卫星定位理论与方法-第12次课-卫星的信号结构

卫星定位理论与方法测量与导航工程系导航与定位教研室陈明剑第12次课卫星的信号结构GPSSignalCharacteristicsGPS卫星向用户发送的导航定位信号均采用的是L（22cm）波段做为载波，有其优点：减少拥挤，避免干扰适用于扩频，传送宽带信号卫星高轨运行，能获得较大的多普勒频移大气衰减小，有益于研制用户设备载波频率越高，多普勒频移越大，有利于用户的行驶速度GPS卫星的测距信号和导航电文都属于低频信号，GPS卫星轨道较高，其电能紧张，很难将信号传输到地面，所以只能将低频信号加载到高频载波上。

L波段可以避开大气谐振吸收，能量耗损小。在系统容量C一定时，频带宽度B越大，信噪比越小。扩频的目的：节省卫星电能，增强卫星信号的抗干扰性，实现保密信息传送SchematicofGPScodesandcarrierphase卫星的信号

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的控制下产生将调制信号扩频方法：用50hz的D码调制一个伪随机码，例如调制p码，码率高达10.23MHZ，形成组合码P（t)D(t).用组合码调制L波段的载波，实现D码的二级调制。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。CodesonL1andL2SpreadSpectrumPrincipleSin(t)-11TPRNPRN*Sin(t)SignalStructureL1CarrierWave1575.42MHzC/ACode1.023MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHzSignalStructureL2CarrierWave1227.6MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz

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。GPSSignalStructureforL1SignalMessageDatamodulatedonRangingCodeUserReceivedSignalPowerGPSSignalStructure(3)GPSSignalStructure(4)NavigationDataStructureContentsofGPSNavigationDataContentsofGPSNavigationData1、TLM和HOW遥测字（TLM:TelemetryWord）：位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号，为各子帧提供了一个同步的起点，使用户便于解译电文数据。

交接字（HOW:Hand-OverWord）:紧接着各子帧的遥测字，主要向用户提供从C/A码捕获P码的Z计数。所谓Z计数，就是从每星期六/日子夜零时起算的时间计数，它表示下一子帧开始瞬间的GPS时。但为了实用方便，Z计数一般表示为从每星期六/日子夜零时开始发播的子帧数。因为每一子帧播送延迟的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬间为6×Z。ContentsofGPSNavigationData2、数据块I：

它含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期，星期的周数编号，电离层改正参数和卫星工作状态等信息。计算卫星钟差的多项式参数：a0,a1,a2ttoc:数据块I的参考时刻，从GPS时的每星期日零时起算，在0~604800秒之间变化；AODC:钟数据龄期，主要用来评估钟差改正数的可靠性。

ContentsofGPSNavigationData3、数据块Ⅱ

数据块Ⅱ占有第二子帧和第三子帧。主要向用户提供有关计算卫星位置的参数。该数据块一般称作卫星星历(Ephemeris)。卫星位置的计算三、GPS数据文件

semimajoraxis,aeccentricity,erightascensionoftheascendingnode,oargumentofperigee,inclination,iomeananomaly,MoascendingnodeAlgorithmforcomputingsatellitecoordinatesfrombroadcastephemeridesisgiveninGPSInterfaceControlDocumentICD-GPS-200(seealsoenclosedhandout)ContentsofGPSNavigationData4、数据块Ⅲ数据块Ⅲ包含在4，5子帧里。主要向用户提供计算GPS卫星概略坐标的星历，包括卫星的概略坐标，卫星钟的概略改正数及卫星工作状态的信息。一般这些信息也称作卫星的历书(Almanac)。有了这些信息，用户可以方便地选择适宜的观测卫星，以获取最佳的卫星几何图形。由于已知卫星的概略坐标，在同时已知接收机概略位置和钟差近似值时，可以加快信号的捕获。三、GPS数据文件2NAVIGATIONDATA RINEXVERSION/TYPEDAT2RIN1.00eTheBoss 29JUN9817:59:25GMT PGM/RUNBY/DATE COMMENT.1118D-07.0000D+00-.5960D-07.0000D+00 IONALPHA.9011D+05.0000D+00-.1966D+06.0000D+00 IONBETA-.142108547152D-13-.372529029846D-0861440159 DELTA-UTC:A0,A1,T,W12 LEAPSECONDS ENDOFHEADER39710101800.0.605774112046D-04.352429196937D-11.000000000000D+00.760000000000D+02.494687500000D+02.448018661776D-08.220198356145D+00.264309346676D-05.244920048863D-02.842288136482D-05.515366117668D+04.496800000000D+06.335276126862D-07-.790250226717D+00-.372529029846D-07.951777921211D+00.211531250000D+03.259765541557D+01-.819891294621D-08.160720980388D-10.100000000000D+01.926000000000D+03.000000000000D+00.700000000000D+01.000000000000D+00.139698386192D-08.588000000000D+03.490320000000D+066971010155944.0-.358093529940D-06.000000000000D+00.000000000000D+00.220000000000D+02.526250000000D+02.438268255632D-08-.281081720890D+00…….GPSSignalStructure(5)SummaryofGPSSignalParametersRapidacquisitionPrecisionL1=154RPL2=120RPOneweekTotal38weeks32forSV5forpseudolitePrecise,2hourrule-of-thumbdurationdataLessaccurate,2weekrule-of-thumbdurationdataGPSCode,Data,Subframe,andFrameTimingRelationshipsGPS信号结构

载波相位伪随机码伪随机码的特性

C/A码和P码的产生

CarrierPhase(CarrierWaves)fL1=f0x154=1575.42MHzfL2=f0x120=1227.60MHzequivalentwavelength：1=19.03cmequivalentwavelength：2=24.42cmGPS信号结构

载波相位伪随机码伪随机码的特性

C/A码和P码的产生

所谓伪随机码也称伪噪声码(PseudoRandomNoiseCode—PRN码)，是可预先确定并可以重复产生和复制的，其统计特性具有随机特性的二进制码序列。伪随机码可以实现低信噪比接收，且可实现码分多址通讯，此外伪随机噪声码还有高性的的保密性，这些特点符合了全球定位系统的要求。

全球定位系统采用了一种易于产生，应用广泛的伪随机码——最长线性移位寄存器序列，简称M序列。M序列是由若干级带有特定反馈电路的移位寄存器产生的。而移位寄存器又涉及到模二运算，因此在介绍伪随机码之间先介绍移位寄存器和模二运算。

PseudoRandomNoiseCodeGPSRangingCode1、模二运算PseudoRandomNoiseSignalGenerationModulo-2recoveryofGPScodeModulo-2arithmetic:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0BitshiftsalignedMUSTMOD-2ADDRECEIVER-GENERATEDCODETORECOVER2、双稳态存储器PseudoRandomNoiseSignalGeneration移位寄存器是由数个串接的双稳态存储器和一个时钟脉冲发生器产生。组成移位寄存器的每一个双稳态存储器称作移位寄存器的级。由r级双稳态存储器的构成的移位寄存器称为r级移位寄存器。双稳态存储器可以是一个R-S（Reset-Set）触发器。如图是一种触发器，它是由四个与非门构成

2、双稳态存储器当CP=0时，

R=1，S=0或R=0，S=1时，和Q一个为高电平，另一个为低电平当CP=1时，

R=1，S=0Q=0，

=1

R=0，S=1Q=1，

=0

R=0，S=0不定；

R=1，S=1不变；PseudoRandomNoiseSignalGenerationABCD四个与非门与非门的特性：1×1=1取反01×0=00×1=0取反10×0=0 在双稳态存储器中R称为复位输入端，S称为置位输入端。3、移位寄存器PseudoRandomNoiseSignalGeneration若干个双稳态触发器按一定的方式串接起来构成一个移位寄存器。

脉冲信号RS4RS3RS2RS1000101100121100311104111151111PseudoRandomNoiseSignalGeneration由于RS4的输入端始终为1，因此经过四次移位后就全成为1的状态并保持下去。这样得到的RS1输出端序列显然不是随机序列。

4、最长线性移位寄存器PseudoRandomNoiseSignalGeneration一个普通的移位寄存器并不能产生一个伪随机序列。但是带有某些特定的反馈的移位寄存器的输出端可以产生一个伪随机序列。

SlipsA1A2A3A4A3+A410001121000030100040010151001161100070110181011090101110101011111011121110113111101401110150011016000111710000PseudoRandomNoiseSignalGeneration

PropertiesofMSequence我们可以看到A4的输出端：10001001101011110…这种序列具有周期性，一周期内包含15个码元（）这个长度称作该序列的码长。这种序列取决于移位寄存器的初始状态和反馈电路。反馈电路相同而初始状态不同的两个序列是完全等价的，只要通过序列的平移就能获取与另一个序列完全相同的序列。

其它的反馈电路

PseudoRandomNoiseSignalGenerationSlipsA1A2A3A4A1+A410001121000131100141110151111060111171011080101191010110110101101100120011113100101401000150010016000111710000PseudoRandomNoiseSignalGenerationPseudoRandomNoiseSignalGeneration但应注意的是，并不是所有的反馈电路都能产生伪随机码序列。对于四级移位寄存器而言，只能产生上述两种伪随机码序列。

由r级移位寄存器连同某些特定的反馈电路可以产生码长为2r-1的最长线性移位寄存器序列，即m序列。m序列是一个周期序列，每个周期包含2r-1个码元。级数相同而反馈电路不同产生不同的码序列称为同族码序列。通常采用多项式来表达这种反馈电路：

上面两图对应的表达式分别为：

GPS信号结构

载波相位伪随机码伪随机码的特性

C/A码和P码的产生

PropertiesofMSequence统计特性循环相加特性相关特性

StatisticPropertiesofMSequence码序列中两种元素出现的次数大致相等，相差1次。

0:2r-21:2r-2-1长度为n的元素游程比长度为n+1的元素游程多一倍。游程即是连续出现n次同一元素叫作一个长度为n的游程。统计特性随机噪声、伪随机码的区别：M序列是人造的不同于自然噪声或偶然误差

它是由一种叫作伪随机码发生器产生的，只要使用相同的伪随机码发生器，就可以产生完全一样的码序列。任何两批多次测量不能产生完全相同的偶然误差；同样，人们也无法得到完全一样的噪声。它具有周期性(噪声或偶然误差是无周期的)M序列的幅值始终为1或0

偶然误差序列幅值大的出现的机会小，幅值小的机会多，服从正态分布。ComparisonBetweenMSequenceandRandomErrorComparisonBetweenMSequenceandRandomError相似：M序列与偶然误差都有具有统计特性出现正误差的机会和负误差的机会相等；0和1出现的概率大致相等。序列连续N+1个1(0)的机会比连续出现N个1(0)的机会少一倍；误差小的出现的概率大。

循环相加特性

M序列为周期序列，因此将一个M序列平移若干个码元，仍然为原码元，只是初相不同。平移前后的两个序列称作平移等价序列。

循环相加特性是指一个M序列序列与平移序列的模二和为此序列的平移等价序列。

互相关函数：自相关函数：

AutocorrelationandCorrelationFunctionofMSequence=0

!=0

Autocorrelation

FunctionofMSequence

截短码:为了从码长为P的m序列中获得一个码长为P’(P’<P)的码序列，可以通过对m序列截去a=P-P’来获得。由两个或两个以上的小码的逻辑函数所构成的码序列称为复合码。

如果由n个码长分别为P1、P2…、PN的子码构成的复合码，且P1、P2…、PN互素。则复合码的码长P为P1*P2*….*PN.。

截短码和复合码m序列具有良好的自相关特性，但互相关特性不太理想。

一是互相关函数的最大值往往可以达到1/3左右，二是虽然可以找到少量的m序列组成的组，在组内的互相关函数值较小，但组的数目较少，不能满足码分多址的需要。因此在m序列的基础上引入了Gold码。GoldCode设两个具有相同码长P的m序列a与b

形成一个周期序列，其码长仍为P，称为Gold码序列。GoldCode

Gold码序列族内，各序列间的自相关特性和两两互相关特性取决于m序列的互相关函数

如果构成Gold码序列的两个m序列具有良好的互相关特性，则所构成的2r+1个不同的Gold码将具有良好的自相关特性和良好的两两互相关特性。RangingCode：CoarseAcquistionCodeGPS信号结构

载波相位伪随机码伪随机码的特性

C/A码和P码的产生

RangingCode：CoarseAcquistionCodeC/A码(CoarseAcquisitionCode),也称粗捕获码。

码长为1023比特。由于码长短，易于捕获。为了给所有卫星赋以不同的码序列，GPS的C/A码采用两个具有良好互相关特性的同族码序列构成的Gold码。P码是由两个码长互素的m序列组成的模二和复合码。

X1的周期为1.5秒，码长为15,345,000码长；X2码长比X1长37个码元。这两个子码都是24位移位寄存器产生的截短码；为一码元对应的时刻；是子码X2的延迟参数，范围为0～36。RangingCode：PreciseCodeC/A码P码码长1023２.35×

码元宽度0.98μs相当于293.1m0.098μs相当于29.3m周期1ms约267天精度3米0.3米PropertiesofC/ACodeandPCodePropertiesofC/ACodeandPCodeC/A码作用：

1、精确、无模糊的测距（自相关特性）

2、识别卫星（码分多址）（自相关特性+互相关特性）

3、调制导航信息

4、快速捕获P码

C/A码的捕获自动搜索检测自相关函数峰值搜索并跟踪载波多普勒，实现载波匹配码搜索，实现最大自相关90秒C/A码的捕获ExamplePeakCorrelationOutputsReceiverProcessingfortheGPSWaveformC/AcodewaveformSignalpowerS(nW)50Bits/secdatastream(±1)1Mbits/secpseudo-randomcode(±1)1575.42MHzL1carrierfrequencyTime(sec)Carrierphase(rad)Trackthecarriertogetdeltapseudorange(doppler)TrackC/AcodetogetpseudorangeDemodulated(t)tostripoffdataAmplifySforsubsequentprocessingAntennapicksupsignals(pico-watts)andfiltersrejectsidelobesSATELLITESIGNALRECEIVERPROCESSINGOnlyL1C/AcodefromsinglesatelliteshownhereGPSReceiverFunctionsLocalOscillatorCodeOffsetDetectorCodeGeneratorPhaseErrorDetectorCarrierFrequencyGeneratorCodeErrorPhaseErrorFILTER1575.42Mhz±1MhzAMPLIFIER~35dBMIXERGHz→MHz~13to70MHzQuartzcrystalRFIFIFLownoisepreamplifierboostssignallevelCombinessatellitesignalwithsinusoidallocalsignalRejectssidelobesANTENNA(pico-watts)L1&L2carrierwavesmodulatedwithC/A&PcodesignalCODETRACKINGLOOP(PorC/ACODE)CARRIERTRACKINGLOOP(L1orL2)InterceptscircularpolarizedsignalsfromallvisiblesatellitesConvertselectromagneticwaveenergyintoelectriccurrent

DelaylockloopalignslocallygeneratedC/AcodewithsatellitesC/Acode.Multiplyandintegrationcircuitsautomaticallyshiftsitsowncodeintime&crosscorrelatesDecodes50bits/secdatastreamUseshandoverwordtolockontoP-code

AlignsphaseoflocaloscillatorwithIFbeatfrequencyMeasurescurrentdopplershiftfromIFphasesignalfrequencydifference

(Costasloop)CodeLockLoopPhaseLockLoopPseudo-rangePseudo-rangerateNavigationProcessor

Satelliteselection

KalmanfilteringNavigationSolutionPuresinusoidalsignalIntermediatefrequency(IF)CarrierwavecontainsallofC/Acode,PcodeanddataSignaltraveltimeforeachsatelliteSatelliteinstantaneousdopplershiftReal-timeCodeMatchingisUsedtoIdentifySatelliteandMeasureSignalTravelTimeUniqueC/AcodefromsatelliteIdenticalC/AcodefromuserSATELLITETransittimetouser~1/11secUSERSETGeneratescodedelayistransittime.Receiverslews(shifts)pulsetrainformatch.

Satellite’suniqueC/AcodeidentifiesitselftoreceiverSatellite&usergenerateidenticalcodedsequencestartingatsametime

Whensatellitepulsetrain1’sand0’smatchreceiverpulsetrain1’sand0’sauto-correlationfunctionvaluechangesfrom0to1

AfterLOCK-ONusercanmeasure

UserclockbiasresultsfromnotstartingsequencesatsametimeLOCK-ONP-CodeReceiversMatchtoC/ACodeFirstandThenDecode‘HandoverWord’

toMatchtoP-CodeTLMHOW30sec1200123012601500MULTIPLEXALMANAC/HEALTHSTATUS⑤TLMHOW30sec900930960MULTIPLEXMESSAGE④1200TLMHOW30sec600630660EPHMERIS③900TLMHOW30sec300330360EPHMERIS②600TLMHOW30sec03060CLOCKCORRECTION①300TLM=TELEMETRYWORDSHOW=HANDOVERWORDSDATASTREAM:

50-Bits/secSuperimposedonC/A&PcodeModulo2additionFrame30sec5sub-frameSub-frameeach6sec&300bitsBITSUB-FRAMEMessagechangesthrough25framesalmanac/Healthstatuschangesthrough25fram