第四章 导航卫星信号20171115

第四章导航卫星信号目录1.卫星导航基本知识2.GPS卫星C/A测距码测距（重点）3.GPS卫星的导航电文和卫星信号卫星导航系统一、卫星导航系统简介卫星导航系统由导航卫星、地面站、用户设备组成。卫星导航系统★

GPS定位精度：P码—1m；CA码—20~30m

CA码定位精度受SA和AS政策影响。★GPS特点：

全球、全天候、高精度、连续、近于实时的三维

定位与导航功能。1.GPS卫星导航系统（美国）★

NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem——NAVSTAR/GPS★

73年开始研制，95年进入全部运作。★

GPS卫星：

24（21+3）颗高轨卫星，分布在

6个轨道面内，轨道倾角约55°，双频发射，全球范围内可视性良好。卫星导航系统2.GLONASS卫星导航系统（前苏联）★78年代开始研制，1982年开始部署，1995年底全

部星座部署完毕。★GlobalNavigationSatelliteSystem——GLONASS

★GLONASS定位精度：

10-15m

无任何政策影响，不限制民用。★GLONASS特点：

全球、全天候、高精度、连续、近于实时的三维

定位与导航功能。★

GLONASS卫星：

25（24+1）颗中轨卫星，分布3个轨道面，轨道倾角约64°，双频发射，全球范围内可视性良好。卫星导航系统3.北斗星卫星导航系统（中国）★2000年发射

2颗地球静止卫星（CEO）

，

2003年6月正式运营。★

特点：

双星有源、区域性定位导航系统。★

北斗卫星：

2+1颗地球同步轨道（36000km）卫星。★

定位精度：

优于

20m卫星导航系统4.INMARSAT卫星导航系统（国际海事卫星组织IMO）★

利用带有导航舱的INMARSAT的中轨道卫星，

发射GPS信号、DGPS校正值等信息，为全球

提供通信、定位、导航及完善性监测。

卫星导航系统5.伽利略卫星导航系统（欧洲

+中国）★1999由欧盟提出计划，2004下半年开始发射

实验卫星，2008年全面投入使用。★

卫星：

27+3颗卫星颗中轨卫星，分布3个轨道面，轨

道倾角约

55，运行周期52810.10s。

3颗覆盖的GEO卫星，辅以GPS和本地差分增

强系统，定位精度达几米。★

特点：

全球、全天候、高精度、连续、近于实时的

三维定位和导航；

是针对商业和军用的高精度卫星导航系统。卫星导航系统二、卫星导航系统的分类

1.卫星导航系统的分类：★

按卫星运行轨道的高度分：低轨（900~2700km）中轨（13000~20000km）高轨（20000~48000km）★

按工作区域分：★

按工作方式分：同步轨道：公转速度与自转速度同步的轨道；静止卫星：全球、区域无源、有源卫星导航系统三、卫星轨道参数1.开普勒定律：说明卫星在地球中心引力场作用下的运动卫星轨道：导航卫星绕地球运行的路径卫星轨道参数：描述卫星轨道的形状、大小、轨道面

在空间的位置

和卫星在轨道上的位置。1）卫星（行星）在不同的椭圆轨道上围绕地球（太阳）

运动，地球（太阳）是这些椭圆的一个焦点2）卫星（行星）的向径（地球/太阳和卫星/行星的连线）

在相等的时间内扫过相等的面积3）卫星（行星）绕地球（太阳）运行周期的平方和其

椭圆轨道长半轴的三次方成正比（T2

a3）卫星导航系统

GPS卫星导航系统设置一、GPS地面站1.跟踪站：接收包括环境数据在内的卫星的各种信息，

并将测定的信息传送到主控站；

所测伪距1.5s更新一次，电离层气象数据

15min平滑一次。2.主控站：收集、评价数据，计算各卫星原子钟的校正

参量、卫星历书、卫星星历、系统状态并形

成导航信息码，送注入站；

控制和调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星。3.注入站：地面站或地面天线，将导航信息送给卫星。卫星导航系统二、GPS导航卫星网1.GPS导航卫星☆24（21+3）颗

高轨20183km）

卫星，分布在

6个轨道面上，

轨道倾角约

55°，地平线

7.5°以上至少可以看到4颗，

地平线上至少看到5颗，最多

11颗；运行周期约11h58m

（717.88m），约12h。☆

双频发射：

L1波段（1575.42MHz），

P码、CA码和导航数据调制；

L2波段（1227.60MHz），

P码和导航数据调制；

以后增加L5（1176MHz）☆

电源：太阳能、镉镍电池☆

卫星钟：原子钟1980.1.6.☆

微处理器、存储器、收发机、

监测传感器、应急通信转发

器、

30度波束圆极化天线卫星导航系统2.GPS卫星导航电文1）P码和CA码CA码：低速、短周期的伪随机二进制序列码，

（1.023MHz、1ms），测距精度低，协助捕获P码P码：快速、长周期的伪随机二进制序列码，

（10.23MHz、7days），测距精度高，难于捕获优点:a.抗干扰

CA（P）码有良好的自相关函数，使其易于在噪声背

景中被识别；不同的CA（P）码间有良好的互相关函

数，则不同的卫星信号间的相互干扰很小。b.码分多址识别：

CA码：1025种

；P码：1444种c.伪码加密

GPS数据经过CA（P）码扩频发射，又需经解扩提取d.精确测距卫星导航系统2）GPS卫星导航电文（导航信息）a.卫星导航电文的内容卫星原子钟的校正参量、卫星历书、卫星星历、卫星识别标志等，主要用于计算卫星的位置及卫星钟差校正。

b.卫星导航电文的传输过程导航数据码

（电文）50HZCA码、P码调制L1（或L2）载波调制发射计算卫星位置识别卫星、测量信号传播时间运载并发射信号卫星导航系统c.卫星导航电文的接收过程L1（或L2）高频信号本机CA码或P码（相关输出）解调（滤波）导航数据（电文）50Hz可同时测伪距可计算出卫星的位置2、GPS测距码测距原理2、GPS测距码测距定位步骤

要解算用户的三维坐标位置，必须有若干个已知参考点要解算出用户到参考点的基线结果，必须解空间三角形要解三角形，必须测量用户接收机到卫星的距离要测量距离，必须测量卫星信号到用户接收机的传输时间用测量卫星信号的传输时间，需要使用“码相位技术”要得到精确结果，还要消除信号在传输路径上的误差测量用户接收机到卫星的距离卫星离地球的平均距离为20200公里；如何实现精确、快速测距?测量卫星信号到用户接收机的传输时间

判断闪电离我们有多远判断绽放的礼花离我们有多远我们得到的启示：通过测量时间延迟来计算距离生活中的测距实例我们举例说明如何测量两个人之间的距离使用“同步技术”，利用声波来测量两个人之间的距离。同步声波特点：频率一样，结构一致初始状态通过加入1/4拍延时通过加入(1/4+1/8)拍延时红色信号部分是通过“等待”了(1/4+1/8)拍来得到和绿色信号同步的，即二者的时延就是(1/4+1/8)拍。从聆听者的角度来说，当两首歌曲听起来感觉没有一前一后的效果时，就可以认为两首歌曲已经达到同步效果了，是同时到达聆听者的耳朵里。这个效果是由红色信号部分人为地加上延时造成的。聆听者通过测定红色信号的延时值，可以得到两点间的距离。距离=Δt

×

声速为了使我们的测距尽可能的快，结果又要准确，我们在设计整个测距方案时，用于测定时延的“歌曲”在选定或编制中不得存在歌词重复的现象。歌词长短对测距精度的影响假如用于同步的歌曲长度为60秒，总共含10个字，则每个字平均占6秒。当两个音频信号进行同步时，误差最大可到5秒。如果单位时间内包含的歌词太少，每个歌词所占用的时间较长，这给同步精度带来了较大误差。如果我们把歌曲调整一下，使得歌曲在同等时间内包含更多的歌词，则每个歌词所占用的时间(即码元宽度)就会较短，在相同的分辨率下，达到同步对应的误差就会大大减少。假如用于同步的歌曲长度为60秒，总共含120个字，则每个字平均占0.5秒。当两个音频信号到达同步时，误差最大为接近0.5秒。这好比要把两把尺子对齐，如果尺子的最小刻度为厘米，则对齐后所带来的系统误差最大为0.9厘米；如果尺子的最小刻度是毫米，则对齐后所带来的误差最大为0.9毫米。二者为10倍的关系。可见，刻度越小，同步对应的精度就越高。由此可见，我们用于同步的信号源应具有码元短的特性。歌曲长度为60秒，当歌曲包含10个字时，每个字平均占用6秒，则同步误差最大为5.9秒；当歌曲包含1200个字时，每个字平均占用0.005秒，则同步误差最大为0.0049秒。音速为344米/秒，则二者对应的最大测距误差分别为1720米和1.68米。综上，为保证测距精度，我们需要关注以下几点指标：为保证同步的精度，单位时间内，歌词应尽可能地多，这样每个字对应的时间(码元宽度)则会较短；保证两个人同时唱歌(具有相同的初相和相位)；聆听者必须有较高的灵敏度，能在最佳时刻同步

(满足相关峰值最大)；1、在GPS测距技术中，用于同步的“歌曲”叫伪噪声码，即C/A

码。C/A码为民用码，码长很短，周期只有1毫秒，结构较为简单，在一个周期内码结构不会出现重复现象，可实现快速测距。2、C/A码的码长为1023bit，码元宽度是0.97752微秒。在一个周期内(1毫秒)，码结构不会出现重复。卫星发射的C/A码测距原理当卫星发射一伪随机码，接收机内也产生一个相同结构的伪随机码。当卫星信号经过传播距离的延迟ζ后到达接收机，与本地码进行相关运算；通过移动本地码，使相关函数达到最大值(即峰值)。这样，本地码所移动的时间延迟值就是卫星信号在空间的传播时间ζ，乘以光速就可以得到所测距离。#1#2#3#4需要说明的是，测距仅仅是定位的一个中间环节，测距精度并不等同于定位精度。电离层误差、对流层误差、多路径效应、星历误差等因素都会导致定位精度的降低。但测距精度是衡量接收机性能的一个重要指标。测距精度对定位精度的影响GPS卫星导航电文P码1.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1/10~1/100，则相应的距离误差为2.93~0.29m,故P码称为精码。2.由于P码周期长，GPS接收机为了捕捉周期长达7天的P码，一般都是先搜索、捕捉周期短得多的C/A码，然后从C/A码中解译出它所传送的导航电文，依次得到P码。

通过使用码相位测距法，可快速得到接收机到不

同卫星的距离，而卫星的位置坐标是已知的，从

而可以推算出接收机的三维位置坐标。

C/A

码的结构特点，可以满足快速、准确同步的

要求，从而可以快速计算出接收机到卫星的距离。3.GPS卫星的导航电文和卫星信号使用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，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

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)。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信号的构成—总结L1载波L2载波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（降低广播星历精度）

-对P码采用的译密技术（AS技术）GPS信号的SA(Selectiveavailability)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：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）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/AcquisitionCo