GPS信号与接收机.ppt

GPS信号与接收机,GPS卫星信号结构 GPS卫星导航电文 GPS卫星位置和速度计算 GPS接收机,GPS卫星信号构成,GPS卫星信号,测距码 数据码(导航电文） 载波,P码（Y码）C/A码,L1载波 L2载波,伪随机码,L波段,L1载波,L2载波,GPS卫星信号的组成部分 载波（Carrier） L1 L2 测距码（Ranging Code） C/A码（目前只被调制在L1上） P(Y)码（被分别调制在L1和L2上） 卫星（导航）电文（Message） GPS卫星信号的生成 关键设备 原子钟,GPS卫星的基准频率 f0,由卫星上的原子钟直接产生 频率为10.23MHz 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频,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f0=10.23MHz的控制下产生，采用正交2PSK调制。,GPS卫星信号的载波和调制,GPS载波信号,基本频率控制产生三种信号分量,Two Carrier Frequencies（载波频率） L1 is 154 x f0 = 1575.42 MHz, which has a wavelength of 0.19 m L2 is 120 x f0 = 1227.6 MHz, which has a wavelength of 0.24 m,GPS信号时域表示,SiL1(t)APPi(t)Di(t)cos(1t1i) AcCi(t)Di(t)sin(1t1i) SiL2(t)BPPi(t)Di(t)cos(2t2i),L1 载波,C/A码 P码（Y码） 数据码,L2 载波,P码（Y码） 数据码,调制,调制,载波,作用 搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移 类型 目前 L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm 现代化后 增加L5 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm,载波,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减弱信号所受的电离层折射影响 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）,测距码,作用 测距 编码增益，抗干扰 性质 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,测距码,类型 目前 C/A码（Coarse/Acquisition Code） 粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上 P（Y）码（Precise Code） 精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上 现代化后 在L2上调制C/A码 在L1和L2增加调制M码,卫星信号的调制,模二和 逻辑上：异或运算 双极性乘法运算：“1”表示二进制“0”， “-1”表示二进制“1”,卫星信号的调制,二进制信号的相位调制,2PSK,SiL1(t)AC(Pi(t) Di(t)sin(L1t1)Ac(Ci(t) Di(t)cos(L1t1) SiL2(t)AP(Pi(t) Di(t)sin(L2t2) AP、AC分别为载波L1(1575.42MHz)和载波L2(1227.6 MHz)的振幅； Pi(t) 、Ci(t)和Di(t)分别为第i颗GPS的P码、C/A码和D码； L1、L2分别为载L1、L2的角频率； 1、2分别为第i颗GPS卫星的载波L1、L2的初相。 SiL1(t)、 SiL2(t) 共用天馈发射,卫星信号的调制,卫星信号的解调关键在于恢复相干载波（相位），可通过以下两种解调技术来恢复载波（相位）： （1）复制码与卫星信号相乘： 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。,卫星信号的解调,（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、-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。,GPS伪随机码,1伪随机噪声码及其特点 GPS信号都采用伪随机码序列编制或调制。 采用伪随机码序列是因为伪随机码具有良好自相关性。 伪随机码序列是GPS系统中采用伪码测距的基础。 GPS系统中采用m序列伪随机码还可以截短和复合加长。 例如一个码长为LPa伪随机序列码，和一个码长为LPa伪随机序列码，复合码后的复合码长便为： LPXLPaLPb 复合码可大为改善自相关特性，缩短寻找自相关的时间。 所以GPS系统信号码都采用复合形成的伪随机序列编码。,GPS的测距码 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： GOLD（哥尔德）码，是由两个10级反馈移位寄存器组合（模2和）而产生。,P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。 码周期很长，不易破译，利于保密。 每个卫星独用一个时区，可充分利用复合码自相关特性。 可进行无模糊测距。 缺点： 码很长，不易捕获，从而需利用C/A码进行捕获。 C/A码与P码同步采用同一基准时钟，还在P码的每个历元时刻（初始时刻）使C/A码的两组移位寄存器全置1。 采用统一时钟的优点还在于在捕获C/A码基础上便于捕获P码。,GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。 导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时钟改正、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。导航电文又称为数据码（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。,GPS卫星导航电文,导航电文,卫星星历 卫星工作状态 时间系统 卫星钟偏差校正参数 轨道摄动改正参数 大气折射改正参数,子帧5,子帧 I,遥测字 +转换字 + 数据块 I,导航电文,二进制码,Navigation Message,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。,GPS卫星导航电文,导航电文的格式,按帧向外播送。每一数据帧长度为1500bit，每帧又分为5个子帧，每个子帧长300bit 播送速度为50bits，每帧时长30s 完整的导航信息由25帧数据组成，全部播完要125min。 其内容仅在地面注入站注人新的导航数据才更新。,一帧导航电文的内容,子帧 1,一个子帧6s长，10个字，每字30比特,1帧 30s 1500比特,子帧 3,子帧 4,子帧 5,子帧 2,1、遥测码（TLWTelemetry WORD） 位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。遥测码的第18比特是同步码，使用户便于解释导航电文；第922比特为遥测电文，其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息。第23和第24比特是连接码；第2530比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。,导航电文内容,导航电文内容,2、转换码（HOWHand Over Word） 紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从星期日零时起，P码子码X1的周期（1.5秒）的重复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获到P码。,导航电文内容,3、第一数据块 第一数据块位于第1子帧的第310字码，它的主要内容包括： a、时延差改正Tgd就是载波L1、L2的电离层 时延差。 b 、数据龄期AODC是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。 C、 星期序号WN表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。 d 、卫星时钟改正GPS时间和UTC时间之间存在的差值。,主要内容包括：标识码，时延差改正；星期序号；卫星健康状况；数据龄期；卫星时钟改正系数等 L2所调制测距码标识符 “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码 星钟数据龄期AODC：时钟改正数的外推时间间隔，指明卫星时钟改正数的置信度。 星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）,导航电文内容,4、第二数据块 第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类： a、开普勒六参数。 b 、轨道摄动九参数。 C、 时间二参数,第二数据块 第2、3子帧的第310个字 表示GPS卫星的星历，为用户提供了和计算卫星运动的信息，描述卫星运行及轨道的参数 发送该信号卫星的星历 广播星历 星历参数：开普勒六参数 轨道摄动九参数 时间二参数： AODE星历表数据龄期，表示广播星历外推时间间隔，它是星历参考时刻与最后一次观测数据取得时间之差。 卫星星历参考时刻，它是从星期日零时开始度量。,星历参数详解,星历参数详解,星历参数详解,星历参数详解,导航电文内容,5、第三数据块 第三数据块包括第4和第5子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择地卫星。,GPS卫星位置和速度计算,位置计算 卫星位置的确定是定位的一个必须过程，位置的确定即星历参数的计算。 根据广播星历计算卫星在WGS84坐标坐标。 广播星历精度不高，此处卫星位置计算采用简略方法。,1）、首先按“二体问题”公式计算轨道参数； 2）、根据导航电文给出的轨道摄动参数，进行摄动修正，计算修正后的轨道参数； 3）、继而计算卫星在轨道坐标坐标； 4）、最后，仅顾及地球自转的影响，将轨道坐标系转为WGS84坐标系。,GPS卫星位置的计算,计算思路 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标 然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标,轨道平面坐标系,轨道参数,根据广播星历计算卫星位置,根据广播星历计算卫星位置,计算过程 计算卫星运行的平均角速 度 计算t时刻卫星的平近点角 计算偏近点角,根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续） 计算真近点角 计算升交距角（未经改正的） 计算卫星向径,根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续） 计算摄动改正项 进行摄动改正 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置,根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续） 计算升交点经度 计算卫星在地固坐标系下的坐标,精密星历 按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差 * 2004 1 15 0 0 0.00000000 P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285 P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064 P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932 P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805 P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888 P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584 P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094 P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428,根据精密星历计算卫星位置,任意时刻t卫星位置的计算 原理：插值法 方法：拉格朗日插值法等,根据精密星历计算卫星位置,卫星运行速度计算,根据导航电文所提供的GPS卫星星历，还可以计算出卫星运动速度的三个分量（Xk、Yk、Zk）。,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。,GPS接收机,GPS用户设备（接收机）的功能是： 接收GPS卫星发送的导航信号； 恢复载波信号频率和卫星钟； 解调出卫星星历、卫星钟校正参数等数据； 通过测量本地时钟与恢复的卫星钟之间的时延来测量接收天线至卫星的距离（伪距）； 通过测量恢复的载波频率变化（多普勒频率）来测量伪距变化率； 根据获得的这些数据，计算出用户所在的地理经度、纬度、高度、速度、准确的时间等导航信息； 将结果显示在显示屏幕上或通过输出端口输出。,GPS接收机的结构,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,GPS接收机类型,（1）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。,（2）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。,GPS接收机类型,（3）根据所接收的卫星信号频率划分： 单频接收机（L1）：只接收调制的L1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（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，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。,GPS接收机类型,例： 按所接收的卫星信号（L1、L2、C/A码、P码、Y码）和观测量（码伪距、L1相位、L2相位）可分为如下几种。 L1、C/A码伪距接收机； L1 、载波相位、C/A码接收机； L1/L2 、载波相位、C/A码、P码接收机； L1/L2 、载波相位、C/A码、P/Y码接收机； 其中、两类用于标准定位服务 、两类用于精密定位服务，只有美国军方和特许的非军方用户才能享受精密定位服务。 而我国应用的主要是前两类GPS标准定位服务接收机。,（4）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。采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS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。,GPS接收机类型,RTK系统,导航型接收机,大地型接收机,GPS接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型。,GPS接收机工作原理,当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。,GPS接收机的组成及工作原理,GPS接收机-方框图,LNA,GPS接收机-原理框图,原理框图,GPS接收机天线,天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测。,GPS接收机天线,天线的基本要求： 天线与前置放大器应密封为一体，保障在恶劣气象环境下正常工作。 天线应呈全圆极化：要求天线的作用范围为整个上半球，天顶处不产生死角，保障能接收来自天空任何方向的卫星信号。 天线必须采取适当的防护与屏蔽措施：例如加一块基板，尽可能地减弱信号的多路径效应，防止信号干扰。 天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽量小，且保持稳定。,GPS接收机天线基本类型,天线单元 特点 单极天线 单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单 微带天线 结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛 锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线 单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板 空间螺旋天线 双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称,前置放大器 由于GPS卫星高，GPS天线接收来的20000km高空的信号很弱，信号电平只有-50-180dB；输入功率信噪比为-30dB，即信号源淹没在噪声中。 为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置