GPS原理第四章GPS卫星导航电文和卫星信号课件.ppt

1、1第四章第四章 GPS卫星导航电文和卫卫星导航电文和卫星信号星信号卫星导航电文卫星导航电文.第 1字遥 测 字(30bits)第 2字交 接 字(30bits).第 10字(30bits)第 1子 帧（第 1数 据 块）(300bits)第 1字遥 测 字(30bits)第 2字交 接 字(30bits).第 10字(30bits)第 2子 帧（第 2数 据 块）(300bits)第 3子 帧（第 2数 据 块）(300bits)第 4子 帧（第 3数 据 块）(300bits)第 5子 帧（第 3数 据 块）(300bits)第 1主 帧(1500bits)第 2主 帧(1500bits).

2、第 1子 帧（第 1数 据 块）(300bits).第 5子 帧（第 3数 据 块）(300bits)第 25主 帧(1500bits)导 航 电 文24.1 卫星（导航）电文卫星（导航）电文 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参作用：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数、卫星状态信息及其它信息 主要包括：主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到码转换到捕获捕获P码的信息。码的信息。基本结构基本结构3卫星（导航）电文卫星（导航）电文 基本内容基本内容4卫星（导航）电文卫星（导航）电

3、文 遥测字（遥测字（TLM Telemetry Word）每一子帧的第每一子帧的第1个字个字 用作捕获导航电文的前导用作捕获导航电文的前导 交接字（交接字（HOW Hand Over Word）每一子帧的第每一子帧的第2个字个字 主要内容：主要内容：Z计数计数5卫星（导航）电文卫星（导航）电文 第一数据块第一数据块 第第1子帧的第子帧的第310个字个字 内容：内容：WN GPS周周 L2所调制测距码标识符所调制测距码标识符 “10”表示表示C/A码，码，“01”表表示示P(Y)码码 传输参数传输参数N URA TGD 信号在卫星内部的时延信号在卫星内部的时延 星钟数据龄期星钟数据龄期AODC

4、星钟改正参数星钟改正参数a0（钟偏），（钟偏），a1（钟速），（钟速），a2（钟漂）（钟漂）GDSVLSVTtt1)(LOCttAODC2210)()(ococSVttattaat6卫星（导航）电文卫星（导航）电文 第二数据块第二数据块 第第2、3子帧的第子帧的第310个字个字 内容内容 该发送信号卫星的星历该发送信号卫星的星历 广播星历广播星历 星历参数星历参数AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,0007卫星（导航）电文卫星（导航）电文 第三数据块第三数据块 第第4、5子帧的第子帧的第310个字个字 内容：所有卫星历书（概略星历）内容：所有卫星历书（概略星历）第三

5、数据块的内容每第三数据块的内容每12.5分钟重复一次分钟重复一次84.2 GPS卫星信号卫星信号GPS卫星信号结构卫星信号结构9GPS卫星信号的要求卫星信号的要求 适应多用户系统的要求适应多用户系统的要求 满足实时定位的要求满足实时定位的要求 满足高精度定位的要求满足高精度定位的要求 满足军事保密的要求满足军事保密的要求10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（

6、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11GPS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卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频频或分频1012020001541575.42MHz;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12载波载波 作用作用 搭载其它调制信号搭载其它调制信号 测距

7、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 =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 m13载波载波 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

8、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）射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）14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）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为系数为0或或1/n（n为码元数）为码元数）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115测距码测距码 类型类型 目前目前 C/A码（码（Coarse/Acquisition Code）粗码粗码/捕获捕获码；码率：码；码率：1.023MHz；周期：；周

9、期：1ms；1周期含码元周期含码元数：数：1023；码元宽度：；码元宽度：293.05m；仅被调制在；仅被调制在L1上上 P（Y）码（）码（Precise Code）精码；码率：精码；码率：10.23MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含码元数：周期含码元数：6187104000000；码元宽度：；码元宽度：29.30m；被调制在；被调制在L1和和L2上上 现代化后现代化后 在在L2上调制上调制C/A码码 在在L1和和L2增加调制增加调制M码码16基本观测量基本观测量 观测站（用户接收天线）至观测站（用户接收天线）至GPS卫星卫星（信号发射天线）的距离（或称信号传（信号发射天线）的距离（或称

10、信号传播路径），通过测定卫星信号在该路径播路径），通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟），或者测定上的传播时间（时间延迟），或者测定卫星载波信号在该路径上的变化的周数卫星载波信号在该路径上的变化的周数来导出的。来导出的。17GPS卫星的测距码信号卫星的测距码信号 GPS卫星所发射的信号，包括载波信号、卫星所发射的信号，包括载波信号、P码（或码（或Y码）、码）、C/A码和数据码（或称码和数据码（或称D码）等多种信号分量码）等多种信号分量 P码和码和 C/A码统称为测距码码统称为测距码18码和码的产生码和码的产生 有关码的基本概念有关码的基本概念广泛使用二进制数进行编码（广泛使用二进制数

11、进行编码（0和和1），按照一定的规则进行组合），按照一定的规则进行组合成为编码。成为编码。随机噪声码随机噪声码码是表达某种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列。码是表达某种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列。对一组码序列对一组码序列u（t），对某一时刻来说，码元是），对某一时刻来说，码元是0或或1完全随机的，完全随机的，但其出现的概率都为但其出现的概率都为50，无规律，通常叫随机码序列，也叫随，无规律，通常叫随机码序列，也叫随机码噪声序列。机码噪声序列。特点是自相关性好，有利于提高特点是自相关性好，有利于提高GPS卫星码信号测距的精度。卫星码信号测距的精度。非周期的序列，不符

12、合任何编码规则，这样就无法复制和利用。非周期的序列，不符合任何编码规则，这样就无法复制和利用。伪随机噪声及其产生伪随机噪声及其产生GPS采用伪随机噪声码（采用伪随机噪声码（Pseudo Random Noice-PRN)。特点是：良好的自相关性，具有某种确定的编码规则。是周期性特点是：良好的自相关性，具有某种确定的编码规则。是周期性的，可以复制。的，可以复制。19伪随机码的组成伪随机码的组成 由一组连在一起由一组连在一起 的存储单元组成，每个存的存储单元组成，每个存储单元只有储单元只有0或或1两种状态。两种状态。移位存储器的控制脉冲有两个：钟脉冲和移位存储器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置置“1”

13、脉冲。脉冲。移位存储器就是在钟脉冲的驱动及置移位存储器就是在钟脉冲的驱动及置“1”脉冲的作用下而工作的。脉冲的作用下而工作的。20C/A码码 由两个由两个10级反馈位移寄存器相组合而产生。级反馈位移寄存器相组合而产生。C/A码的码长很短，易于捕获。码的码长很短，易于捕获。C/A码共有码共有1023个码元，若以个码元，若以50秒的速度搜索，只需秒的速度搜索，只需20.5秒就可。秒就可。由由C/A码易于捕获，知道码易于捕获，知道C/A码可以方便的码可以方便的捕获捕获P码，所以又被称为码，所以又被称为“捕获码捕获码”。码元宽度大。由于其精度低，又叫粗码。码元宽度大。由于其精度低，又叫粗码。21P码码 采用两组各由采用两组各由12级反馈移位寄存器构成。级反馈移位寄存器构成。采用先搜索采用先搜索C/A码的办法，来捕获码的办法，来捕获P码。码。P码用于精密定位，故通常称之为精码。码用于精密定位，故通常称之为精码。22C/A码与码与P码的比较码的比较C/A码码P码码码长码长码元宽码元宽周期周期数码率数码率1023比特比特1ms1.023Mbits/s0.97752us267天天10.23Mbits/s0.097752us2.35*1014