GPS原理及其应用-7-第3章.ppt

1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用2第三章第三章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构3.2 载波与测距码载波与测距码(10-26)GPS原理及其应用原理及其应用3GPS卫星信号结构卫星信号结构全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构GPS原理及其应用原理及其应用4概述概述 GPS卫星信号的组成部分卫星信号的组成部分 载波（载波（Carrier） L1 L2 测距码（测距码（Ranging Code） C/A码（目前只

2、被调制在码（目前只被调制在L1上）上） P(Y)码（被分别调制在码（被分别调制在L1和和L2上）上） 卫星（导航）电文（卫星（导航）电文（Message） GPS卫星信号的生成卫星信号的生成 关键设备关键设备 原子钟原子钟全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 概述概述GPS原理及其应用原理及其应用5GPS卫星的基准频率卫星的基准频率 f0 由卫星上的原子钟直接产生由卫星上的原子钟直接产生 频率为频率为10.23MHz 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频或分频1012020001541575.42

3、MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffC AfPffHz码码率码码率卫星（导航）电文码率全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 GPS卫星的基准频率卫星的基准频率 GPS原理及其应用原理及其应用6载波载波 (1) 作用作用 搭载其它调制信号搭载其它调制信号 测距测距 测定多普勒频移测定多普勒频移 类型类型 目前目前 L1 频率：频率： 154 f0 = 1575.43MHz；波长：；波长：19.03cm L2 频率：频率： 120 f0 =

4、1227.60MHz；波长：；波长：24.42cm 现代化后现代化后 增加增加L5 频率：频率：115 f0 = 1176.45MHz；波长：；波长：25.48cmL119.03c mL224.42c m全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 载波载波GPS原理及其应用原理及其应用7载波载波 (2) 特点特点 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所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响射影响 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折选择两个频率可以较好地消除信号的电离层

5、折射延迟（电离层折射延迟与信号的频率有关）射延迟（电离层折射延迟与信号的频率有关）全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 载波载波GPS原理及其应用原理及其应用8测距码测距码 作用作用 测距测距 性质性质 为伪随机噪声码（为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise） 由若干个多级反馈移位寄存器所产生的由若干个多级反馈移位寄存器所产生的m序列经序列经平移、截短、求模二和等一系列处理之后形成平移、截短、求模二和等一系列处理之后形成全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构 测距码测距

6、码GPS原理及其应用原理及其应用9码的基本知识码的基本知识 码的基本概念码的基本概念 码元（码元（bit）、码元宽度、码速率（）、码元宽度、码速率（bps） 随机噪声码随机噪声码 随机产生，无法复制随机产生，无法复制 自相关性好自相关性好 伪随机噪声码（伪随机噪声码（PRN码）码） 具有良好的自相关特性具有良好的自相关特性 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数小于不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数小于1 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1 可以复制可以复制 周期性码序列周期性码序列 两组两组PRN码模二和相加的规则（异或）码模二和相加的规则（异或）GP

7、S原理及其应用原理及其应用10m序列序列 产生产生 由一组线性反馈移位寄存器产生由一组线性反馈移位寄存器产生 由由4级移位寄存器组成的级移位寄存器组成的m序列发生器示例（图序列发生器示例（图3-5） 序列规律序列规律 一个周期中的码元个数一个周期中的码元个数N=2n-1（n为寄存器的个数）为寄存器的个数） 整个周期中，码元整个周期中，码元“1”的个数比的个数比“0”多多1个个 码速率与钟脉冲的频率相同码速率与钟脉冲的频率相同 相关说明相关说明 初始状态，各寄存器状态可任意设置初始状态，各寄存器状态可任意设置 可从任何一处开始组成可从任何一处开始组成m序列，实现码的平移序列，实现码的平移 可通过

8、提前设置初始状态实现可通过提前设置初始状态实现m序列的截短，控制序列长度序列的截短，控制序列长度 可从任一级寄存器输出信号可从任一级寄存器输出信号 表达形式表达形式 框图、状态表框图、状态表 特征多项式，如特征多项式，如 f(X)=1+X3+X4GPS原理及其应用原理及其应用11C/A码（码（1） C/A码的产生码的产生GPS原理及其应用原理及其应用12C/A码（码（2） C/A码（码（Gold码）的特征码）的特征 长度：长度：1023bit 码速率：码速率：1.023Mbps 周期：周期：1ms 码元宽度：码元宽度： 293.05m 各卫星的各卫星的C/A码不同且相互正交码不同且相互正交 C

9、/A码的功能码的功能 捕获卫星信号捕获卫星信号 粗略测距粗略测距GPS原理及其应用原理及其应用13P码（码（1） P码的产生码的产生 P码为由子码码为由子码X1与与X2构成的构成的复合伪噪声码复合伪噪声码 X1A与与X1B 均由均由12级线性反馈移位寄存器产生级线性反馈移位寄存器产生 X1A 特征多项式特征多项式 码速率码速率10.23Mbps 提前提前3bit将序列进行了截断，故长度为将序列进行了截断，故长度为4092bit X1B 特征多项式特征多项式 码速率码速率10.23Mbps 提前提前2bit将序列进行了截断，故长度为将序列进行了截断，故长度为4093bitX1X1AX1B6811

10、121XXXX125891011121XXXXXX +XXX2X2AX2BiiGPS原理及其应用原理及其应用14P码（码（2） X1序列序列 周期周期 X1A周期周期3750=X1周期周期,即即40923750=15345000bit，对应时间对应时间1.5s 与与X1B的关系的关系 对于对于X1的一周期，的一周期，X1B先重复先重复3749周期，产生周期，产生15344657bit，然后保持最后一种状态，然后保持最后一种状态343bit X1一个完整周期后，一个完整周期后，X1A与与X1B再重新设置初始状态再重新设置初始状态GPS原理及其应用原理及其应用15P码（码（3） X2i序列序列 X

11、2A与与X2Bi 均由均由12级线性反馈移位寄存器产生级线性反馈移位寄存器产生 特征多项式特征多项式 周期周期 X2序列一个周期比序列一个周期比X1序列多出序列多出37bit，为，为15345037bit 在在X2A与与X2B第第3750周期延迟周期延迟37bit重新设置初始状态重新设置初始状态 不同卫星不同卫星X2i序列的区分序列的区分 将将X2序列分别移动序列分别移动137位生成不同的位生成不同的X2i序列序列 不同卫星不同卫星P码互不相同，且互相正交码互不相同，且互相正交13457891011122348912X2A:1XXXXXXXXXXX2B:1XXXXXXGPS原理及其应用原理及其

12、应用16P码（码（4） P码的特征码的特征 长度长度 LPP=15345000 15345037=235469592765000bit 码速率：码速率：10.23Mbps 周期周期TPP=266d9h445min55.5s 通过分别将每周日的子夜零时和周六的午夜通过分别将每周日的子夜零时和周六的午夜24时作为截断周期的时作为截断周期的起点与终点，得到实用周期为起点与终点，得到实用周期为7d的的P码码 对对P码的捕获是通过首先捕获码的捕获是通过首先捕获C/A码，解译出导航电文，再利用导码，解译出导航电文，再利用导航电文中的转换码捕获航电文中的转换码捕获P码码 码元宽度：码元宽度： 29.3m P

13、码的功能码的功能 较精确地测定卫地距较精确地测定卫地距GPS原理及其应用原理及其应用17Y码码 目的目的 AS技术的目的是为了防止地方对美国军方用户技术的目的是为了防止地方对美国军方用户的电子欺骗和电子干扰的电子欺骗和电子干扰 产生方式产生方式 W码结构保密码结构保密 解译技术解译技术 Z跟踪技术跟踪技术PW=Y码码码GPS原理及其应用原理及其应用18L2C码码 在在BlockR-M, F及后续各种类型及后续各种类型GPS卫星卫星上的第二民用码上的第二民用码 由由L2 CM与与L2 CL码组合而成码组合而成 L2C码的码速率为码的码速率为1.023Mbps 导航电文只调制在导航电文只调制在L2

14、 CM码上，而不调制在码上，而不调制在L2 CL码上码上GPS原理及其应用原理及其应用19调制在调制在L5载波上的载波上的L5码码 L5载波载波 频率为基准频率的频率为基准频率的115倍倍 由两个相互正交的分量组成由两个相互正交的分量组成 同相分量同相分量 正交分量正交分量 L5码码 调制在调制在L5载波上的测距码载波上的测距码 调制在同相分量上的调制在同相分量上的I5码，码， I5码上调制导航电文码上调制导航电文 调制在正交分量上的调制在正交分量上的Q5码，码， Q5码上不调制导航电文码上不调制导航电文 码速率为码速率为10.23MbpsGPS原理及其应用原理及其应用20军用码军用码M码码

15、M码的优点码的优点 信号发射功率大信号发射功率大 抗干扰能力强抗干扰能力强 调制在调制在M码上的导航电文有利于使用新的基于码上的导航电文有利于使用新的基于信息的通信协议信息的通信协议GPS原理及其应用原理及其应用21课堂作业课堂作业 现有一现有一5级移位寄存器，由置级移位寄存器，由置1脉冲设置各级脉冲设置各级寄存器的初始状态，然后在时钟脉冲的驱动寄存器的初始状态，然后在时钟脉冲的驱动下，产生一个下，产生一个m序列，其特征多项式为序列，其特征多项式为f(X)=1+X2+X5。信号由末级寄存器输出，请。信号由末级寄存器输出，请绘制该绘制该m序列发生器的框图，并给出相应的序列发生器的框图，并给出相应的状态表。状态表。