1 GPS技术与应用 第四讲卫星信号与接收处理 袁林果 西南交通大学测量工程系 Email: lgyuan@home.swjtu.edu.cn 2005-10-16 GPS技术与应用2 GPS定位的基本观测量是观测站（用户接收天线）至 GPS卫星（信号发射天线）的距离（或称信号传播路 径），它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间 （时间延迟）或测定卫星载波信号相位在该路径上的 变化周数（相位延迟）来导出的。 tv?=ρ 2 2005-10-16 GPS技术与应用3 4.1 电磁波传播的基本概念 1.电磁波及其参数 电磁波是一种随时间t变化的正弦或余弦波。如果设电 磁波初相角为? 0 ，角频率ω，振幅为A e ，则电磁波的数 学表达式为y=A e sin(ωt+ ? 0 ) ? 0 ωt+? 0 t 0 t 1 y=A e sin(ωt+ ? 0 ) A e 2005-10-16 GPS技术与应用4 ?设电磁波的频率为f，周期为T，相位为Φ，且 当t=0时有初相位Φ 0 ，则： ? ω=2πf，f=1/T，Φ=t/T+ Φ 0 ，? 0 =2πΦ 0 ? y=A e sin2 π(t/T+ Φ 0 ) ?利用电磁波测距除了精确测定电磁波的传播 时间或相位变化外，还应准确地测定电磁波 的传播速度v ?若设电磁波的波长为λ，相位常数为k，则： ? k= 2π/ λ= ω/v，v= λf= λ/T= ω/k 3 2005-10-16 GPS技术与应用5 2. 电磁波的传播速度与大气折射 ?假设电磁波在真空中的传播速度为c vac ，则 ? c vac = λ vac f= λ vac /T= ω/k vac ?在卫星大地测量中，国际上采用c=2.99782458×10 8 (m/s) ?对GPS而言，卫星发射信号传播到接收机天线的时间约0.1秒，当 光速值的最后一位含有一个单位的误差，将会引起0.1m的距离误 差。表明准确确定电磁波传播速度的重要意义 ?实际的电磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机前要穿过 性质、状态各异且不稳定的若干大气层，这些因素可能改变电磁 波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。 2005-10-16 GPS技术与应用6 ?电磁波在大气中的传播速度可以用折射率n来表示 ? n=c/v ?折射率与大气的组成和结构密切相关，其实际值接近于1， 故常用折射数N 0 来表示，N 0 =(n-1)10 6 ?根据大气物理学，如果电磁波在某种介质中的传播 速度与频率有关，则该介质成为弥散介质 ?通常称dv/df为速度弥散 ?如果把具有不同频率的多种波叠加，所形成的复合波称为 群波，则在具有速度弥散现象的介质中，单一频率正弦波 的传播与群波的传播是不同的。 4 2005-10-16 GPS技术与应用7 ?假设单一正弦波的相位传播速度为相速v p ，群波的 传播速度为群速v g ，则有 ?式中λ为通过大气层的电磁波波长。 ?若取通过大气层的电磁波频率为f，则相应的折射 率为 ?在GPS定位中，群速v g 与码相位测量有关，而相 速v p 与载波相位测量有关。 λ λ ? ? ?= p pg v vv f n fnn p pg ? ? += 2005-10-16 GPS技术与应用8 4.2 大气层对电磁波传播的影响 一．大气层的结构与性质 ?地球表面被一层很厚的大气所包围，大气的总质量约为 3.9 ×10 18 （kg），约为地球总质量的百万分之一。由于地 球引力的作用，大气质量在垂直方向上分布极不均匀，主 要集中在大气底部，其中75%的质量分布在10km以下， 90%的以上质量分布在30km以下。 ?同时大气在垂直方向上的物理性质差异也很大，根据温 度、成分和荷电等物理性质的不同，大气可分为性质各异 的若干大气层。 ?按不同标准有不同的分层方法，根据对电磁波传播的不同 影响，一般分为对流层和电离层。 5 2005-10-16 GPS技术与应用9 ?对流层是指从地面向上约40km范围内的大气底层，占整个大气 质量的99%。 ?对流层与地面接触，从地面得到辐射热能，温度随高度的上升而 降低，平均每升高1km降低6.5 0 C，而在水平方向（南北方向） 上，温差每100km 一般不超过1 0 C。 ?对流层虽仅有少量带电离子，但却具有很强的对流作用，云、 雾、雨、雪、风等主要天气现象均出现其中。 ?该层大气中除了含有各种气体元素外，还含水滴、冰晶和尘埃等 杂质，对电磁波的传播有很大影响。 对流层性质 2005-10-16 GPS技术与应用10 ?电离层分布于地球大气层的顶部，约在地面向上70km以上范 围。 ?由于原子氧吸收了太阳紫外线的能量，该大气层的温度随高度 上升而迅速升高，同时由于太阳和其它天体的各种射线作用， 使大部分大气分子发生电离，具有密度较高的带电粒子。 ?电离层中电子的密度决定于太阳辐射强度和大气密度，因而导 致电离层的电子密度不仅随高度而异，而且与太阳黑子的活动 密切相关。 ?电磁波在电离层中的传播速度与频率相关，电离层属于弥散性 介质。 电离层性质 6 2005-10-16 GPS技术与应用11 折射数随高度的变化 2005-10-16 GPS技术与应用12 某时刻全球电子密度 http:// w w w . ai u b .unib e .ch/ion o s phere/g i m_1 2 u t.jpg 7 2005-10-16 GPS技术与应用13 2. 对流层的影响与改正 ?在对流层中，折射率略大于1，随着高度的增加逐渐减 小，当接近对流层顶部时，其值接近于1 ?对流层的折射影响，在天顶方向（高度角90 0 ）可产生 2.3m的电磁波传播路径误差，当高度角为10 0 时，传播路 径误差可达20m。在精密定位中，对流层的影响必须顾 及。 ?对流层的折射率与大气压力、温度和湿度关系密切，由于 该层对流作用强，大气压力、温度和湿度变化复杂，对该 层大气折射率的变化和影响，目前尚难以模型化。 2005-10-16 GPS技术与应用14 ?通常将对流层的大气折射分为干分量和湿分量两部 分，N d 和N w 分别表示干、湿分量的折射数，则N 0 = N d +N w。 N d 和N w 与大气的压力、温度和湿度有如下近 似关系 ?式中P为大气压力（mbar），T k 为绝对温度 （T k = 0 C+273.2）,e 0 为水汽分压（mbar）。沿天顶方 向，对流层大气对电磁波传播路径的影响，可表示为 2 05 1073.3 6.77 k w k d T e N T P N ×= = wd SSS δδδ += 8 2005-10-16 GPS技术与应用15 ?干分量引起的电磁波传播路径距离差主要与地面的大 气压力和温度有关；湿分量引起的电磁波传播路径距 离差主要与传播路径上的大气状况密切相关。 ?由地球表面向上沿天顶方向的电磁波传播路径为 ?考虑干、湿分量的折射数，则有 ? S 0 为电磁波在真空中的传播路径，H d 为当N d 趋近于0 时的高程值（约40km），H w 为当N w 趋近于0时的高程 值（约10km）. ∫∫ ? +== HH dHNSndHS 06 0 10 ∫∫ ?? ++= wd H w H d dHNdHNSS 66 0 1010 2005-10-16 GPS技术与应用16 于是沿天顶方向电磁波传播路径的距离差为 dHNS dHNS SSSSS w d H ww H dd wd ∫ ∫ ? ? = = +=?= 6 6 0 10 10 δ δ δδδ 9 2005-10-16 GPS技术与应用17 ?在卫星大地测量中，不可能沿电磁波传播路线直接测定对流层 的折射数，一般可以根据地面的气象数据来描述折射数与高程 的关系。 ?根据理论分析，折射数的干分量与高程H的关系为 ? N d0 为按前（A）式计算的地面大气折射数的干分量，对于参数 H d ，H. Hopfield通过分析全球高空气象探测资料，推荐了如下 经验公式 4 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? = d d dd H HH NN )16.273(72.14840136 ?+= kd TH 2005-10-16 GPS技术与应用18 ?由于大气湿度随地理纬度、季节和大气状况而变化， 尚难以建立折射数湿分量的理论模型，一般采用与干 分量相似的表示方法 ?式中N w0 为按（A）式计算的地面大气折射数的湿分 量，高程的平均值取为H w =11000m 4 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? = w w ww H HH NN 10 2005-10-16 GPS技术与应用19 ?积分可得沿天顶方向对流层对电磁波传播路径影响的近 似关系： ?数字分析表明，在大气的正常状态下，沿天顶方向，折 射数干分量对电磁波传播路径的影响约为2.3m，约占天 顶方向距离总误差的90%，湿分量的影响远较干分量影 响小。 ?实际观测时，观测站接收的卫星信号往往不是来自天 顶，此时在考虑对流层影响时必须顾及电磁波传播方向 的高度角。 w k w d k d H T e S H T P S 2 05 5 4810 10552.1 10552.1 ? ? ×= ×= δ δ 2005-10-16 GPS技术与应用20 ?假设GPS卫星相对观测站的高度角为h s ，可得 ?实践表明，上式中含有较大的模型误差，当h s 大于10 0 时，改正量的估算误差可达0.5m。许多学者先后推荐 了改正模型： sww sdd S S sinh/ sinh/ δδρ δδρ = = [] )11000(1046512.7 )16.273(72.1484013610552.1 )25.6sin(/ )25.6sin(/ 2 02 5 212 212 T k w Tk k d sww sdd H T e S HT T P S hS hS ?×= ??+×= += += ? ? δ δ δδρ δδρ 11 2005-10-16 GPS技术与应用21 ?目前采用的各种对流层模型，即使应用实时测量的气象资料，电 磁波的传播路径，经过对流层折射改正后的残差，仍保持在对流 层影响的5%左右。 ?减弱对流层折射改正项残差影响主要措施： ?尽可能充分地掌握观测站周围地区的实时气象资料 ?利用水汽辐射计，准确地测定电磁波传播路径上的水汽积累量，以 便精确的计算大气湿分量的改正项。但设备庞大价格昂贵，一般难 以普遍采用 ?当基线较短时（20km），在稳定的大气条件下，利用相对定位的差 分法来减弱大气折射的影响 ?完善对流层大气折射的改正模型 2005-10-16 GPS技术与应用22 3. 电离层的影响与改正 ?在电离层中，由于太阳和其它天体的强烈辐射，大部分气体分子 被电离，产生了密度很高的自由电子，在离子化的大气中，单一 频率正弦波相折射率的弥散公式： ?式中e t 为电荷量，m e 为电荷质量，N e 为电子密度，ε 0 为真空介质常 数。当取常数值e t =1.6021×10 -19 ，m e =9.11 ×10 -31 ，ε 0 =8.859 ×10 - 12 ，并略去二次微小项，可得： 21 0 22 2 4 1 ? ? ? ? ? ? ?= e te p mf eN n επ 2 28.401 f N n e p ?= 12 2005-10-16 GPS技术与应用23 ?根据群折射率与相折射率的关系，可得 ?可见，在电离层中，相折射率和群折射率是不同的，GPS定位 中，对于码相位测量和载波相位测量的修正量，应采用群折射 率和相折射率分别计算。 ?当电磁波沿天顶方向通过电离层时，由于折射率的变化而引起 的传播路径距离差和相位延迟，一般可写为： 2 28.401 f N n f n fnn e g p pg += ? ? += ∫ ∫ ?= ?= s s dsn c f dsn )1( )1( δ? δρ 2005-10-16 GPS技术与应用24 由相折射率和群折射率引起的路径传播误差(m)和时间延迟 (ns)分别为 ? ? ? ? ? ? ? ×= = ? ? ? ? ? ? ? ×?= ?= ∑? ∑ ∑? ∑ 2 7 2 2 7 2 103436.1 28.40 103436.1 28.40 f N t f N f N t f N g g p p δ δρ δ δρ 13 2005-10-16 GPS技术与应用25 ?在电离层中产生的各种延迟量，对确定的电磁波频率，只有电 子密度是唯一的独立变量。 ?实际资料分析表明，电离层的电子密度，白天约为夜间的5倍， 一年中冬季与夏季相差4倍，太阳活动高峰期约为低峰期的4 倍。 ?电离层电子密度的大致变化范围在10 9 -3×10 12 电子数/m 3 。沿天 顶方向电子密度总量，日间为5×10 17 电子数/m 2 ，夜间为5×10 16 电子数/m 2 。 ?此外，电子密度在不同高度、不同时间都有明显差别。 2005-10-16 GPS技术与应用26 ?当电磁波的传播方向偏离天顶方向时，电子总量会明显增加，在 倾角为h s 方向上，电子总数N h 有如下近似： ?电离层对不频率电磁波沿天顶方向传播路径的影响如下 sNN h sinh/ ∑ = 1.2m20m30m500m最大 0.6m10m15m250m90%小于 0.12m2m3m50m平均 8000MHz2000MHz1600MHz400MHz单频 14 2005-10-16 GPS技术与应用27 ?由于影响电离层电子密度的因素复杂（时间、高度、太 阳辐射及黑子活动、季节和地区等），难以可靠地确定 观测时刻沿电磁波传播路线的电子总量。 ?对GPS单频接收用户，一般均利用电离层模型来近似计 算改正量，但目前有效性不会优于75%。即当电离层的 延迟为50m，经过模型改正后，仍含有约12.5m的残 差。 ?为减弱电离层的影响，比较有效的措施为： 2005-10-16 GPS技术与应用28 两种频率电磁波同步观测时电离层对传播路径的影响分别为 可得消除电离层折射影响的距离： 2 2 1 2 2 2 1 12 2 1 28.40 28.40 ? ? ? ? ? ? ? ? = ?= ?= ∑ ∑ f f f N f N ff f f δρδρ δρ δρ 2 2 2 1 00 0 122 11 f f fff ff δρρδρρρ δρρρ +=+= += ? ? ? ? ? ? ? ?= 2 1 2 2 2 2 0 1 ff f f δρρρ ? ? ? ? ? ? ? =?= 2 2 2 1 2 2 121 f ff fff δρρρδρ ? ? ? ? ? ? ? = 2 1 2 2 2 2 1 ff f f δρδρ （1）利用两种不同的频率进行观测 15 2005-10-16 GPS技术与应用29 ?同理可得不同频率电磁波的相位延迟关系以及经过电离层折射 改正后的相位值： ?目前，为进行高精度卫星定位，普遍采用双频观测技术，以便 有效减弱电离层折射影响；不同的双频组合，对电离层影响的 改善程度也不同，改正后的残差如下： 2 1 28.40 28.40 2 1 cf N cf N f f ∑ ∑ ?= ?= δ? δ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??= 2 1 2 2 2 2 2 10 2111 ff f f f ffff ???? 0.43cm4.5cm22cm36m最大 0.21cm1.7cm6.6cm10m90%小于 0.04cm0.3cm0.9cm0.6m平均 2000/8000MHz1227/1572MHz400/2000MHz150/400MHz双频 2005-10-16 GPS技术与应用30 ?用两台接收机在基线的两端进行同步观测，取其观测 量之差。因为当两观测站相距不太远时，卫星至两观 测站电磁波传播路径上的大气状况相似，大气状况的 系统影响可通过同步观测量的差分而减弱。 ?该方法对小于20km的短基线效果尤为明显，经过电离 层折射改正后，基线长度的相对残差约为10 -6 。故在短 基线相对定位中，即使使用单频接收机也能达到相当 高精度。但随着基线长度的增加，精度将明显降低。 (2) 两观测站同步观测量求差 16 2005-10-16 GPS技术与应用31 1.关于GPS卫星信号 ? GPS卫星所发射的信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和 数据码（或D码）等多种信号分量，其中P码和C/A码统称为测距 码。 2. GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素； 1.适应多用户系统要求 2.满足实时定位要求 3.满足高精度定位需要 4.满足军事保密要求 4.3 GPS卫星的测距码信号 2005-10-16 GPS技术与应用32 (1) 码的概念： ?在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其 组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及 其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比 特。比特为码和信息量的度量单位。 ?如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化， 并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则 这一过程称为编码。 ?在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称 为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。 2. 码与码的产生 17 2005-10-16 GPS技术与应用33 ?既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合，是一组二进制的 数码序列，则这一序列就可以表达成以0和1为幅度的时间函数。 ?假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机 的，但出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的 码序列，称为随机码序列（或随机噪声码序列）。 ?它是一种非周期性序列，无法复制，但其自相关性好。而相关性 的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距精度，极其重要。 （2）随机噪声码 2005-10-16 GPS技术与应用34 ?为了说明随机码的自相关性，现将随机序列u(t)平移k个码元， 得到一个新的随机序列u′(t)，如果两随机序列u(t)和u′(t)所对应 的码元中，相同的码元数（同为0或1）为Au，相异的码元数为 Bu，则随机序列u(t)的自相关系数R(t)定义为： R(t) = (Au - Bu) / (Au + Bu) ?当平移的码元数k=0，说明两个结构相同的随机码序列，相应的 码元相互对齐，Bu=0，自相关系数R(t)=1。当k≠0时，由于码 序列的随机性，当序列中码元数充分大时，则Au≈Bu，即自相 关系数R(t) ≈0。 ?于是，根据码序列自相关系数的取值，可以判断两个随机码序 列的相应码元是否对齐。 18 2005-10-16 GPS技术与应用35 ?假设GPS卫星发射的是一个随机码序列u(t)，而GPS接 收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列u′(t)， 则由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的u(t)与 u′(t)之间产生了平移，即相应的码元错开，因而R(t) ≈0。 ?如果通过一个时间延迟器来调整u′(t)，使之与u(t)的码元 相互完全对齐，即有R(t) =1。 ?则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户 接收机的准确传播时间，从而准确测定站星距离。 2005-10-16 GPS技术与应用36 ?尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服 从任何编码规则，实际中无法复制和利用。 ? GPS采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random Noice—— PRN）简称伪随机码或伪码。 ?它的特点是：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编 码规则，是周期性的，容易复制。 ?伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。移位寄 存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有0或1 两种状态。移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置1脉冲。 移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置1脉冲的作用下而工作的。 （3）伪随机噪声码及其产生 19 2005-10-16 GPS技术与应用37 ?假设移位寄存器是由4个存储单元组成的四级反馈移位寄存 器，当钟脉冲加到该移位寄存器后，每个存储单元的内容，都 顺序地由上一单元转移到下一单元，与此同时，将其中某几个 单元，如单元3和单元4的内容进行模2相加，反馈给第一个单 元。 1 2 3 4 钟脉冲 输出 置1脉冲 模2相加 2005-10-16 GPS技术与应用38 移位寄存器在工作开始时，置1脉冲的作用，使各级存储单元的内容 全部处于1状态，此后在钟脉冲驱动下，将经历15种状态。 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 13 14 15 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 9 10 11 12 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 5 6 7 8 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 2 3 4 末极输出的 二进制数 模2加反馈 3+4 各级状态 4 3 2 1 状态编号 20 2005-10-16 GPS技术与应用39 ?移位寄存器在经历了上表所列的15种状态后，再重复全1状 态，完成一个最大周期。同时，从第四级存储单元也输出一个 最大周期为15t u 的二进制数序列，t u 为两个钟脉冲的时间间 隔。这种周期最大的二进制数序列，通常称为m序列。 ?上例中是一个码长包含有15个码元的周期序列，其中任意4个 连续的二进制数所构成的码都不相同，任何一个码在周期序列 中都有相应确定的位置和时刻。 ?一般情况下，对于一个r级反馈移位寄存器来说，将产生更复 杂的周期性m序列，此时移位寄存器可能经历的状态（码长） 为N u =2 r -1，最多包含N u 个码元，最大周期为T u =N u t u 。 2005-10-16 GPS技术与应用40 ?在r级反馈移位寄存器所产生的周期性m序列中，有时可以截取 其中的一部分，组成一个新的周期性序列加以利用，这种新的 周期较短的序列，称为截短序列或截短码。 ?实际中有时还需要将多个周期较短的m序列，按预定的规则， 构成一个周期较长的序列，称为复合序列或复合码。 21 2005-10-16 GPS技术与应用41 ? GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属 于伪随机码。 ? C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。 ?码长N u =2 10 -1=1023比特 ?码元宽为t u =1/f 1 =0.97752μs,（f 1 为基准频率f 0 的10分之1，1.023 MHz）,相应的距离为293.1m。 ?周期为T u = N u t u =1ms ?数码率为1.023Mbit/s。 ? C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索， 只需20.5s，易于捕获，称捕获码。 ?码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的100分之 1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码。 3. GPS的测距码 2005-10-16 GPS技术与应用42 ? P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两 组各由12级反馈移位寄存器构成。 ?码长N u ≈2.35×10 14 比特，码元宽为t u =1/f 0 =0.097752μs，相应的 距离为29.3m。周期为T u = N u t u ≈ 267d，数码率为10.23Mbit/s。 ? P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分成38 部分，（每一部分为7天，码长约6.19 ×10 12 比特），其中1部分 闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗 卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不 同。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕 获P码。 ?由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码 元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。 P码 22 2005-10-16 GPS技术与应用43 4.4 GPS卫星的导航电文（数据码） 1.导航电文及其格式 ?导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫 星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码 等导航信息的数据码（或D码）。 ?导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧 电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。 ?每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比 特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星， 子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一 个主帧。主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当 给卫星注入新的导航电文后才得以更新。 2005-10-16 GPS技术与应用44 123 45 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 30s 6s 0.02s 0.6s 25页 10个字 30比特 导航电文的格式 23 2005-10-16 GPS技术与应用45 TLM HOW数据块—1时钟修正参数 TLM HOW数据块—2星历表 TLM HOW数据块—2星历表继续 TLM HOW数据块—3卫星历书等 TLM HOW数据块—3卫星历书等 1 2 3 4 5 一个子帧6s长，10个字，每字30比特 1帧 30s 1500 比特 一帧导航电文的内容 2005-10-16 GPS技术与应用46 ①遥测字（TLM—Telemetry WORD） ?位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。 ②交接字（HOW—Hand Over Word） ?紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。 所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零时起算的时间记数，表 示下一子帧开始瞬间的GPS时。 ③数据块1 ?含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改 正参数、和卫星工作状态等信息。 ?卫星钟改正参数a 0 、a 1 、a 2 分别表示该卫星的钟差、钟速和钟 速变化率。任意时刻t的钟改正数为?t=a 0 +a 1 (t-t 0e )+a 2 (t-t 0e ) 2 。 24 2005-10-16 GPS技术与应用47 ?参考历元t 0e 为数据块1的基准时间，从GPS时星期六/星期日子 夜零时起算，变化于0-604800s之间。 ?数据龄期AODA表示基准时间t 0e 与最近一次更新星历的时间之 差，主要用于评价钟改正数的可信程度。 ?现时星期编号WN：表示从1980年1月6日协调时零点起算的 GPS时星期数 ④数据块2：包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计 算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历。 ⑤数据块3：包含在4、5两个子帧中，主要向用户提供GPS卫 星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星的历书。 2005-10-16 GPS技术与应用48 4.5 GPS卫星信号的构成 1. 1卫星的载波信号与调制 ? GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生 都是在同一个基本频率f 0 =10.23MHz的控制下产生，GPS卫星信号示意图如 下 基本频率 10.23MHz L 1 载波 1575.42MHz L 2 载波 1227.60MHz C/A码 1.023MHz P码 10.23MHz P码 10.23MHz 数据码 50BPS 数据码 50BPS ×154 ×120 ÷10 ÷204600 25 2005-10-16 GPS技术与应用49 ?从上图中可见，GPS卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载 波，L 1 载波频率为1575.42MHz，波长为19.03cm；L 2 载波频 率为1227.60MHz，波长为24.42cm。在L 1 载波上，调制有C/A 码、P码（或Y码）和数据码；L 2 载波上，只调制有P码（或Y 码）和数据码。 ?在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号 加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信号称为调制信 号。 ? GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且 调制码的幅值只取0或1。如果码值取0，则对应的码状态取 +1；而码值取1时，对应码状态为-1，载波和相应的码状态相 乘后，即实现了载波的调制。 2005-10-16 GPS技术与应用50 信号调制 26 2005-10-16 GPS技术与应用51 2. 卫星信号的解调 ?为进行载波相位测量，当用户接收到卫星发播的信号后，可通过以下 两种解调技术来恢复载波相位。 ①相关技术：由于调制码的码值是用±1的码状态来表示的，当把接收 的卫星码信号与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码信号完 全相同的测距码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中 的测距码而恢复原来的载波。但此时恢复的载波尚含有数据码即导航 电文。这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构，以便产生复制 码。 ②平方解调技术：将接收到的卫星信号进行平方，由于处于+1状态的 调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响。故卫星信 号平方后，可达到解调目的。采用这种方法，可不必知道调制码的结 构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同时去 掉了导航电文。 2005-10-16 GPS技术与应用52 GPS接收机及其基本原理 1. GPS接收机的基本概念 ? GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处 理机及其终端设备以及电源等。 ?其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS 接收机。 ?主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处 理，获取导航电文和必要的观测量。 27 2005-10-16 GPS技术与应用53 天线前置放 大器 信号处理 器 微处理器 导航计算机 震荡器 用户信息 传输 数据存储器 外部传输 电源 GPS接收机的结构 2005-10-16 GPS技术与应用54 GPS接收机的主要结构组成 ?天线（带前置放大器） ?信号处理器：用于信号识别与处理 ?微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算 ?用户信息传输：包括操作板、显示板等 ?精密震荡器：产生标准频率 ?电源 28 2005-10-16 GPS技术与应用55 2. 接收机类型 ?按工作原理划分： ?码相关型接收机 ?能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用的是C/A 码或P码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。 ?平方型接收机 ?利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的 载波信号。该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结 构，称无码接收机。 ?混合型接收机 ?综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密 载波相位观测量。目前广泛使用。 2005-10-16 GPS技术与应用56 根据接收机信号通道类型划分 ?多通道接收机 ?具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号。也称 连续跟踪型接收机。 ?序贯通道接收机 ?只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时 序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较 长（大于20ms），对卫星信号的跟踪是不连续的。 ?多路复用通道接收机 ?与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制 下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需 时间较短（小于20ms），可保持对卫星信号的连续跟踪。 29 2005-10-16 GPS技术与应用57 根据所接收的卫星信号频率划分 ?单频接收机（L 1 ） ?只接收调制的L 1 信号，虽然可利用导航电文提供的 参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正 模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20km的 短基线精密定位。 ?双频接收机（L 1 +L 2 ） ?同时接受L 1 、L 2 两种信号，利用双频技术，可消除 或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较 高。 2005-10-16 GPS技术与应用58 按接收机用途划分 ?导航型 ?用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保 障按预定路线航行或选择最佳路线。一般采用测码伪距为观 测量的单点实时定位或差分GPS（RTDGPS）定位，精度 低，结构简单，价格便宜，应用广泛。 ?测量型接收机 ?采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测 后处理或实时处理（RTK），需配备功能完善的数据处理软 件。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。 ?授时型接收机 ?主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。 30 2005-10-16 GPS技术与应用59 GPS接收机通道的概念 ?接收机信号通道可理解为GPS卫星发射的信号经由天 线进入接收机的路径。 ?当接收机的全向天线接收到所有来自天线水平面以上 的卫星信号之后，必须首先将这些信号隔离开来，以 便进行处理和量测——通过接收机内若干分离信号的 通道来实现。 ?通道是由硬件和相应的软件组成。每个通道在某一时 刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号，当接收机需同 时跟踪多个卫星信号时，原则上可采用两种跟踪方 式： 2005-10-16 GPS技术与应用60 一是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都可 连续的跟踪一个卫星信号； 二是一个信号通道在相应软件的作用下，跟踪多个卫 星信号。 ?根据跟踪卫星信号的方式不同，通道的类型分为： ?序贯通道（sequencing channel） ?多路复用通道（multiplexing channel） ?多通道（multi-channel） 31 2005-10-16 GPS技术与应用61 ?根据通道的工作原理，即对信号处理和量测的不 同方法，分为： ?码相关型通道（correlation channel） ?平方型通道（squaring channel） ?码相位型通道（code phase channel） 2005-10-16 GPS技术与应用62 作业 1.什么是伪随机码？有何作用？ 2.什么叫C/A码（粗码、捕获码）和P码（精码）？它们有 什么不同之处？ 3. GPS卫星公共基准信号频率是多少？向地面发射哪两种 频率的载波？其相应波长是多少？ 4.简述导航电文的内容和作用？ 5. GPS接收机分为几种类型？各种类型又是如何划分的？