《【2017年整理】第五讲 GPS卫星的测距码信号和GPS卫星的导航电文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】第五讲 GPS卫星的测距码信号和GPS卫星的导航电文（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、18第五讲 GPS 卫星的测距码信号和 GPS 卫星的导航电文学习指南在这一章节中，主要讲述了 GPS 全球卫星定位系统的组成，简单地介绍了 GPS卫星信号、GPS 卫星星历和卫星运动理论基础。重点介绍了 GPS 卫星信号特点及其应用。 对本章的学习要重点突出 GPS 系统的组成、 GPS 卫星信号的应用，理解和掌握 GPS 卫星位置计算的各项参数物理意义和几何特点。本单元教学重点和难点1、GPS 编码的方法；2、导航电文的格式和内容。教学目标1、了解 GPS 卫星信号的作用；2、熟悉 GPS 编码的方法；3、熟悉导航电文的格式；4、熟悉导航电文的内容。一、 GPS 卫星信号1 GPS 卫星信
2、号构成及产生GPS 卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文三部分组成。如图 25 所示：1.1 载波 L1、 、L 1 由卫星上的原于钟所产生的基准频率 f01.023MHz 倍频 154 倍和 120 倍产生。1.2 测距码1.2.1C/A 码C/A 码又称为粗捕获码，它被调制在 L1 载波上，是 1.023MHz 的伪随机噪声码（PRN 码） ，由卫星上的原子钟所产生的基准频率 f0 降频 10 倍产生，即：f C/Af 0101.023MHz 。由于每颗卫星的 C/A 码都不一样，因此，我们经常用它们的 PRN 号来区分它们。C/A 码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号
3、。1.2.1 P 码P 码又被称为精码，它被调制在 L1 和 L2 载波上，是 10.23MHz 的伪随机噪声码，直接使用由卫星上的原于钟所产生的基准频率，即：f pf 01.023MHz，其周期为七天。在实施 AS 时，P码与 W 码进行模二相加生成保密的 Y 码，此时，一般用户无法利用 P 码来进行导航定位。1.2.1 L2C 码L2C 码称为城市码，它被调制在 L2 载波上，L2C 信号包括 2 个 PRN 码:即 CM 码和 CL 码。2005 年 9 月 23 日第一颗具有广播 L2C 信号功能的 GPS 卫星 SLC-17A 从 CapeCanaveral, Florida（佛罗里
4、达）发射升空。 L2 码同样可以提供高质量(低相噪，高灵敏度)的数据来进行导航定位。1.3 导航电文19导航信息被调制在 L1 载波上，其信号频率为 50Hz，包含有 GPS 卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻 GPS 卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。图 25 GPS 卫星信号构成及产生2 GPS 的测距码信号测距码是用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码，如图 25 所示。GPS 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码。它们看似一组取值(0 或 1)完全无规律的随机噪声码序列，其实是具有确定编码规则编排起来的、可以
5、复制的周期性的二进制序列，且具有类似于随机噪声码的自相关性特性，结构相同的随机码序列 通过平移码元数，相应的码元相互对齐，(t)u易于测量。测距码是由若干个多级反馈移位寄存器所产生的 m 序列经平移、截短、求模二和等一系列复杂处理后形成的。根据性质和用途的不同，在 GPS 卫星发射的测距码信号中包含了CA 和 P（Y ）码两种伪随机噪声码信号，各卫星所用的测距码互不相同。下面将分别介绍其特点及作用。图 2-6 CA 码、P 码的特点2.1 CA 码(CoarseAcquisition Code)用于进行粗略测距和捕获精码的测距码称为粗码，也称捕获码。CA 码的测距精度一段为(2-3) m。C
6、A 码是一种结构公开的明码，供全世界所有的用户免费使用。CA 码的特征是：码长 Nu2 10-1=1023bit；码元宽度 tu0.97752us，相应长度 293.1m;周期 Tu Nutu=1ms；数码率 BPS1.023Mbit s ，如图 2-7 所示。GPS 星座中的不同卫星使用结构各异的 CA 码。这样既便于复制又易于区分。CA 码具有的特性：由于 CA 码的码长较短（周期1ms） ，在 GPS 导航和定位中，为了捕获 CA 码以测定卫星信号传播的时间延迟，通常对 CA 码金行逐个搜索，而 CA 码总共只有 1023 个码元，若以每秒 50 码元的速度搜索，仅需约 20.5s 便可
7、完成，易于捕获。而通过捕获 CA 码所得到的20卫星提供的导航电文信息，又可以方便地捕获 P 码，所以，通常称 CA 为捕获码。CA 码的码元宽度 t 0=1/f=0.97752s(码元持续时间 )，空间矢距：L=293.1m( 码元持续时间 与 c 乘积 )较大。若两个序列的码元相关误差为码元宽度的 l101100，则此时所对应的测距误差可达 29.32.9m。由于其精度较低，所以称 CA 码为粗捕获码。2.2 P 码(Precision Code)用于精确测定从 GPS 卫星至接收机距离的测距码称为精码。该测距码又同时调制在 L 1 和 L2两个载波上，可较完善地消除电离层延迟，故用它来测
8、距可获得较精确的结果。P 码是一种结构保密的军用码。目前，美国政府不提供一般 GPS 民用用户使用。P 码的特征是：码长 Nu=2.351014bit；码元宽度 tu=0.097752us，相应长度 29.3m ，数码率BPS10.23Mbit s ；如图 2-7 所示, 周期 TuNu tu=267 天，一个周期中约含 6.2 万亿个码元。实际上 P 码的一个整周期被分为 38 部分，每一部分周期为 7 天，码长约 6.19x1012bit。其中有 5部分由地面监控站使用，其他 32 部分分配给不同的卫星，1 个部分闲置。这样，每颗卫星所使用P 码便具有不同的结构，易于区分，但码长和周期相同
9、。P 码具有的特性：因为 P 码的码长较长（6.1910 12bit） ，在 GPS 导航和定位中，如果采用搜索 CA 码的办法来捕获 P 码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒 50 码元时，约需 14155天，那将是无法实现的，不易捕获。因此，一般都是先捕获 CA 码，然后根据导航电文中给出的有关信息，便可捕获 P 码。 P 码的码元宽度 t 0=1/f=0.097752s，每个码元所持续的时间为 CA 码的 110。空间矢距：L=29.3m( 码元持续时间 与 c 乘积 )较大。若两个序列的码元相关误差仍为码元宽度的l101100，则此时所引起的测距误差仅有 2.930.293
10、m。仅为 CA 码的 110。所以 P 码可用于较精密的导航和定位，称为精码。2.3 L2C 码目前，CA 码只调制在 Ll 载波上，故无法精确地消除电离层延迟。随着全球定位系统的现代化，在卫星上增设调制了 CA 码的第二民用频率码 L2C 码后，该问题将可得到解决。采用窄相关间隔(Narrow Correlator Spacing) 技术后测距精度可达分米级，与精码的测距精度大体相当。3 CPS 卫星的载波信号可运载调制信号的高频振荡波称为载波。GPS 卫星发射两种频率的载波信号，由于它们均位于微波的 L 波段，故分别称为 L 1 载波和 L2 载波。即频率为 1575.42MHz 的 L1
11、 载波和频率为1227.60HMz 的 L2 载波，它们的波长分别为 19.03cm 和 24.42cm，如图 2-6 所示。在无线电通信技术中，为了有效地高质量传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。GPS 卫星的 L1 和 L2 载波上携带着测距信号和导航电文传送出去，到达用户接收机。在一般的通信中，当调制波到达用户接收机解调出有用信息后，载波的作用便告完成。但在全球定位系统中，载波除了能更好地传送测距码和导航电文这些有用信息外，在载波相位测量中它又被当做一种测距信号来使用。其测距精度比伪距测量的精度高 23 个数量级。因此，载波相位测量在高精度定位中得到了广
12、泛的应用。采用两个不同频率载波的主要目的是为了较完善地消除电离层延迟。采用高频率载波的目的是为了更精确地测定多普勒频移和载波相位(对应的距离值 )，从而提高测速和定位的精度，减少信号的电离层延迟，因为电离层延迟与信号频率 f 的平方成反比。4 GPS 导航电文GPS 卫星导航电文是用户利用 GPS 定位和导航所必须的基础数据。它主要提供了卫星在空间的位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要信息。这些信息是以二进制码的形式按规定格式编码，并按帧发给用户接收机，因此又称之为数据码(D 码) 。导航电文的传输速率为 50bits，以“帧”为单位向外发送。每帧的长度为 1500
13、bit，播发完21一个主帧需 30s。一个主帧包括 5 个子帧。每个子帧均包含 300bit，播发时间为 6s。每个子帧又可分为 10 个字，每个字都由 30bit 组成。其中第四、五两个子帧各有 25 个页面，需要 750s 才能将 25 个页面全部播发完。第一、 二、三子帧每 30s 重复一次，其内容每隔 2h 更新一次。第四、五子帧每 30s 翻转一页，12.5min 完整地播发一次，然后再重复。其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。卫星电文的基本构成如图 27 所示。图 27 导航电文的组成在每帧导航电文中，各子帧电文的主要内容如图 27 所示，下面介绍电文各部分的基本含义。4.
14、1 遥测码(telemetry word，TLW)遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据的状态。遥测码的 l8bit 是同步码(10001001)，为各子帧编码脉冲提供一个同步起点，接收机将从该起点开始顺序解译电文。第922bit 为遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息及其他信息。第 23bit和第 24bit 是连接码，第 2530bit 为奇偶检查码，它用于发现和纠正错误。4.2 转换码(hand over word，HOW)转换码位于每个子帧的第二个字码。其作用是提供用户从捕获的 CA 码转换到捕获 P 码的Z 计数。 Z 计数值位于转换码的第 l17bit，
15、是从每周六周日零时起算的时间计数。因此，当知道了 Z 计数，即知道了观测瞬间在 P 码周期中所处的准确位置，这样便可迅速捕获 P 码。4.3 第一数据块第一数据块是位于第 1 子帧的第 310 字码，它的主要内容包括： (1)时延差改正 Tgd时延差改正 Tgd 就是载波 L1、L 2 的电离层时延差。当使用单频接收机时，为了减小电离层效应影响，提高定位精度，要用 Tgd 改正观测结果；双频接收机可通过 L1、L 2 两项频率的组合来消除电离层效应的影响，不需要此项改正。(2)数据龄期 AODC卫星时钟的数据龄期 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。AODCt 0cti (21)式中，t 0c 为数据块 I 的参考时刻；t i 是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间。(3)星期序号 WN10.sec.611 1542512.min30sec2311 98765432 10secTLWHO第一数据块修正参数第二数据块星历表 第三数据块卫星历书(1500bit) (37500bit)22WN 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。(4)卫星时钟改正GPS 时间系统是以地面主控站的主原子钟为基准。由于主控站主原子钟的不稳定性，使得GPS 时间和 UTC 时间之间存在差值。地面监控通过
