《高速铁路工程测量》课件-第三章 GNSS系统

第三章GNSS系统组成与信号结构3.1GNSS系统组成3.2GNSS测距码3.3GNSS信号结构第三章GNSS系统组成与信号结构3.1GNSS系统组成主要内容:

空间部分

地面控制部分

用户设备部分

GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分1、GPS的空间部分GPS卫星星座6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55

周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）1、GPS的空间部分GPS卫星星座设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15

以上，能够同时观测到4颗以上卫星。GPS卫星星座1、GPS的空间部分GPS卫星的地面轨迹1、GPS的空间部分GPS卫星

－作用接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核爆等。－主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置1、GPS的空间部分BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的GPS卫星2、GPS地面监控部分组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统2、GPS地面监控部分分布2、GPS地面监控部分监测站（5个）－作用 接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。－地点 夏威夷、主控站及三个注入站。2、GPS地面监控部分主控站（1个）－作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作；收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。－地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。2、GPS地面监控部分注入站（3个）－作用 将导航电文注入GPS卫星。－地点 阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）3、GPS地面监控部分组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备3、GPS用户部分GPS信号接收机－定义

能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备。－主要功能

接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。3、GPS用户部分GPS信号接收机－天线单元带前置放大器接收天线－接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源天线单元接收单元3、GPS用户部分GPS信号接收机分类－按接收的卫星信号频率划分

单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，精度较差，主要用于小于20km的短基线精密定位。

双频接收机（L1+L2）：同时接收L1、L2两种信号,定位精度较高。3、GPS用户部分GPS信号接收机分类－按接收机用途划分导航型：主要用于确定船舶、车辆、飞机等运动载体的实时位置和速度。测地型接收机：主要用于精密大地测量和精密工程测量。授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。3、GPS用户部分GPS信号接收机分类－按接收机信号通道数划分多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号。序贯通道接收机:只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。多路复用通道接收机:与序贯通道接收机相似，依次量测一个循环所需时间较短（小于20ms）。用户部分GPS信号接收机分类－按工作原理划分码相关型接收机：利用码相关技术得到载波伪距观测值。平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得所必需的载波信号。混合型接收机：目前广泛使用干涉型接收机：将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法测定两个测站间的距离。第三章GNSS系统组成与信号结构3.2GNSS测距码主要内容:

测距码

GPS测距码

GPS测距基本原理2024/5/16231、测距码信号1.1码的概念及其产生

1）码的基本概念

码——表达不同信息的二进制数及其组合。（波形与序列见下一幻灯片。）

码元——一位二进制数叫一个码元。

编码——用二进制数表示信息的过程。

信息量——某种事物有2r种类型，可用r位二进制数表示，即含有r比特的信息量。

信息的传输速度——单位时间内传输的比特数。

码元宽度——传输一个码元所用时间。

码元、信息的传播速度、码元宽度三概念应牢固掌握！2024/5/1624

符号与波形名称二进制序列符号序列1110信号电位-1-1-11信号波形2024/5/1625模二加法：码序列——将r比特的二进制数看作是由0、1组成的序列。2）随机码在一个码序列中，0和1出现的概率相等，而某一码元是0或是1却是随机的，事先无法确定的，这样的码序列叫随机码。随机码特点：非周期性序列；自相关性好；无法复制。自相关性用自相关系数表示，

自相关系数——将U（t）平移k个码元，平移后与平移前两序列相同码元个数A，相异个数B，（A-B）/（A+B）叫自相关系数，用R（t）表示。

自相关性好——原码与复制码对齐R（t）=1，不对齐≈0。2024/5/1626模二加法：自相关系数：11101001110100

11101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/7。11101001110100

11101001110101R(t)=(3-4)/7=-1/72024/5/16273）噪声码

信号强度远低于噪声强度的信号码。优点：耗能少；隐蔽性好。4）伪随机噪声码及其产生

伪随机码——有良好的自相关性且按周期重复出现的二进制码。

产生：多级反馈移位寄存器；也可用程序产生。

1111000100110101111000100110102024/5/16282、GPS的测距码2.1C/A码两个10级移位寄存器产生两个伪随机码G1、G2。

G2平移1~1023码元，得1023个新码，与G1模二相加。不同卫星用不同码。钟频：1.023MHz；码元宽度：0.97752μs，码长：210-1=1023bit，周期：0.97752μs×1023=1ms，测尺长度，300km，测时精度：0.97752μs/100=0.0097752μs，测距精度：299792458m/s×9.7752×10-9=2.93m。2024/5/1629

C/A码有如下2个特点：

(1)C/A码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C/A码逐个进行搜索。因为C/A码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20.5s便可完成。由于C／A码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的信息，又可以方便地捕获P码，所以通常C／A码也称为捕获码。

(2)C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/10～1/100，则这时相应的测距误差可达29.3～2.9m。由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。所以，C/A码的原意就是粗捕获码(CoarseAcguisitonCode)。2024/5/16302.2P码4个12级移位寄存器，每个移位寄存器产生的伪随机码的码长为：212-1=4095bit，设4个码为：A，B，C，D；将其组合成复杂的复合码，如：ADDBACAADCBA等。钟频：10.23MHz；码元宽度：0.097752μs，码长：2.35×1014bit，周期：0.097752μs×2.35×1014=267天测时精度：0.097752μs/100=9.7752×10-10s，测距精度：299792458×9.7752×10-10=0.293m。2024/5/1631

实际上P码的一个整周期被分为38部分，每一部分周期7d，码长约6.19×1012bit。其中，5部分由地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星，1部分闲置。这样，每颗卫星所使用P码便具有不同的结构，但码长和周期相同。

因为P码的码长约为6.19×1012bit，所以如果仍采用搜索C／A码的办法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，那将是无法实现的(约需14×155d)。因此，一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，便可容易地捕获P码。

2024/5/1632

另外，由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，这时若取码元的相关精度仍为码元宽度的1/10～1/100，则由此引起的相应距离误差约为2.93～0.29m，仅为C/A码的1/10。所以P码可用于较精密的导航和定位，称为精码(PreciseCode)。目前，美国政府对P码保密，不提供民用，因此GPS信号一般用户实际只能接收到C/A码。

2024/5/16333、接收机的基本原理1）、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；2）、接收码比复制码滞后一段时间；3）、时延器将复制码延后（向后移位），直到与接收码对齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时间。

复制码１１１１０００１００１１０１０１１１接收码１１１１０００１００１１０１０4）*、冷启动，接收码(来自某卫星）与50多个复制码（接收机产生）一一比较，两者相同叫锁定（如图）。热启动，冷启动后有记忆，以后启动不必一一比较。2024/5/1634数据接收第三章GNSS系统组成与信号结构3.3GNSS信号结构主要内容:

电磁波基本概念

GPS信号结构

GPS测距基本原理Slide361、电磁波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)

0

t+0t0t1y=Aesin(t+0)Aety=

/2

=(t+0)/2

注意：相角和相位2024/5/16371）、参数周期T、频率f、速度v、波长λ、相位φ及其相互关系：T=1/f

，λ=T.v，φ=2πft。2）、电磁波普

1）全普与窗口

2）卫星大地测量常用普全普与窗口2024/5/1638卫星定位常用波普符号频率GHz平均波长（cm）P0.22~0.30115L1~220S2~410C4~85X8~12.53Slide392、GPS信号结构GPS载波信号L1载波GPS的测距码C/A码P码导航电文卫星的星历卫星工作状态时间系统卫星钟运行状态轨道摄动改正大气折射改正L2载波GPS卫星信号2024/5/1640GPS卫星信号构成示意图41为了将低频的测距码信号和导航电文信号顺利传输到地面，需另外发射一种高频信号（载波）。GPS卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载波，L1载波频率为1575.42MHz，波长为19.03cm；L2载波频率为1227.60MHz，波长为24.42cm。在L1载波上，调制有C/A码、P码（或Y码）和数据码；

L2载波上，只调制有P码（或Y码）和数据码。调制信号: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。Slide422.1、GPS的载波信号L1载波频率：1575.42MHZ波长：19cmL2载波频率：1227.6MHZ波长：24cmcvac=

vacf=vac/TSlide43GPS的载波是L波段的微波，具有良好的穿透大气的能力，从卫星的发射天线发出后沿直线传播到达地球表面，发射信号强度为26.8dBw，接收最低信号强度为-160dBw。常规GPS接收机可以进行正常接收的最弱信号为-160dBw，而经过稠密介质时信号强度大为衰减，例如在室内，GPS信号强度会衰减为-188dBw（比-158dBw弱1000倍），因而常规GPS接收机在室内因信号太弱而不能进行定位，在这种弱信号环境下，特殊的GPS接收机仍然可以工作，例如IndoorGPS。2.1、GPS的载波信号Slide44载波的作用是作为传输工具，把搭载于其上的测距码和导航电文从卫星传播到地面；对于测量型接收机，载波又同时用作为测量信号，接收机对接收到的载波进行相位测量，获得高精度的相位观测值，从而实现厘米乃至毫米级的高精度基线测量。2.1、GPS的载波信号Slide453.1、信号的生成3、GPS信号的构成Slide463.2、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调制：将频率较低的信号加载到频率较高的信号上Slide47

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)010010101011010101010Slide48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

第二级的调制Slide49

L2上调制的信号L2CarrierWave1227.6MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHzSlide50L1CarrierWave1575.42MHzC/ACode1.023MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz

L1上调制的信号Slide513.2、GPS信号的发展2024/5/16523.3测距码的解调

在进行GPS卫星定位测量时，既然用户接收机收到的GPS卫星信号是一种已调波，那么，随之产生的一个技术问题，就是怎样从接收到的已调波中分离出测距码信号、导航电文信号以及纯净的载波信号，这项技术称为信号的解调。当用户接收机收到GPS卫星信号后，通常可采用以下两种方法进行信号的解调：

（1）码相关解调技术

（2）平方解调技术

2024/5/1653（1）码相关解调技术由于调制波是以码状态与载波相乘实现的，当码状态由＋1变为-1，或由-1变为＋1时，都会使调制后的载波改变相位，产生相位跃迁而形成已调波。因此，要想恢复载波，只需用接收机产生的复制码信号，在同步条件下与卫星信号相乘就可以了。其原因是由于接收机产生的复制码信号，与GPS卫星发射的测距码信号结构完全相同，在经过码相关清除时延差后，可实现完全同步。这样原先因乘-1而被改变的相位，现在又因再乘-1而得到恢复。2024/5/1654码信号的调制与解调过程

2024/5/1655（2）平方解调技术由于处于±1状态的调制码信号，经平方后均为＋1，而＋1不改变载波相位，所以卫星信号经平方后即可达到解调的目的。当用户接收到GPS卫星信号后，首先通过变频而得一中频信号，这时信号结构无任何变化，仅仅只降低了载波频率。电路再将所获得的中频GPS卫星信号自乘，消去加载在载波上的测距码信号和数据码信号，达到解调的目的。最后，电路输出经过解调后的纯净载波。平方解调技术可不必知道调制码的结构，但它在解调时不仅消去了测距码信号，同时也消去了数据码信号，因此不能用来恢复导航电文。2024/5/1656平方解调技术电路示意图573、导航电文及其格式导航电文：是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码）。

导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。58导航电文的格式123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特59

每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。60一帧导航电文的内容TLMHOW数据块—1时钟修正参数TLMHOW数据块—2星历表TLMHOW数据块—2星历表继续TLMHOW数据块—3卫星历书等TLMHOW数据块—3卫星历书等12345一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特61（1）遥测码（TLM—Tele