测量第四章信号

第四章GPS卫星信号引言GPS信号概述GPS信号——卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波2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)

3OutlineGPS信号GPS的导航电文GPS的伪随机噪声码GPS载波信号GPS信号的调制GPS信号接收机4第一节导航电文导航电文的概念导航电文的格式导航电文的内容P345一、导航电文导航电文——卫星通过无线电信号向地面发播的电文，是用户用来定位和导航的数据基础，即一组数据码。6二、导航电文的播发格式7三、导航电文的播发内容卫星的星历卫星的工作状态卫星的时钟改正电离层时延改正C/A码捕获P码其它卫星的星历8播发内容子桢号1个字桢6秒长，10个字，每个字30bit1桢30秒，1500bit91、遥测码TLM--Telemetryword遥测码——每个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导第1~8bit为同步码（10001001），为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解码第9~22bit为遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息，以此指示用户是否选用该卫星。第23、24bit无意义，第25~30bit为奇偶检验码。102、转换码HOW--Handoverword转换码——向用户提供用于捕获P码的Z计数Z计数——它表示从每星期六/星期日午夜零时开始播发的D码的子桢数。知道Z计数，就知道观测时刻P码在周期中的准确位置，以此较快地捕获P码第1~17bit表示Z计数，第18bit表明卫星注入电文后是否发生滚动动量矩缺载现象。第19bit用于指示数据帧的时间是否与PN1(t)钟信号同步。第20~22bit是子帧识别标志。第23、24bit无意义。第25~30bit为奇偶检验码。113、第一数据块第一子帧的第3--10个字码为第一数据块。它的主要内容是：(1)大气传播时延改正值Tgd；(2)星期序号WN，GPS星期数;(3)卫星时钟改正系数(4)数据龄期AODC，时钟改正数的外推时间间隔；124、第二数据块第二和第三子帧共同构成第二数据块，它表示GPS卫星的星历。(1)开普勒6参数(2)轨道摄动9参数

(3)时间2参数星历参考时刻星历数据龄期135、第三数据块第三数据块是由第4和第5两个子帧构成的，它提供GPS卫星的历书数据。当接收机捕获得某颗卫星后，利用第三数据块提供其它卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星工作状态等数据。用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，而且还可根据所在的位置，选择最佳星座，依据已知的卫星PRN号进行设置，以快速捕获和定位14四、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.brdc0120.02n15RINEX标准16四、卫星位置的计算（4.3）计算卫星运动的平均角速度观测时刻与参考时刻之差平近点角的计算偏近点角的计算真近点角的计算升交距角（升交点—卫星）轨道参数的摄动改正轨道平面坐标系上的坐标卫星在瞬时地球坐标系的坐标升交点经度升交距角、地心向量、轨道倾角P4017卫星位置近地点i卫星yxz升交点春分点轨道赤道Ωsfs计算卫星运行的平均角速度n开普勒参数表示的卫星位置卫星在轨道平面坐标系上的位置地球坐标系的坐标协议地球坐标系18第二节GPS的信号（4.2.2）P37GPS信号GPS的伪随机噪声码——测距GPS载波信号GPS信号的调制19一、GPS的测距码什么是伪随机噪声码伪随机噪声码的产生伪随机噪声码测距GPS的测距码201、伪随机噪声码伪随机噪声码——PRN码PseudoRandomNoiceCode什么是伪随机噪声码以预先确定并可重复产生和复制，具有白噪声统计特性的二进制码，有一定周期的，取值0或1的二进制序列为什么用它测距？仙农“噪声通信理论”：可实现低信噪比的接收，可实现码分多址通信，具有良好的保密特性212、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置1脉冲⊕钟脉冲

a3反馈序列输出序列例：22M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11110101100100001111010110010023M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11110101100100001111010110010024相关特性的应用253、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ReceiverSatelliteTimedeference26GPS测距t时刻△tt+△t时刻27GPS测距284、GPS的测距码GPS的测距码粗测码——C/A码精测码——P码C/AP29(1)、粗测码C/A码：由两个十级反馈移位寄存器产生C/A码的特性长度周期：码元长度：时间周期：频率：C/A码的特点易于搜索和捕获；码长约为300km

一个码长293m，测量（比对）精度1%~10%30(2)、精测码P码的特性长度周期：码元长度：时间周期：频率：P码的特点周期长，码率高，不易于捕获；易于保密，难于破译；

AS政策:P+W=Y

一个码长29.3m，测量（比对）精度1%~10%31思考与讨论用测距码测距，就像用一个与对应码长长度相等的尺子丈量卫地距离？测量的精度与单个码元长度相关，就像尺子的最小刻度影响估读精度？32二GPS的载波信号电磁波的基本概念GPS的载波信号331、电磁波传播的基本概念电磁波是一种随时间t变化的正弦或余弦波。设电磁波初相角为0，角频率，振幅为Ae，则电磁波的数学表达式为

y=Aesin(t+0)0t+0t0t1y=Aesin(t+0)Ae补充知识ty341）电磁波参数的关系设电磁波的频率为f，周期为T，相位为，当t=0时有初相位0，角频率，有如下关系：=2f；f=1/T，=t/T+0352）电磁波的传播假设电磁波在真空中的传播速度为cvac，则有

cvac=vacf=vac/T在卫星大地测量中，国际上当前采用的真空光速为：

c=2.99782458108(m/s)。363）信号的折射实际的电磁波传播是在大气介质中，若干大气层可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。电磁波在大气中的传播速度可以用折射率n来表示，n=c/v。折射率与大气的组成和结构密切相关，其实际值接近于1。SatelliteOrbitIonosphereTroposphere5020020000kmkmkm372、GPS的载波信号L1载波频率：1572.42MHZ

波长：19cmL2载波频率：1227.6MHZ

波长：24cm38三GPS信号的构成信号的生成信号的调制信号的特点P36391、信号的生成402、GPS信号的调制X伪随机噪声码导航电文(50Hz)X载波调制调制二级调制41数据码和测距码的调制42码和载波的调制TheCarrier...

combinedwithThePRNcode...

producestheModulatedcarriersignal

whichistransmitted...

demodulated...43GPSSignalEncodingP3744L1上调制的信号L1CarrierWave1575.42MHzC/ACode1.023MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz45L2上调制的信号L2CarrierWave1227.6MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz46GPS信号结构473、信号的特点载波频率选用L频段的两个频率，受电离层影响小，并可测定电离层延迟；利用伪随机噪声码测距技术，具有良好的抗干扰性；采用二级调制技术，把发送低码率的D码转换成发送复合码，既节省了卫星的电能，有增强抗干扰性和保密性；48第四节GPS接收机GPS接收机——接收GPS卫星发射的信号，并进行处理和量测，以获取导航电文和必要的观测量p4349一、接收机的基本工作原理50二、接收机的分类根据接收机的工作原理根据接收机信号通道的类型根据接收机的卫星信号频率根据接收机的用途511、根据接收机的工作原理码相关型接收机——能够产生于所测卫星的测距码，结构完全相同的复制码，工作中通过逐步相移，是接收码与复制码达到最大相关；平方型接收机——利用载波信号的平方技术去掉调制码，从而获得载波相位测量所必需的载波信号；混合型接收机——综合利用上述方法，同时获得码相位和精密的载波相位观测值；52信号的解调模二和算法:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0Bitshiftsaligned532、根据接收机信号通道的类型接收机的信号通道——