第三章GPS的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)1主要內(nèi)容回顧

GPS系統(tǒng)的組成§1.

GPS衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)成§2.

GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)§3.

GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文§4.

GPS接收機(jī)基本工作原理2概

述3概述>測(cè)距原理GPS衛(wèi)星測(cè)距原理衛(wèi)星信號(hào)于“T”時(shí)刻發(fā)射站星距離

=

信號(hào)傳播時(shí)間×光速GPS接收機(jī)于“T

+

Δt”收到信號(hào)ThereceiverusesitsinternalclockandthecodedinformationfromeachGPSsatelliteto

determinethetimeittookthesignalstoreachthereceiver.4概述>測(cè)距原理GPS衛(wèi)星測(cè)距原理GPS定位的基本測(cè)量，是觀測(cè)站至GPS衛(wèi)星的距離，它是通過(guò)測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)在該路徑上的傳播時(shí)間（時(shí)間延遲），或者測(cè)定衛(wèi)星載波信號(hào)相位在該路徑上變化的周數(shù)（相位延遲）來(lái)導(dǎo)出的。ρ=

v

?

Δt衛(wèi)星至觀測(cè)站距離ρ

=

傳播速度v

×

傳播時(shí)間ΔtTwo-wayandone-wayranging5§1

GPS衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)成6導(dǎo)航信號(hào)>概述一、概述衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)是一種由導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的，可供無(wú)數(shù)用戶(hù)共享的空間信息資源。GPS信號(hào)是一種多調(diào)制波、多信號(hào)格式和多用途的無(wú)線電信號(hào)。7測(cè)距碼信號(hào)>關(guān)于GPS衛(wèi)星信號(hào)一、概述GPS衛(wèi)星所發(fā)播的信號(hào)，包括載波信號(hào)、P碼（或Y碼）、C/A碼和數(shù)據(jù)碼（或稱(chēng)D碼）等多種信號(hào)分量，而其中的P碼和C/A碼，統(tǒng)稱(chēng)為測(cè)距碼。GPS衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生、構(gòu)成和復(fù)制等，都涉及到現(xiàn)代數(shù)字通信理論和技術(shù)方面的復(fù)雜問(wèn)題，雖然GPS的用戶(hù)一般可以不去深入研究，但了解其基本概念，對(duì)理解GPS定位的原理仍是必要的。8測(cè)距碼信號(hào)>關(guān)于GPS衛(wèi)星信號(hào)一、概述1、滿(mǎn)足多用戶(hù)系統(tǒng)的要求：GPS是根據(jù)單程測(cè)距原理建立的，即用戶(hù)只需通過(guò)接收設(shè)備來(lái)接收衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，并測(cè)定信號(hào)傳播的單程時(shí)間延遲或相位延遲，進(jìn)而確定從觀測(cè)站至GPS衛(wèi)星間的距離。這種單程測(cè)距系統(tǒng)，不僅有利于簡(jiǎn)化地面的接收設(shè)備，而且，凡具有接收設(shè)備的用戶(hù)，都可以利用GPS進(jìn)行定位。9測(cè)距碼信號(hào)>關(guān)于GPS衛(wèi)星信號(hào)一、概述2、滿(mǎn)足實(shí)時(shí)定位的要求：利用GPS導(dǎo)航或?qū)崟r(shí)定位的基本原理，類(lèi)似于經(jīng)典測(cè)量中的后方距離交會(huì)，即在同一觀測(cè)站上，必須同時(shí)觀測(cè)數(shù)顆瞬時(shí)位置已知的衛(wèi)星，以確定觀測(cè)站至這些衛(wèi)星的距離。GPS工作衛(wèi)星的數(shù)量及分布，既保障了定位的全球性和連續(xù)性，同時(shí)還通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，給出了有關(guān)衛(wèi)星瞬時(shí)位置的信息，這就滿(mǎn)足了GPS用戶(hù)連續(xù)實(shí)時(shí)定位的要求。10測(cè)距碼信號(hào)>關(guān)于GPS衛(wèi)星信號(hào)一、概述3、滿(mǎn)足高精度定位的需要：由于衛(wèi)星信號(hào)穿過(guò)電離層時(shí)，將受到電離層的折射影響，因此，GPS衛(wèi)星發(fā)射了具有兩種頻率的電磁波信號(hào)，以便應(yīng)用雙頻觀測(cè)技術(shù)計(jì)算電離層影響的改正，提高定位的精度。另外，GPS衛(wèi)星發(fā)射的電磁波還具有較高的頻率，這樣既提高了計(jì)算電離層折射修正量的精度，同時(shí)也滿(mǎn)足了用戶(hù)通過(guò)測(cè)量電磁波的多普勒頻移，進(jìn)行高精度測(cè)速的要求。11測(cè)距碼信號(hào)>關(guān)于GPS衛(wèi)星信號(hào)一、概述4、滿(mǎn)足軍事保密的要求：GPS是美國(guó)國(guó)防部門(mén)，主要為軍事方面的需要，而建立的現(xiàn)代化導(dǎo)航系統(tǒng)，但為了兼顧民用部門(mén)的需要，衛(wèi)星信號(hào)里包含兩種測(cè)距碼，即C/A碼和P碼。其中，C/A碼精度較低，但碼的結(jié)構(gòu)是公開(kāi)的，可供具有GPS接收設(shè)備的廣大用戶(hù)使用；而P碼精度較高，是結(jié)構(gòu)不公開(kāi)的保密碼，專(zhuān)供美國(guó)軍方以及得到特許的用戶(hù)使用。12導(dǎo)航信號(hào)>概述一、概述GPS信號(hào)的特點(diǎn)：多調(diào)制波：包括D碼、C/A碼和P碼三種碼。多信號(hào)格式：D碼是一種不歸零的二進(jìn)制碼組成的編碼脈沖串C/A碼和P碼均為偽隨機(jī)噪聲碼載波是處于L波段的微波連續(xù)波多用途：可軍用、可民用，也可作靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)測(cè)量，可以用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)，也可以用來(lái)測(cè)量載體的三維姿態(tài)參數(shù)。13導(dǎo)航信號(hào)>衛(wèi)星信號(hào)的結(jié)構(gòu)二、衛(wèi)星信號(hào)的結(jié)構(gòu)前已指出，GPS衛(wèi)星信號(hào)包含有三種信號(hào)分量，即載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼。而所有這些信號(hào)分量，都是在同一個(gè)基本頻率的控制下產(chǎn)生的。每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無(wú)線電信號(hào)（基準(zhǔn)頻率?

）兩種載波（L1和L2）兩種碼信號(hào)（C/A碼和P碼）一組導(dǎo)航電文（信息碼，D碼）14導(dǎo)航信號(hào)>衛(wèi)星信號(hào)的結(jié)構(gòu)二、衛(wèi)星信號(hào)的結(jié)構(gòu)÷204600基準(zhǔn)頻率÷1010.23MHZP碼10.23

MHZ數(shù)據(jù)碼D碼L1C/A碼50

BPS1575.42

MHZ

1.023MHZ154120數(shù)據(jù)碼D碼L2P碼10.23

MHZ50

BPS1227.60

MHZGPS衛(wèi)星信號(hào)示意圖15§2

GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)16測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生一、碼與碼的產(chǎn)生1、有關(guān)碼的基本概念：在現(xiàn)代數(shù)字化通信中，廣泛使用二進(jìn)制數(shù)及其組合來(lái)表示各種信息。這些表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合，便稱(chēng)為碼。在二進(jìn)制中，一位二進(jìn)制數(shù)叫做一個(gè)碼元或一比特。比特（binarydigit-bit）意為二進(jìn)制數(shù)，被取為碼的度量單位。17測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生一、碼與碼的產(chǎn)生2、隨機(jī)噪聲碼：碼是用以表達(dá)某種信息的二進(jìn)制數(shù)的集合,是一組二進(jìn)制的數(shù)碼序列。這一序列，又可以表達(dá)成以0和1為幅度的時(shí)間函數(shù)。假設(shè)，一組碼序列u（t），對(duì)某一時(shí)刻來(lái)說(shuō)，碼元是0或1完全是隨機(jī)的，但其出現(xiàn)的概率均為1/2。這種碼元幅度的取值完全無(wú)規(guī)律的碼序列，通常稱(chēng)為隨機(jī)碼序列，也叫做隨機(jī)噪聲碼序列。18測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生一、碼與碼的產(chǎn)生隨機(jī)碼是一種非周期性序列，無(wú)法復(fù)制。隨機(jī)碼的特性是其自相關(guān)性好，而自相關(guān)性的好壞，對(duì)于提高利用GPS衛(wèi)星碼測(cè)距的精度，是極其重要的。自相關(guān)性：一個(gè)信號(hào)和自己本身的不同時(shí)延的信號(hào)的相似程度19測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生一、碼與碼的產(chǎn)生3、偽隨機(jī)噪聲碼及其產(chǎn)生：pseudo

random

noisecode,

PRN雖然隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)特性，但由于它是一種非周期性的序列，不服從任何編碼規(guī)則，所以實(shí)際上無(wú)法復(fù)制和利用。因此，為了實(shí)際的應(yīng)用，GPS采用了一種偽隨機(jī)噪聲碼，簡(jiǎn)稱(chēng)偽隨機(jī)碼或偽碼。20測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生一、碼與碼的產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的主要特點(diǎn)是，不僅具有類(lèi)似隨機(jī)碼的良好自相關(guān)性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。它是周期性的，可以容易地復(fù)制。21測(cè)距碼信號(hào)>碼與碼的產(chǎn)生一、碼與碼的產(chǎn)生22測(cè)距碼信號(hào)>GPS的測(cè)距碼三、GPS的測(cè)距碼GPS衛(wèi)星采用的兩種測(cè)距碼，即C/A碼和P碼（或Y碼），均屬偽隨機(jī)碼。但因其構(gòu)成的方式和規(guī)律更為復(fù)雜，故不詳細(xì)介紹，僅了解其性質(zhì)、特點(diǎn)及作用。23測(cè)距碼信號(hào)>GPS的測(cè)距碼三、GPS的測(cè)距碼1、C/A碼：C/A碼是一種用于識(shí)別衛(wèi)星、測(cè)量距離和向民間用戶(hù)傳送導(dǎo)航電文的偽噪聲碼。特點(diǎn)：碼長(zhǎng)很短，易于捕獲（通常C/A碼也稱(chēng)為捕獲碼）碼元寬度較大，精度較低（所以C/A碼也稱(chēng)為粗碼）24測(cè)距碼信號(hào)>GPS的測(cè)距碼三、GPS的測(cè)距碼2、P碼：P碼是由兩個(gè)載波發(fā)送給GPS用戶(hù)的另一個(gè)偽噪聲碼，是美國(guó)軍方嚴(yán)格控制使用的保密軍用碼。特點(diǎn)：保密性高，是GPS衛(wèi)星的軍用碼碼長(zhǎng)很長(zhǎng)，難以捕獲碼元寬度為C/A碼的1/10，可用于較精密的定位25測(cè)距碼信號(hào)>GPS的測(cè)距碼三、GPS的測(cè)距碼3、C/A碼和P碼的作用：①

為用戶(hù)傳送導(dǎo)航電文。②

用作測(cè)量GPS信號(hào)接收天線和GPS衛(wèi)星之間距離的測(cè)距信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)解算。③

用于識(shí)別來(lái)自不同GPS衛(wèi)星而同時(shí)到達(dá)GPS信號(hào)接收天線的GPS信號(hào)。26載波作用?

搭載其它調(diào)制信號(hào)?

測(cè)距?

測(cè)定多普勒頻移類(lèi)型?

目前–

L1–頻率：

154f

=1575.43MHz；波長(zhǎng)：19.03cm0–

L2–頻率：

120f

=1227.60MHz；波長(zhǎng)：24.42cm0?

現(xiàn)代化后–

增加L5–頻率：115f

=1176.45MHz；波長(zhǎng)：25.48cm027載波特點(diǎn)?

所選擇的頻率有利于測(cè)定多普勒頻移?

所選擇的頻率有利于減弱信號(hào)所受的電離層折射影響?

選擇兩個(gè)頻率可以較好地消除信號(hào)的電離層折射延遲（電離層折射延遲與信號(hào)的頻率有關(guān)）28§3

GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文29導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的定義一、導(dǎo)航電文的定義所謂導(dǎo)航電文，就是GPS衛(wèi)星向用戶(hù)播發(fā)的一組反映衛(wèi)星在空間的運(yùn)行軌道、衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)、電離層延遲修正參數(shù)及衛(wèi)星的工作狀態(tài)等信息的二進(jìn)制代碼，也稱(chēng)數(shù)據(jù)碼（D碼）。導(dǎo)航電文是利用GPS進(jìn)行定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。30導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)二、導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)導(dǎo)航電文基本構(gòu)成（導(dǎo)航電文的內(nèi)容包括5部分）：?

遙測(cè)碼（TLW）?

轉(zhuǎn)換碼（HOW）?

第一數(shù)據(jù)塊?

第二數(shù)據(jù)塊?

第三數(shù)據(jù)塊導(dǎo)航電文的格式是：主幀、子幀、字碼和頁(yè)碼。每主幀電文長(zhǎng)度為1500bit，播送速率為50bit/s，所以發(fā)播一幀電文需要30s時(shí)間。31導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)四、導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)1

遙測(cè)碼每個(gè)子幀的第一個(gè)字碼都是遙測(cè)碼，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。2

轉(zhuǎn)換碼每個(gè)子幀的第二個(gè)字碼是轉(zhuǎn)換碼，它的主要作用是幫助用戶(hù)從捕獲的C/A碼轉(zhuǎn)換到P碼的捕獲。32導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)四、導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)3

第一數(shù)據(jù)塊第一子幀的第3~10個(gè)字碼為第一數(shù)據(jù)塊。它的主要內(nèi)容是：（1）標(biāo)識(shí)碼，指明載波L2的調(diào)制波類(lèi)型(“10”表示C/A碼，“01”表示P(Y)碼)、星期序號(hào)(WN–GPS周)、衛(wèi)星的健康狀況等；（2）數(shù)據(jù)齡期(AODC)；（3）衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)。33導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)四、導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)4

第二數(shù)據(jù)塊第二和第三子幀共同構(gòu)成第二數(shù)據(jù)塊，它表示GPS衛(wèi)星的星歷。這是GPS定位中最有用的電文。第2、3子幀的第3~10個(gè)字星歷參數(shù)開(kāi)普勒軌道根數(shù)（6個(gè)）軌道攝動(dòng)參數(shù)（9個(gè)）星歷參考時(shí)刻toe星歷齡期IODE34導(dǎo)航電文>導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)四、導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)5

第三數(shù)據(jù)塊第4、5子幀的第3~10個(gè)字內(nèi)容：所有衛(wèi)星歷書(shū)（概略星歷）衛(wèi)星健康狀態(tài)GPS時(shí)間與UTC之間的關(guān)系的參數(shù)電離層改正參數(shù)第三數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容每12.5分鐘重復(fù)一次35§4

GPS接收機(jī)基本工作原理36GPS接收機(jī)>GPS接收機(jī)及其分類(lèi)一、GPS接收機(jī)及其分類(lèi)前面已經(jīng)介紹過(guò)，GPS主要包括空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站和用戶(hù)接收設(shè)備三大部分。在用戶(hù)接收設(shè)備中，接收機(jī)是用戶(hù)利用GPS進(jìn)行測(cè)量和導(dǎo)航的關(guān)鍵設(shè)備。37GPS接收機(jī)>GPS接收機(jī)及其分類(lèi)一、GPS接收機(jī)及其分類(lèi)GPS

接收機(jī)是能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的衛(wèi)星信號(hào)接收設(shè)備。接收單元天線單元信號(hào)通道存儲(chǔ)器帶前置放大器接收天線微處理器輸入輸出設(shè)備電源38GPS接收機(jī)>GPS接收機(jī)及其分類(lèi)一、GPS接收機(jī)及其分類(lèi)GPS信號(hào)接收機(jī)可以分為下列類(lèi)型：1.

按用途分類(lèi)（1）測(cè)地型接收機(jī)：厘米級(jí)精度，測(cè)后數(shù)據(jù)處理（2）導(dǎo)航型接收機(jī)：米級(jí)精度，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理（3）授時(shí)型接收機(jī)：專(zhuān)用于時(shí)間測(cè)定和頻率控制39GPS接收機(jī)>GPS接收機(jī)及其分類(lèi)一、GPS接收機(jī)及其分類(lèi)GPS信號(hào)接收機(jī)可以分為下列類(lèi)型：2.

按所用載波頻率多少分類(lèi)（1）單頻接收機(jī)：僅使用第一載波及其調(diào)制波（2）雙頻接收機(jī)：同時(shí)使用兩個(gè)載波及其調(diào)制波40GPS接收機(jī)>GPS接收機(jī)及其分類(lèi)一、GPS接收機(jī)及其分類(lèi)GPS信