GPS卫星导航信号 第四章20171129

产生 若干多级反馈移位寄存器所产生的m序列经复杂 处理后形成
包含 C/A码、P（Y）码
测量原理 随机码序列与复制的随机码序列通过平移码元素， 相应码元素相互对其
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
有关码的基本概念
表达不同信息的二进制数（“0”和“1”）及其组 合，称为码
讯 Block ⅡF（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率
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GPS卫星最根本的作用就是向用户发送用户所需 要的信号和电文。既然如此，对卫星的寿命长短 和时间的精确度就必须高度重视。GPS工作卫星 的设计寿命是七年半，但从实验卫星的工作情况 来看，使用寿命一般都会超过甚至远远超过设计 寿命。
2.2.2 P码
定义
精码，即用于精确测定从GPS卫星至接收机 距离的测距码
属于伪随机噪声码（PRN码）
频率
C/A码频率f1=f0=10.23MHZ，被调制在L1和 L2载波上
特征
保密 Y码、军用、测距精度高
2.3 导航电文
▪ 定义：导航电文是由GPS卫星向用户播发的 一组反映卫星在空间的位置、卫星的状态、 卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等 重要数据的二进制代码，也称数据码（D码）。
第四章 GPS卫星导航信号
1 GPS系统组成 2 GPS卫星信号
1 GPS系统的组成
GPS定位系统的三大部分：
空间星座部分 ——GPS卫星星座 地面监控部分——地面监控系统 用户部分 ——GPS 接收机和用户
1.1地面监控部分
地面监控站的分布
组成
一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion)
迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)
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W W W. 1 P P T. C O M
科罗拉多
迭哥•伽西亚
阿松森
夏威夷
卡瓦加兰
一个主控站：科罗拉多•斯平士（Colorado Springs） 三个注入站：阿松森（Ascencion)
② 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的 调度命令，修正其在轨运行偏差及启用备 用时钟等；
③ 用L波段两个无线载波(19cm波段和20cm波 段)连续不断的向广大用户发送导航定位信 息，并用导航电文的形式提供卫星自身的 现势位置与其他在轨卫星的概略位置，以 便用户接收使用。
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GPS卫星
主要设备
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个人旅游休闲及户外运动用GPS产品
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带电子地图的导航型GPS接收机
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二、GPS卫星的信号
GPS通过哪些信号进行 定位？
GPS信号包含哪几部分？
GPS卫星信号的内容
GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用 于导航定位的调制波。
GPS卫星发射的信号包含：载波信号、测距码、 导航电文（数据码）。
被加载的频率较低的信号称为调制信号 GPS卫星的L1和L2载波上携带测距信号和导航电
文
① GPS卫星的测距码和导航电文是采用调相技术调制到 载波上的，由于伪随机码只有“1”和“0”两种状态。
② 当码值取0时，对应的码状态为＋1，而码值取1时， 对应的码状态为－1。
③ 在载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制， 此时码信号被加载到载波上，经过播发可供用户接收。
微处理器
信息
数据
控制
供电
电源部分
数据存器
图片：Trimble接收机
图片：徕卡(Leica)接收机
图片： Ashtech 、 JAVAD、 Thales 接收 机
图片：大地型GPS接收机
单频机 L1
双频机L1+L2
图片：导航型GPS机
手持型GPS机
图片：GPS与GLONASS兼容的接收机
水上测量/导航用GPS系统
伪随机噪声码
伪随机噪声码又叫伪随机码或者伪噪声码， 简称：PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离 散符号串。他不仅具有高斯噪声所有的良好的自 相关特性，而且具有某种确定的编码规则。具有 周期性、易被复制等特性。
GPS信号中使用了伪随机码技术，识别和分离 各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。
m序列伪随机噪声码的自相关特性
监控站
测
量
伪距 导航数据 气象数据 卫星状态数据
传 主控站
送
监控站
监控站设备： 一台双频接收 机； 一台高精度原 子钟； 一台计算机； 若干台环境数 据传感器；
地面监测站
注入站
注入站设有3.66m抛物面天线，1台C波段发射机和一台 电子计算机。
其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注 入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。
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1.3用户接收部分
用户设备部分
GPS信号接收机 机内软件 数据后处理软件
用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机， 其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的 GPS信号，以达到导航和定位的目的。
GPS接收机
显示控制器
GPS信号接收
机
天线 前置放大器
信号
供电
射电部分
命令 数据
供电，控制
传送到注入站
地面主控站
地面注入站
解译导航电文，计算出测站 的三维位置、速度和时间
导航电文组成—总结
2.4 GPS星历
• 卫星星历是描述卫星运动轨道的信息。 • 卫星星历包含某一时刻的卫星轨道参数
（也叫轨道根数）及其变化率。 • 根据卫星星历，可以计算出任一时刻的卫
星位置及其速度。
• 精确的轨道信息是精密定位的基础。
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
类型 试验卫星：Block Ⅰ
工作卫星：Block Ⅱ
Block Ⅱ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力 Block ⅡA （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，
SV35和SV36带有激光反射棱镜 Block ⅡR （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通
• 地面的监控站时刻观测卫星的运行轨道；主 控站每天更新卫星的参考星历，由注入站每 天向卫星注入新的参考星历。
在二进制中，一位二进制数称为一个码元或比特 （bit，被取为码的度量单位）
将各种信息，如声音、文字和图像等，按某种预定 的规则，表示为二进制数的组合形式，这个过程称 为编码
例如：两位二进制数的不同组合11,10,01,00，这 些组合形式被称为码，其中每个码含有两个码元
4.2 GPS卫星信号
迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)
GPS卫星作为一种动态已知点，其位置可通 过卫星发送的“表述卫星运动及轨道参数” 的卫星星历算出来，卫星星历时由地面监控 系统提供。
主控站
主控站设在美国本土科罗拉多州斯平土 （Colorado Springs）
对齐时：000111101011001 未对齐时：000111101011001
000111101011001
100011110101100
A=15,D=0,R=（A-D）/m=1 A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15
2.2.1 C/A码
定义 粗捕获码，即用于进行粗略测距和 捕获精码的测距码 属于伪随机噪声码（PRN码） 频率 C/A码频率f1=1/10×f0=1.023MHZ， 仅被调制在L1载波上 特征 公开明码、民用、测距精度±
预报星历
• 预报星历（参考星历）只代表卫星在参考 历元的瞬时轨道参数，在摄动力的影响下， 卫星的实际轨道将偏离参考轨道。
• 偏离程度主要取决于：观测历元与参考历 元的时间差。
预报星历（广播星历）
• 用轨道参数的摄动项对已知的卫星星历加以 改正，可以外推出任意观测历元的卫星星历。
• 只要保证外推时间间隔不太长，可以保证卫 星预报星历的精度。（怎样实现呢？）
GPS 卫星改进
GPS卫星（试验卫星）
Block Ⅰ试验卫星也称原型卫星，卫星重774KG，设计寿 命为5年。
Block Ⅰ卫星
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GPS卫星（工作卫星BLOCKⅡ,BLOCKⅡA,BLOCKⅡR,BLOCKⅡF）
BLOCKⅡ卫星重约1.5T，设计寿命为7.5年，平均使用时间 预期为6年。
Block Ⅱ卫星
思考：GPS卫星轨道的高度为什么在2万多KM？
工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道，一方面 是为了增大覆盖面积，另一方面是为了使覆盖均匀，从而 达到信号强度均匀、接收时间也均匀的目的
GPS卫星的主要作用：
① 在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注 入站用S波段（10cm波段）发送到卫星的导 航电文和其他信号；
由空间运行的多颗卫星按 一定的规则组成的GPS卫 星星座。
GPS卫星运行轨道
GPS卫星运行轨道近于圆形，轨道平均高度20200km（卫星 距离地球表面高度）；
轨道倾角55°，各轨道面之间相距60°，轨道周期约为12恒 星时（11小时58分）；
GPS卫星升起地平线10°以后可用于定位测量，GPS实际观测 弧段为132°。
GPS星历
• GPS卫星星历可以分为： • 预报星历（广播星历） • 后处理星历（精密星历）
预报星历（广播星历）
▪ 预报星历：是通过卫星发射的含有轨道信息 的导航电文传输给用户的，用户接收机接收 到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫 星星历，这种星历也叫广播星历.
▪ (用户在观测时可以实时地得到)。
2.1载波信号
可运载调制信号的高频震荡波为载波 GPS发射位于L波段的两种频率的载波信号：
L1载波：fL1=154×f0=1575.42MHZ，波长 λ1=19.032cm；
L2载波：fL2=120×f0=1227.6MHZ，波长 λ2=24.42cm；
GPS卫星信号的调制
将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过 程称为调制
注入站是无人值守的工作站，整个地面监控部分，除主控站 外均无人值守。
监控系统工作程序
注入站作用
将导航电文注入卫星中 每天注入一次 每次为14天的卫星星历
因此，即便是地面监控系统停止注入，卫 星仍能继续发送导航电文14天，但时间越长， 精度越低。
地面监控系统工作流程
1.2空间卫星部分
GPS卫星星座
▪
GPS 卫星信号
2.3 GPS导航电文（数据码）
GPS卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据 基础。
主要包括：
卫星星历 时钟改正 卫星工作状态信息 电离层延迟修正参数
这些信息按照一定的数据帧格式播发给用户，成 为数据码（D码）。
导航电文的传播过程
将导航电文注入到 卫星的存储系统
编制导航电文，
①
① 当码的波型为” 1”时，与载波相乘，不会改变载波的相位； ② 当码的波型为”-1”时，与载波相乘，载波相位改变180度。 ③ 当码值(调制信号)从1变成0，或从0变成1时，将使载波相位改
变180度。调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发 。
载波信号的作用：
① 携带测距信号和导航电文传送给用户； ② 在载波相位测量中用作测距信号（其测距精度比伪距
④调度卫星：修正卫星的运行轨道，调用备 用卫星去接替失效卫星的工作。
监控站
监控站的作用：
监控站是无人值守的数据自动采集中心，其位置经精密 测定其主要作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。
监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子 钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据，算出 每2min间隔的观测值并传送给主控站。
15元素相互对其n不同的码包括未对齐的同一组码间的相关系不同的码包括未对齐的同一组码间的相关系数为数为00或或1n1nnn为码元数为码元数n对齐的同一组码间的相关系数为对齐的同一组码间的相关系数为11有关码的基本概念o表达不同信息的二进制数表达不同信息的二进制数00和和11及其组及其组合称为合称为码码o在二进制中一位二进制数称为一个在二进制中一位二进制数称为一个码元或比特码元或比特bitbit被取为码的度量单位被取为码的度量单位o将各种信息如声音文字和图像等按某种预定将各种信息如声音文字数据：收集各监测站监测获得的伪距和 积分多普勒观测值、卫星时钟和工作状态数 据、气象、监测站自身状态以及参考星历等 数据。
②数据处理：根据收集的数据计算各卫星的星 历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正等， 将这些数据按一定格式编制成导航电文，并 将导航电文传送给注入站。
③ 监测与协调：一是承担控制和协调各监测 站和注入站的工作；二是监测整个地面监 控系统是否正常，检查注入卫星的电文是 否正确，监控卫星是否按预定状态将电文 发送给用户。
测量的精度高2~3数量级）； ③ 精确测定多普勒频移
特点
所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层延迟影响 （电离层折射延迟与信号的频率有关）
选择两个频率可以较好地消除信号的电离层延迟
2.2测距码
作用
测距
性质
为伪随机噪声码（PRN － Pseudo Random Noise）
特点
确定的编码规则 可复制性 周期性 自相关性