GPS 04-1 GPS卫星的导航电文和卫星信号

GPS原理及应用上海海洋大学海洋学院Email:wshen@课程类别：海技专业基础课讲授：沈蔚第四章

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卫星星历导航电文卫星信号GPS信号——卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波导航电文包括：卫星星历；时钟改正；电离层时延改正；工作状态信息；C/A码转换捕获P吗的信息等。4.1GPS的导航电文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。导航电文的传播过程地面主控站编制导航电文，传送到注入站将导航电文注入到卫星的存储系统地面注入站解译导航电文，计算出测站的三维位置、速度和时间GPS卫星的导航电文卫星星历时钟改正电离层时延改正工作状态信息C/A码转换到捕获P码的信息其它卫星的星历内容：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）。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。基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。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（1~8bit）识别电文的先兆遥测电文（9~22bit）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（23~24bit）无意义的连接比特奇偶检验码（25~30bit）用于发现和改正错误123456789101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C/A码转换到捕获P码123456789101个子帧第一数据块：位于第1子帧的第3~10字码1234512345678910主帧1个子帧第一数据块标识码

-载波L2的调制波类型

-星期序号WN（从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的GPS星期数）

-卫星的健康状况参考历元t0e-从GPS时每星期六/星期日子夜零时开始起算的基准时间数据龄期AODC-基准时间t0e

与最近一次更新星历数据的时间tL

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12345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12345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25~32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页面给出所有颗卫星的型号、防电子对抗特征符和第25~32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1~24页面给出第1~24颗卫星的历书第25页面给出第1~24颗卫星的健康状况和星期编号用户接收到的导航文件GPS接收机对导航电文进行解码，输出；可以通过随机软件将输出的接收机文件转换成ASCII格式的通用格式的RINEX文件ReceiverIndependentExchangeformat(RINEX)/igscb/data/format/rinex2.txt文件名称格式：

[4-char][Dayofyear][Session].[yy]n

e.g.brdc0120.02nRINEX标准4.2GPS的信号GPS信号的调制GPS信号GPS的伪随机噪声码——测距GPS载波信号预备知识：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L波段调制与解调调制就是使一个信号（如光、高频电磁振荡等）的某些参数（如振幅、频率等）按照另一个欲传输的信号（如声音、图像等）的特点变化的过程。

调制过程已调波为什么要调制

信号的能量以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方，需要较高的振荡频率；(语言或音乐信号的频率太低，无法产生迅速变化的电场和磁场)信号的波长要与天线的长度相匹配(相应地，它们的波长又太大，即使选用它的最高频率20000Hz来计算，其波长仍为15000m，实际上是不可能架设这么长的天线的)调制的方式如果被控制的参数是高频振荡的幅度，则称这种调制方式为幅度调制，简称调幅如果被控制的参数是高频振荡的频率，则称这种调制方式为频率调制，简称调频如果被控制的参数是高频振荡的相位，则称这种调制方式为相位调制，简称调相幅度调制的特点是载波的频率(波长)始终保持不变，它的振幅却是变化的调频FM调幅AM卫星载波信号调制示意图解调解调是调制的逆过程，它的作用是从已调波信号中取出原来的调制信号。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

-平方解调技术是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。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卫星信号卫星信号的成分考虑三个方面：1、为了提供卫星的瞬时位置——导航电文数据码：D码2、为了保密通信，提高信号的抗干扰能力；以及不同的卫星的区分选择和精密测距——伪随机码测距码：C/A码，P码3、为了信号的传播——将扩频后的编码脉冲对L波段的两个载波进行调制后发射载波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ)

时钟基本频率为fo=10.23MHz。使用L波段（1000—2000MHz）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上十兆比特速率的由电文和伪随机噪声吗组成的组合码。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，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。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信号的构成—总结L1载波L2载波测距码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（PseudoRandomNoise-PRN）伪随机噪声码的产生GPS产生伪随机码的方式：

m序列发生器-多级线性移位反馈寄存器模二相加a2a1

a0⊕钟脉冲

a3输出序列例：模2加运算等价于数字逻辑中的异或运算（不同为1，相同为0）

M序列的特点：统计特性统计特性“1”出现的次数比“0”出现的次数多一“0”——“1”——移位相加特性

111101011001000011110101100100M序列的特点：相关特性相关函数：描述两个序列的相似性程度连续离散通用计算方法

111101011001000

011110101100100相关特性的应用伪随机噪声码测距原理——利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测值ReceiverSatelliteTimedeferenceGPS测距t时刻△tt+△t时刻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τ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τ’；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(τ’)=1为止，此时，复制码已和测距码对齐，复制码的延迟时间τ’就等于卫星信号的传播时间τ；将τ’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/AcquisitionCode)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(PrecisionCode)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信号的产生—调制X伪随机噪声码导航电文(50Hz)X载波调制调制二级调制用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)。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。第一级的调制第一级是导航电文调制到测距码；采用二进制编码序列“模二和”算法；调制结果是把数据码(导航电文)从50Hz扩展到1.023MHz(对于C/A码)010

01010101

1010101010第二级的调制第二级是测距码调制到载波，采用二进制信号“波形相乘”的算法，将导航电文与测距码合成后的二进制码调制到载波上卫星信号的调制示意图GPS信号的SA(Selectiveavailability)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C/A码精度）