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1、 1 GNSS信号结构 GNSS频谱分配 ARNS aeronauticsradionavigationservice RNSS radionavigationsatelliteservice GPS信号频谱分配 军用码 GPS信号和噪声的功率谱密度 噪声的特性 自相关函数 噪声的特性 互相关函数 伪随机码 伪随机码 自相关函数类似噪声 一组码序列u t 对于某个时刻t而言 码元是0或1完全是随机的 但其出现的概率均为1 2 这种码元幅值是完全无规律的码序列 称为随机噪声码序列 它是一种非周期序列 无法复制 但是随机噪声序列有良好的自相关性 GPS测距码就是利用了其自身良好的自相关性才获得成功
2、的 以13位巴克码为例 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1计算它的自相关函数 伪随机码 伪随机噪声码简称PRN PRN PseudoRandomNoise 码 是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串 它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征 而且具有某种确定的编码规则 它是周期性的 可人工复制的码序列 GPS信号中使用了伪随机码编码技术 识别和分离各颗卫星信号 并提供无模糊度的测距数据 GPS信号中的C A码和P码 都是由最长线性移位寄存器序列 简称m序列 产生的伪随机测距码 伪随机噪声码及其产生 伪随机码由多级反馈移位寄存器产生 这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组
3、成 每个存储单元只有 0 或 1 两种状态 并接收时钟脉冲和置 1 脉冲的驱动及控制 下面以一个四级反馈移位寄存器组成的m序列为例来说明 如下图所示 在时钟脉冲的驱动下 每个存储单元的内容 都按次序由上一级单元转移到下一单元 而最后一个存储单元的内容便为输出 同时 其中某两个存储单元 例如单元3和单元4的内容进行模二相加后 再反馈输入给第一个存储单元 伪随机噪声码及其产生 所谓模二相加 是二进制数的一种加法运算 常用符号表示 其运算规则如下 四级反馈移位寄存器示意图 当移位寄存器开始工作时 置 1 脉冲使各级存储单元处于全 1 状态 此后在时钟脉冲的驱动下 移位寄存器经历15种不同的状态 然后
4、再返回到 1 状态 从而完成一个周期 在四级反馈移位寄存器经历了上述15种状态的同时 其最末级存储单元输出了一个具有15个码元 且周期为15tu的二进制数码序列 称为m序列 tu表示时钟脉冲的时间间隔 即码元的宽度 一般来说 一个r级移位寄存器所产生的m序列 在一个周期内其码元的最大个数 与此相对应 这时m序列的最大周期为 式中 Nu也称为码长 由于移位寄存器不容许出现全 0 状态 因此2r 1码元中 1 的个数总比 0 的个数多一个 这样 当两个周期相同的m序列其对应码元完全对齐时 自相关系数R t 1 而在其他情况则有 当r足够大时 就有R t 0 所以 伪随机噪声码与随机噪声码一样 具有
5、良好的自相关性 而且是一种结构确定 可以复制的周期性序列 GPS信号接收机就是利用这一特征使所接收的伪随机噪声码和机内产生的伪随机噪声码达到对齐同步 进而捕获和识别来自不同GPS卫星的伪随机噪声序列 卫星和接收机产生同样的码卫星信号到达接收机后 接收机检查信号经过多长时间到达接收机 由于受GPS卫星至用户GPS接收机的路径信号传播延迟的影响 被接收的伪随机码和复制的伪随机码之间产生了平移 如果通过一个时间延迟器来对复制的伪随机码进行移动 使两者的相关函数值为1 则可以从时间延迟器中测出对齐码元所用的时间 从而可以较准确地确定由卫星到接收机的距离 由此可知 伪随机序列的良好的自相关特性 对于利用
6、GPS卫星的测距码进行精密测距是非常重要的 C A码和P码的码相位分配和码序列初始段 C A码和P码的码相位分配和码序列初始段 PRN 1的C A码产生 由于伪随机码之间的互相关函数非常小 因此每个伪随机码都可以看成一个唯一的标识信息 ID 并且可以和其他伪随机码区分开来 请大家联想一下之前讲过的定位系统的六条要求 Go 卫星导航信号调制方式 BPSK信号 QPSK信号 卫星导航信号调制方式 L1C A码的功率谱 GPS信号和噪声的功率谱密度 接收信号的功率谱 解扩之后的功率谱 小结 GPS采用扩频信号的目的 伪码是不同卫星信号的标识拓宽频带使得卫星发射的信号功率不必很高在GPS接收机端 扩频
7、伪码的码片相位为定位提供了必要的测距信号 GPS卫星信号结构 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 概述 GPS卫星信号的组成部分载波 Carrier L1L2测距码 RangingCode 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 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 概述 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 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 GPS卫星的基准频率 载波 作
8、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 154 f0 1575 43MHz 波长 19 03cmL2 频率 120 f0 1227 60MHz 波长 24 42cm现代化后增加L5 频率 115 f0 1176 45MHz 波长 25 48cm 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 载波 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 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 载波 测距码 作用测距性质为伪随机噪声码 PRN PseudoR
9、andomNoise 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 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 测距码 测距码 类型目前C A码 Coarse AcquisitionCode 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 PreciseCode 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 全球定
10、位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 测距码 卫星 导航 电文 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基本结构 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星 导航 电文 基本内容 卫星 导航 电文 卫星 导航 电文 遥测字 TLM TelemetryWord 每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导交接字 HOW HandOverWord 每一子帧的第2个字主要内容 Z计数 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星 导航 电文 卫星 导航 电文 第一数据块第1子帧的第3 10个字内容 WN GPS周L2所调制测距码标识符 10 表示C A
11、码 01 表示P Y 码传输参数N URATGD 信号在卫星内部的时延星钟数据龄期AODC星钟改正参数a0 钟偏 a1 钟速 a2 钟漂 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星 导航 电文 卫星 导航 电文 第二数据块第2 3子帧的第3 10个字内容该发送信号卫星的星历 广播星历星历参数 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星 导航 电文 卫星 导航 电文 第三数据块第4 5子帧的第3 10个字内容 所有卫星历书 概略星历 第三数据块的内容每12 5分钟重复一次 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星 导航 电文 星历参数详解 星历参数详解 星历
12、参数详解 星历参数详解 卫星信号的调制 模二和运算规则二进制信号 1 表示二进制 0 1 表示二进制 1 则 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星信号的调制 卫星信号的调制 二进制信号的相位调制 调频FM 调幅AM 调相PM 注 其它调制方式 全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构 卫星信号的调制 GPS卫星信号的调制示意图卫星信号的调制原理 卫星信号的调制 GPS卫星位置的计算 根据广播星历计算卫星位置 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 GPS卫星位
13、置的计算 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 GPS卫星位置的计算 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 GPS卫星位置的计算 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 GPS卫星位置的计算 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 GPS卫星位置的计算 根据广播星历计算卫星位置 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 2004115000 00000000P15945 509
14、63515759 60840420698 949374324 533285P21141 10111122665 35998914690 489309 257 156064P3 10344 44706824021 826531 3968 23332577 825932P422798 349665 6520 82087212310 795279 43 522805P5 12628 924903 23445 674881 1192 03679113 422888P6 13958 380086 7542 10349721489 237683 2 952584P718939 291158 12511 0
15、28058 13257 166627635 667094P826246 825668 918 226411 5165 342142383 670428 GPS卫星位置的计算 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 GPS卫星位置的计算 根据精密星历计算卫星位置 改进后系统的总结 把系统的基本要求进行抽象 得到结论 需要若干个参考点 且参考点坐标已知这些参考点要发射某种信号 这些信号有唯一的标识信息 ID 以和其他参考点的信号区分开来参考点连续发射信号 该信号可以被用户的接收设备接收到每个参考点发送的信号和其他参考点在时间上严格同步用户接收到某参考点的信号后 可以从信号调制的信息知道此时此刻接收到的信号的准确发送时间用户自身有一个时钟 但无须非常准确 Back
