位测量中用作测距信号（其测距精度比伪距测量的精度高23数量级）； 精确测定多普勒频移o 特点n 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层延迟影响（电离层折射延迟与信号的频率有关）n 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层

14、延迟o 作用作用n 测距测距o 性质性质n 为伪随机噪声码（为伪随机噪声码（PRN PRN Pseudo Random NoisePseudo Random Noise）o 特点特点n 确定的编码规则确定的编码规则n 可复制性可复制性n 周期性周期性n 自相关性自相关性2.2测距码o 产生产生n 若干多级反馈移位寄存器所产生的若干多级反馈移位寄存器所产生的m m序列经复杂序列经复杂处理后形成处理后形成o 包含包含n C/AC/A码、码、P P（Y Y）码）码o 测量原理测量原理 n 随机码序列与复制的随机码序列通过平移码元素，随机码序列与复制的随机码序列通过平移码元素，相应码元素相互对其相应码

15、元素相互对其n 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为数为0 0或或1/n1/n（n n为码元数）为码元数）n 对齐的同一组码间的相关系数为对齐的同一组码间的相关系数为1 1有关码的基本概念o 表达不同信息的二进制数（表达不同信息的二进制数（“0 0”和和“1 1”）及其组）及其组合，称为合，称为码码o 在二进制中，一位二进制数称为一个在二进制中，一位二进制数称为一个码元或比特码元或比特（bitbit，被取为码的度量单位），被取为码的度量单位）o 将各种信息，如声音、文字和图像等，按某种预定将各种信息，如声音、文字和图像等，按某种预定的规则，表

16、示为二进制数的组合形式，这个过程称的规则，表示为二进制数的组合形式，这个过程称为为编码编码o 例如：两位二进制数的不同组合例如：两位二进制数的不同组合11,10,01,0011,10,01,00，这，这些组合形式被称为码，其中每个码含有两个码元些组合形式被称为码，其中每个码含有两个码元 伪随机噪声码又叫伪随机码或者伪噪声码，伪随机噪声码又叫伪随机码或者伪噪声码，简称：简称：PRNPRN，是一个具有一定周期的取值，是一个具有一定周期的取值0 0和和1 1的离的离散符号串。他不仅具有高斯噪声所有的良好的自散符号串。他不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。具有相关特性，

17、而且具有某种确定的编码规则。具有周期性、易被复制等特性。周期性、易被复制等特性。 GPS GPS信号中使用了伪随机码技术，识别和分离信号中使用了伪随机码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。 4.2 GPS4.2 GPS卫星信号卫星信号伪随机噪声码m序列伪随机噪声码的自相关特性序列伪随机噪声码的自相关特性对齐时：对齐时：000111101011001 未对齐时：未对齐时：000111101011001 000111101011001 100011110101100A=15,D=0,R=（A-D）/m=1 A=7,D=8,R=（A-D）/

18、m=-1/15 2.2.1 C/A码o 定义n 粗捕获码，即用于进行粗略测距和捕获精码的测距码n 属于伪随机噪声码（PRN码）o 频率n C/A码频率f1=1/10f0=1.023MHZ，仅被调制在L1载波上o 特征n 公开明码、民用、测距精度（23）m2.2.2 P码o 定义定义n 精码，即用于精确测定从精码，即用于精确测定从GPSGPS卫星至接收机卫星至接收机距离的测距码距离的测距码n 属于伪随机噪声码（属于伪随机噪声码（PRNPRN码）码）o 频率频率n C/AC/A码频率码频率f1=f0=10.23MHZf1=f0=10.23MHZ，被调制在，被调制在L1L1和和L2L2载波上载波上o

19、 特征特征n 保密保密 Y Y码、军用、测距精度高码、军用、测距精度高o GPSGPS卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。基础。o 主要包括：主要包括：n 卫星星历卫星星历n 时钟改正时钟改正n 卫星工作状态信息卫星工作状态信息n 电离层延迟修正参数电离层延迟修正参数o 这些信息按照一定的数据帧格式播发给用户，成这些信息按照一定的数据帧格式播发给用户，成为为数据码（数据码（D D码）码）。2.3 GPS导航电文（数据码）2.4 GPS星历星历 卫星星历是描述卫星运动轨道的信息描述卫星运动轨道的信息。 卫星星历包含某一时刻的卫星轨道参数（也叫轨道根数

20、）及其变化率。 根据卫星星历，可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。 精确的轨道信息是精密定位的基础。 GPS星历星历 GPS卫星星历可以分为：分为： 预报星历预报星历（广播星历）（广播星历） 后处理星历后处理星历（精密星历）（精密星历）预报星历（广播星历）预报星历（广播星历） 预报星历：预报星历：是是通过通过卫星发射的含有轨道信息卫星发射的含有轨道信息的的导航电文导航电文传输给用户的，用户接收机接收传输给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，这种星历也叫星星历，这种星历也叫广播星历广播星历. . ( (用户在观测时可以用户在观测时可以实时实时地得到地得到) )。预报星历预报星历 预报星历（参考星历）只代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数，在摄动力的影响下，卫星的实际轨道将偏离参考轨道。 偏离程度主要取决于：观测历元与参考历元的时间差。预报星历（广播星历）预报星历（广播星历） 用轨道参数的摄动项对已知的卫星星历加以改正，可以外推出任意观测历元的卫星星历。 只要保证外推时间间隔不太长，可以保证卫星预报星历的精度。（怎样实现呢？） 地面的监控站时刻观测卫星的运行轨道；主控站每天更新卫星的参考星历，由注入站每天向卫星注入新的参考星历。预报星历