GPS卫星信号构成与导航电文

GPS原理及其应用

第四讲

黄鹰第四章 GPS卫星信号的结构与导航电文

载波相位测量距离测量与GPS定位>载波相位测量测距方法双程测距

用于电磁波测距仪单程测距

用于GPS距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>测距方法信号传播时间测距码测距原理①距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定信号传播时间的测定距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>测距码测距原理测距码测距原理②利用测距码测距的必要条件必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理（如AS）每颗GPS卫星都采用特定的伪随机噪声码微弱信号的捕获距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>测距码测距原理测距码作用测距性质为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>测距码伪距测量的特点优点无模糊度缺点精度低距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>伪距测量的特点4.2伪随机序列

香农(Shannon)指出，为了实现最有效的通信，应采用具有白噪声的统计特性的信号。为了实现高可靠的保密通信，也利用随机噪声。随机噪声的缺点：难以重复产生和处理。伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，又便于重复产生和处理。伪随机噪声都是由数字电路产生的周期序列(伪随机序列)。

PN序列(PseudoNoise)----m序列

产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列(m序列)。

4级反馈移存器。1)初始状态为输出周期最长为15的序列：0001111010110012)初始状态为移位后得到的仍为全“0”状态。反馈移存器中应避免出现全“0”状态。用尽可能少的级数产生尽可能长的序列。

2.n级反馈移存器一个n级反馈移存器可能产生的最长周期等于m=(2n–l)。--m序列的产生为了使m序列产生器的组成尽量简单，使用项数最少的那些本原多项式。本原多项式最少有三项（这时只需用一个模2加法器）。3.m序列的性质

1)均衡性在m序列的一周期中，“1”和“0”的数目基本相等。“1”的个数比“0”的个数多一个。

2)游程分布把一个序列中取值相同的那些连在一起的元素合称为一个“游程”。在一个游程中元素的个数称为游程长度。例如，在图10-2中给出的m序如下：

000111101011001

共有8个游程：长度为4的游程有一个；长度为3的游程有一个；长度为2的游程有两个；长度为1的游程有4个。在m序列中，长度为1的游程占游程总数的1/2；长度为2的游程占游程总数的1/4；长度为3的游程占游程总数的1/8；…。长度为k的游程数目占游程总数的2k

，而且在长度为k的游程中[l≤k≤(n–2)]，连“l”的游程和连“0”的游程各占一半。

3)移位相加特性一个m序列Mp与其经任意次迟延移位产生的另一不同序列Mr模2相加，得到的仍是Mp的某次迟延移位序列Ms

，即[例]m=7的m序列Mp=1110010,Mr=0111001,Ms与Mp向右移位5次的结果相同。

4)自相关函数自相关函数

A—该序列与其j次移位序列一个周期中对应元素相同的数目；

D—该序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不同的数目；

m—该序列的周期。改写成上式分子就等于m序列一个周期中“0”的数目与“1”的数目之差；由m序列的均衡性可知，m序列一周期中“0”的数目比“l”的数目少一个，自相关函数也有周期性，周期也是m;自相关函数是偶函数.

10.4.3噪声产生器要求能产生限带白色高斯噪声。设m序列的码元宽度为T1秒，则大约在零至(1/T1)×45%Hz的频率范围内，可以认为它具有均匀的功率谱密度。对于多次进行某一测量，都有较好的可重复性。10.4.4通信加密将信源产生的二进制数字消息和一个周期很长的伪随机序列模2相加，这样就将原消息变成不可理解的另一序列。伪随机序列的应用C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码码长：Nu=210-1=1023码元码元周期tu≈0.97752µs(相应的码距为293.1m)周期Tu=1ms数码率=1.023Mbit/s码生成：由两个十级反馈移位寄存器的输出信号模二相加而成，G(t)=G1(t)⊕G2i[t+i(10tu)]

其中i为偏移量，共有1023不同值，仅选择其中36个互异的C/A码。全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>测距码>C/A码和P码P（Y）码（PreciseCode）–精码码长：Nu≈1.35×1014

码元码元周期tu≈0.097752µs(相应的码距为29.31m)周期Tu≈267天数码率=10.23Mbit/s码生成：G(t)=G1(t)⊕G2i[t+itu)]

（由两个20级的移位寄存器构成）其中i为偏移量，i为1~37之间的整数，产生37个互异的P码相位，其中32个分给不同的卫星使用，5个给地面监控系统使用。P码周期很长，267天重复一次，实际使用7天被重置，实际按7天周期计算。1周期含码元数：6187104000000；如码序列对齐误差为码元宽度的1/100，则相应的测距误差可大0.29m。全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>测距码>C/A码和P码载波相位测量的关键技术－重建载波①重建载波将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了电文之后变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波载波相位测量的关键技术－重建载波②码相关法方法将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。技术要点卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。特点限制：需要了解码的结构。优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）码相关法距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波载波相位测量的关键技术－重建载波③平方法方法将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。技术要点卫星信号（弱）自乘。特点优点：无需了解码的结构缺点：无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）平方法距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波载波相位测量的关键技术－重建载波④互相关（交叉相关）方法在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差技术要点不同频率的卫星信号（弱）进行相关。特点优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波载波相位测量的关键技术－重建载波⑤Z跟踪方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。特点优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）距离测量与GPS定位>载波相位测量>载波相位测量的关键技术－重建载波Z跟踪技术ASP码+W码Y码W码的码元宽度比Y码大几十倍Z跟踪技术原理将相关间隔（积分间隔）限定在一个W码码元内距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>Z跟踪技术GPS卫星信号结构全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构概述GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（RangingCode）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成关键设备–原子钟全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>概述GPS卫星的基准频率f0由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星的基准频率

载波①作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>载波载波②特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>载波GPS信号的SA政策和AS政策美国政府在GPS的最初设计中，计划向社会提供两种服务，精密定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）。精密定位服务的主要服务对象是政府部门或其他特许民用部门，使用双频P码，预期定位精度达到10米。标准定位服务的主要对象是广大的民间用户，使用C/A码单频接收机，无法利用双频技术消除电离层的折射的影响，其单点实时定位的精度约为100米。GPS信号的SA政策和AS政策但是在GPS的实验阶段，由于提高了卫星钟的稳定性和改进了卫星轨道的测定精度，使得利用C/A码定位的精度达到14米，利用P码定位的精度达到3米，大大优于预期。美国政府出于自身安全的考虑，于1991年在BlockⅡ卫星上实施了SA和AS政策，其目的就是降低GPS的定位精度。GPS信号的SA政策和AS政策SA（SelectiveAvailability）政策即可用性选择政策，通过控制卫星钟和报告不精确的卫星轨道信息来实现。它包括两项技术：第一项技术是将卫星星历中轨道参数的精度降低到200米左右；第二项技术是在GPS卫星的基准频率施加高抖动噪声信号，而且这种信号是随机的，从而导致测量出来的伪距误差增大。通过这两项技术，使民用GPS定位精度重新回到原先估计的误差水平，即大约100米。GPS信号的SA政策和AS政策SA技术

GPS的SA（SelectiveAvailability）技术，有选择可用性技术，即人为地将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意降低GPS精度。其直接影响是C/A码的精度从原先的20m降低到100m。

SA技术的主要内容

1、在GPS工作卫星信号的基准频率中采用δ技术（引入一个人工高频抖动信号），使GPS卫星频率发生快速变化(钟频抖动)，钟频抖动可达2Hz，降低测量精度。

2、导航电文经ε技术处理广播星历精度由100米下降到200米左右，而且偏差不固定，为不规则变化的随机量。GPS信号的SA政策和AS政策军用接收机则由于装备了特殊的硬件和码，能减轻“SA”的效果。GPS系统管理人员通过地面指挥旋转开关，控制“SA”的开与关。值得指出的是，SA是空间相关的，所以民用用户可以通过差分GPS（DGPS）的方法消除SA，当然用户必须对此增加自己的成本。GPS信号的SA政策和AS政策2000年5月2日，SA政策被取消。美国放弃这一举措，可能基于两种考虑，一是其国内和国外的应用需求，以及国际竞争的需要，希望保持GPS的国际领先地位，同时成为国际标准的战略性策略；二是美国已经具备新的阻断敌对方利用民用信号对其发动攻击的能力，尤其是在局部区域内的控制使用能力。AS(Anti-Spoofing)政策即反电子欺骗政策。它将P码与高度机密的W码模2相加形成新的Y码。其目的在于防止敌方对P码进行精密定位，也不能进行P码和C/A码相位测量的联合求解。SA和AS技术是各自独立实施的。GPS信号的SA政策和AS政策Z跟踪技术ASP码+W码Y码W码的码元宽度比Y码大几十倍Z跟踪技术原理方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。将相关间隔（积分间隔）限定在一个W码码元内距离测量与GPS定位>利用测距码测定卫地距>Z跟踪技术卫星信号的调制①模二和运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星信号的调制卫星信号的调制②二进制信号的相位调制调频FM调幅AM调相PM注：其它调制方式全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星信号的调制卫星信号的调制③GPS卫星信号的调制示意图卫星信号的调制原理全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星信号的调制卫星信号卫星（导航）电文①作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息基本结构全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文卫星（导航）电文②基本内容全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文卫星（导航）电文③遥测字（TLM–TelemetryWord）每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导交接字（HOW–HandOverWord）每一子帧的第2个字主要内容：Z计数全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文卫星（导航）电文④第一数据块第1子帧的第3~10个字内容：WN–GPS周L2所调制测距码标识符–“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码传输参数N–URATGD–信号在卫星内部的时延星钟数据龄期AODC星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文卫星（导航）电文⑤第二数据块第2、3子帧的第3~10个字内容该发送信号卫星的星历－广播星历星历参数全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文卫星（导航）电文⑥第三数据块第4、5子帧的第3~10个字内容：所有卫星历书（概略星历）第三数据块的内容每12.5分钟重复一次全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>卫星（导航）电文星历参数详解①全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>星历参数详解星历参数详解②全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>星历参数详解星历参数详解③全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>星历参数详解星历参数详解④全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>星历参数详解GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置①计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道参数全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置③计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置④计算过程（续）计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星位置的计算

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑤计算过程（续）计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置全球