gps系統(tǒng)組成及信號

1、第4章GPS系統(tǒng)組成及信號,本章內(nèi)容,4.1 GPS的系統(tǒng)組成,4.2 GPS的信號結(jié)構(gòu),4.3 美國政府GPS政策,4.1 系統(tǒng)組成,GPS的空間部分,GPS的系統(tǒng)組成,用戶設備部分,4.1.1 GPS的系統(tǒng)組成,GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設備部分等三部分組成,4.1.2 GPS的空間部分,GPS衛(wèi)星星座,6個軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55 ?，周期11h 58min,設計星座：21+

2、3 21顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星,保證在24小時，在高度角15?以上，能夠同時觀測到4至8顆衛(wèi)星當前星座：31顆,類型 試驗衛(wèi)星：Block Ⅰ 工作衛(wèi)星：Block Ⅱ - Block Ⅱ - Block ⅡA - Block ⅡR - Block ⅡF（新一代的GPS衛(wèi)星）,GPS衛(wèi)星 作用：發(fā)送用于導航定位的信號其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設備：原子鐘

3、（2臺銫鐘、2臺銣鐘）、信號生成與發(fā)射裝置,第一代衛(wèi)星現(xiàn)已停止工作。,第二代衛(wèi)星用于組成GPS工作衛(wèi)星星座，通常稱為GPS工作衛(wèi)星。Block ⅡA的功能比Block Ⅱ大大增強，表現(xiàn)在軍事功能和數(shù)據(jù)存儲容量。Block Ⅱ只能存儲供45天用的導航電文，而Block ⅡA則能夠存儲供180天用的導航電文，以確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。,第三代衛(wèi)星尚在設計中，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。其特點是：可對自己進行自主導航；每顆衛(wèi)星

4、將使用星載處理器，計算導航參數(shù)的修正值，改善導航精度，增強自主能力和生存能力。據(jù)報道，該衛(wèi)星在沒有與地面聯(lián)系的情況下可以工作6個月，而其精度可與有地面控制時的精度相當。,,Block ⅡR：衛(wèi)星間可以相互跟蹤和通信；Block Ⅱ-M：可發(fā)射L2C和M碼；Block ⅡF：新一代的GPS衛(wèi)星，增設第三民用頻率（1176.45MHz）,2010年5月28日，首顆Block ⅡF衛(wèi)星發(fā)射成功，8月27日正式投入使用。,Block Ⅰ衛(wèi)星

5、,Block Ⅱ衛(wèi)星,Block ⅡR衛(wèi)星,GPS衛(wèi)星星座（?=35 ? ，?=90?）,4.1.3 地面監(jiān)控部分,GPS的地面控制部分（地面監(jiān)測系統(tǒng)） 組成：主控站（1個）、監(jiān)測站（17個）和注入站（3個） 作用：監(jiān)測和控制衛(wèi)星運行，編算衛(wèi)星星歷（導航電文），保持系統(tǒng)時間。,地面監(jiān)控系統(tǒng)工作流程,,,主控站（1個）作用： 收集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，編制導航電文，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)； 通過注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令

6、； 衛(wèi)星維護與異常情況的處理。地點：美國克羅拉多州法爾孔空軍基地。,監(jiān)測站（17個）作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息， 并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。地點：美國空軍：夏威夷、主控站及四個監(jiān)測站。國防部下屬的國家地球空間信息局NGA：11個監(jiān)測站。,注入站（3個）作用：將導航電文注入GPS衛(wèi)星。地點：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）。,4.1.3 用戶設備部分,用戶設備部分 -

7、GPS信號接收機及相關設備接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的設備多數(shù)采用石英鐘GPS接收機:,能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的衛(wèi)星信號接收設備,(1) 導航型接收機 此類型接收機主要用于運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。單點實時定位精度較低，一般為±25m,有SA影響時為±100m。根據(jù)應用領域的不同，此類接收機可以進一步分為：,,1.按接收機的用途分類可分為：,車載型——用于車輛導

8、航定位； 航海型——用于船舶導航定位； 航空型——用于飛機導航定位。由于飛機運行速度快，因此，在航空用的接收機要求能適應高速運動。 星載型——用于衛(wèi)星的導航定位。由于衛(wèi)星的運動速度高達7公里/秒以上，因此對接收機的要求更高。,(2) 測地型接收機 測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復雜，價格較貴。,,,(3) 授時型接收機

9、 這類接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。,2.按接收機的載波頻率分類,(1) 單頻接收機 單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（<15km）的精密定位。,(2) 雙頻接收機 雙頻接收機可以同時接收Ｌ１，Ｌ２載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號延遲的影

10、響，因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。,3.按接收機通道數(shù)分類 GPS接收機能同時接收多顆GPS衛(wèi)星的信號，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號，以實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據(jù)接收機所具有的通道種類可分為：,多通道接收機 序貫通道接收機(3) 多路多用通道接收機,4.按接收機工作原理分類,(1)碼相關型接收機 碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距 觀

11、測值。,(2)平方型接收機 平方型接收機是利用載波信號的平方技術去 掉調(diào)制信號，來恢復完整的載波信號，通過 相位計測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收 到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。,(3)混合型接收機 這種儀器是綜合上述兩種接收機的優(yōu)點， 既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相 位觀測值。,(4)干涉型接收機 這種接收機是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方

12、法，測定兩個測站間距離。,GPS信號接收機組成天線單元帶前置放大器接收天線,天線單元,接收單元,接收單元信號通道存儲器微處理器輸入輸出設備電源,基本結(jié)構(gòu),,,,天線前置放大器,,信號處理器,,微處理器,,振蕩器,控制、顯示及存儲設備,,,電源,,GPS接收機的天線,,——作用,接收來自衛(wèi)星的信號放大經(jīng)（頻率變換）用于（跟蹤、處理、量測）,天線單元類型單極天線微帶天線錐形（螺旋）天線 四絲螺旋天線空間螺

13、旋天線背腔平面盤旋天線,GPS天線,,,特點單極天線單頻獲雙頻（雙極結(jié)構(gòu)）、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單,微帶天線結(jié)構(gòu)簡單、單頻或雙頻、側(cè)視角低（適合于機載應用）、低增益、應用最為廣泛,背腔平面盤旋天線,錐形（螺旋）天線 四絲螺旋天線 – 單頻、難以調(diào)整相位和極化方式、非方位對稱、增益特性好、不需要底板空間螺旋天線 – 雙頻、增益特性好、側(cè)視角高、非方位對稱,接收（信號）通道定義：接收機中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)星

14、信號的部件，由無線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。類型：根據(jù)信號跟蹤方式：序慣通道、多路復用通道和多通道；根據(jù)工作原理：碼相關通道、平方通道等,存儲器微處理器作用：數(shù)據(jù)處理、控制輸入輸出設備電源,4.2 GPS的信號結(jié)構(gòu),載波,測距碼,導航電文,,GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生與構(gòu)成是比較復雜的，考慮了以下幾方面的要求:,適應多用戶系統(tǒng)的要求,滿足實時定位的要求,滿足高精度定位的需求,滿足軍事保密的要求,4.2.1 G

15、PS信號組成,用于導航定位的GPS信號由三部分組成：載波（L1和L2）測距碼（C/A碼和P(Y)碼）導航電文,,4.2.2 載波,,載波作用：搭載其它信號，也可用于測量（測距）,類型目前L1：頻率：1575.43MHz，波長：19cmL2：頻率：1227.60MHz，波長：24cm現(xiàn)代化后增加L5：1176.45MHz，波長：26cm,4.2.3 測距碼,方波偽隨機噪聲碼– PRN碼,兩種測距碼：C/A碼 -

16、粗碼碼速：1.023MHz碼元長度：300mP(Y)碼 - 精碼碼速：10.23MHz碼元長度：30m,碼及碼的特點,（1）二進制數(shù)與碼碼：是用以表示各種不同信息的二進制數(shù)及其組合。數(shù)碼率：在數(shù)字化信息傳輸中的每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)。（2）隨機噪聲碼隨機噪聲碼：碼元的出現(xiàn)不規(guī)律，不能復制。,（3）自相關系數(shù)R(t)其中，Su為碼值相同的個數(shù)，Du為碼值不同的個數(shù)。,碼及碼的特點,,二進制信號：“1”表示二進制“0”

17、，“-1”表示二進制“1”，則,模二和運算規(guī)則,,C/A碼,C/A碼是由兩個10級反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生的.,,碼長Nu = 210-1=1023比特碼元寬tu = 1/f1≈0.977752μs(相應距離 為293.1m)周期Tu = Nu tu = 1ms數(shù)碼率=1.023Mbit/s,C/A碼的碼長易于捕獲，且通過C/A碼提供的信息，又可方便的捕獲P碼。C/A碼的碼元寬度較大。假設兩個序列的碼元對齊誤差，為碼元寬度的1

18、/100，則相應的測距誤差達2.9m，以因此也稱粗碼。,,P碼,P碼產(chǎn)生的基本原理與C/A碼相似，但其發(fā)生電路，是采用兩種各由兩個12級反饋移位寄存器構(gòu)成的，情況更為復雜。線路設計細節(jié)均是保密的。,碼長Nu ≈ 2.35*1014比特碼元寬度tu ≈ 0.0977752μs(相應距離為29.3m)周期Tu = Nu tu ≈ 267天數(shù)碼率=10.23Mbit/s,,P碼周期被分為38部分（7天/每一部分周期，碼長約為6.19*1

19、012比特），其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同的衛(wèi)星。這樣，每顆衛(wèi)星所使用的P碼不同部分，便都具有相同的碼長和周期，但結(jié)構(gòu)不同。P碼的碼長較長，無法采用C/A碼逐個進行搜索。一般都是先捕獲C/A碼，然后根據(jù)導航電文中給出的有關信息，捕獲P碼。,由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元的對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則由此引起的相應距離誤差為0.29m，僅為C/A碼的1/10。所以P碼定位精度高，故也

20、稱為精碼。,4.2.4 導航電文,,方波 碼速：50bps,導航電文是用戶用來定位和導航的數(shù)據(jù)基礎。它包含該衛(wèi)星的星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延改正、大氣折射改正以及由C/A碼捕獲P碼等導航信息，也是由衛(wèi)星信號中解調(diào)出來的數(shù)據(jù)碼D(t)。這些信息以50bit/s的數(shù)據(jù)流調(diào)制在載頻上，數(shù)據(jù)采用不歸零制（NRZ）的二進制碼。,,GPS衛(wèi)星的導航電文（簡稱衛(wèi)星電文又叫數(shù)據(jù)碼）：所謂導航電文，就是包含了有關衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時

21、間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼(或D碼)。衛(wèi)星星歷分為預報星歷和精密星歷。是用戶用來定位和導航的數(shù)據(jù)基礎。,,它的基本單位是長1500bit的一個主幀（如圖4-1所示），傳輸速率是50bit/s,30秒鐘傳送完畢一個主幀。一個主幀包括5個子幀，第1、2、3子幀每30秒鐘重復一次，內(nèi)容每小時更新一次。第4、5子幀的全部信息則需要750秒鐘才能夠傳送完。即第4、5子幀是12.5分鐘播完

22、一次，然后再重復之，其內(nèi)容僅在衛(wèi)星注入新的導航數(shù)據(jù)后才得以更新。,遙測字(TLM—Telemetry Word)，位于各子幀的開頭，作為捕獲導航電文的前導。其中所含的同步信號為各子幀提供了—個同步的起點，使用戶便于解釋電文數(shù)據(jù)。,交接字(HOW—Hand Over Word），緊接著各子幀開頭的遙測字，主要是向用戶提供用于捕獲P碼的Z計數(shù)。所謂Z計數(shù)是從每星期六／星期日子夜零時起算的時間計數(shù)．它表示下一子幀開始瞬間的GPS時。但為了實用

23、方便，Z計數(shù)一般表示為從每星期六／星期日子夜零時開始發(fā)播的子幀數(shù)。因為每一子幀播送延續(xù)的時間為6秒，所以，下一子幀開始的瞬時即為6x Z。通過交接字可以實時地了解觀測瞬時在P碼周期中所處的準確位置，以便迅速地捕獲P碼。,,1．時延差改正Tgd 第7字碼的第17—24比特表示載波L1、L2的電離層時延差改正Tgd。當使用單頻接收機時，用Tgd改正所觀測的結(jié)果，以減小電離層效應影響提高定位精度；當采用雙頻接收機時，就不必要采用這個時

24、延差改正。,第一數(shù)據(jù)塊，位于第1子幀的第3-10字碼，含有關于衛(wèi)星鐘改正參數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期、星期的周數(shù)編號以及電離層改正參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息。,AODC＝toc-tl 式中:toc為第一數(shù)據(jù)塊的參考時刻，tl是計算時鐘參數(shù)所作測量的最后觀測時間。,2．數(shù)據(jù)齡期AODC 第3字碼的第23、和第24比特,以及第8字碼的第1—8比特，均表示衛(wèi)星時鐘的數(shù)據(jù)齡期AODC。GPS試驗衛(wèi)星的AODC只占8個比特，而GPS工作衛(wèi)星卻擴展

25、到了10個比特。A0DC是時鐘改正數(shù)的外推時間間隔，它向用戶指明對衛(wèi)星時鐘改正數(shù)的置信度，且知,,3.星期序號WN。表示從1980年1月6日協(xié)調(diào)時零點起算的GPS時星期數(shù)。,4.衛(wèi)星鐘改正參數(shù)：a0、a1、a2，分別表示該衛(wèi)星的鐘差、鐘速及鐘速的變化率。當已知這些參數(shù)后，便可按下式計算任意時刻t的鐘改正數(shù)△t △t＝a0十a(chǎn)1(t—toc)十a(chǎn)2(t—toc)2,第二數(shù)據(jù)塊包含第2和第3子幀，其內(nèi)容表示GPS衛(wèi)星的星歷，這些數(shù)據(jù)為

26、用戶提供了有關計算衛(wèi)星坐標位置的信息。描述衛(wèi)星的運行及其軌道的參數(shù)包括下列三類。,,第三數(shù)據(jù)塊包含第4、5子幀，內(nèi)容包含了所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。主要反映衛(wèi)星的基本狀態(tài)。,4.2.5 GPS信號的生成,,,二進制信號的相位調(diào)制,,GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制框圖,衛(wèi)星信號的調(diào)制原理,4.2.6 GPS衛(wèi)星星歷,,預報星歷(廣播星歷)用于預報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預報星歷；廣播星歷可用于GPS實時定位計算，預報星歷則可用于

27、在較長的時間周期內(nèi)對GPS衛(wèi)星的位置進行預報。,后處理星歷(精密星歷),衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運動軌道的信息,或者說是一組對應于某一時刻的衛(wèi)星軌道根數(shù)及其變率。,,計算思路首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系下的坐標然后將上述坐標分別繞X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-?k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標,軌道平面坐標系,軌道參數(shù),,,,,計算t時刻衛(wèi)星的平近點角,計算過程計算衛(wèi)星運行的平均角速度,計算偏近點角,計算真近點角,,,計算過程（續(xù)）計算升

28、交距角（未經(jīng)改正的）,計算衛(wèi)星向徑,計算攝動改正項,計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系中的位置,進行攝動改正,,,計算過程（續(xù)）計算升交點經(jīng)度,計算衛(wèi)星在地固坐標系下的坐標,,,精密星歷 – 后處理星歷,精密星歷的特點按一定時間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標系下的三維位置、三維速度和鐘差,任意時刻t衛(wèi)星位置的計算原理：插值法方法：拉格朗日插值法,4.3 美國政府的GPS政策,兩種限制導航定位精度的措施,,兩種GPS服務——SPS與PPS,GP

29、S現(xiàn)代化,4.3.1 兩種GPS服務——SPS與PPS,,,SPSSPS – 標準定位服務，使用C/A碼，民用，精度約為100m,PPSPPS – 精密定位服務，可使用P碼，軍用和得到特許的民間用戶使用 ，精度達到10m,4.3.2 兩種限制導航定位精度的措施,,,SA Selective Availability– 選擇可用性：人為降低普通用戶的測量精度。采用SA政策，規(guī)定水平定位精度為100m，垂直測量精度為157m,原則：保

30、障國家利益不受損害,AS – Anti-Spoofing反電子欺騙 – P碼加密，P+W->Y,方法ε技術：軌道加繞（長周期，慢變化）δ技術：星鐘加繞（高頻抖動，短周期，快變化）已于2000年5月1日取消,4.3.3 GPS現(xiàn)代化,,,提高信號質(zhì)量,在L2上增加C/A碼,增加第三民用頻率L5,增加2個軍用碼：M1，M2,局部關閉,,思考題,1、GPS由哪幾部分組成，各部分的功能是什么？,2、GPS信號包括哪些成分？,3