GPS信号格式和导航电文.ppt
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1、卫星导航原理及应用技术,北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室,秦 红 磊,电话:01082316491 Email:,GPS信号结构与导航电文 5.1 GPS信号结构 5.2 GPS卫星的导航电文,GPS卫星信号示意图,5.2 GPS信号结构,GPS信号,GPS的所有信号分量都是基于同一个频率产生的: 两种载波,即: GPS卫星信号的两种信号分量:测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的,且调制码的幅值只取0或1。,自相关特性,复制信号 接收机产生与卫星相同的信号。 伪距测量基本原理 利用一伪码延时锁相环路,使本地复制的跟踪伪码和接收到的伪码在码元上对齐,也即是在时间上对准,再将跟踪
2、伪码与本地的基准伪码进行比对,得到时间差。假如驱动本地伪码的用户GPS接收机时钟(简称站钟)和卫星中产生伪码的时钟(简称星钟)完全同步,则测得的时差即为电波自卫星到用户的传播延时,相应于获得卫星与用户之间的真实距离。若星钟与站钟不同步,则测得的距离中含有时间误差导致的不精确成分,此时的距离称为伪距。,GPS信号,粗测距码(C/A码) 伪噪声码的长度周期:1023bit 码元宽度:约为293.1m 伪噪声码的重复周期:1ms 时钟脉冲速率:1.023Mbit/s,精码(P码) 伪噪声码的长度周期:6.187bit bit 码元宽度:约为29.3m 伪噪声码的重复周期:7d 时钟脉冲速率:10.2
3、3Mbit/s 可以加密 反欺骗技术(A/S),GPS信号,导航电文 1500bit播发速率50bit/s 数据 广播星历(S/A) 卫星时钟校正(S/A) 历书数据 电离层校正数据 卫星健康状况,GPS信号,选择可用性技术(S/A) 人为地引入干涉信号,显著地降低非特许用户用GPS信号作实时导航定位测量时的精度。SA技术包括对GPS卫星基准频率所采用的技术,对卫星导航电文所采用的技术,对P码所采用的译密技术。 技术是将卫星的基准频率(10.23MHz)施加高频 抖动噪声信号。该信号使由基准频率派生出来的所有 信号都会出现高频抖动,从而造成测距误差和测速误 差。 技术是将卫星发送的GPS卫星轨
4、道参数人为地施加 一个慢变偏移,使广播星历精度由原来的15m左右降到 75m以上;达到降低用户定位精度的目的。,GPS信号,反欺骗技术(A/S) 它是将更加保密的W码与P码模二相加形成Y 码。使得非特许用户无法接收 载波上的P码。 更不能利用P码实行定位,也不能用P码和C/A码 的相位观测量进行联合测算。,伪距测量,如何将传送的信号进行编码 PRN码产生器 异或二进制函数 线性反馈寄存器 C/A码 P码 如何形成伪距测距 离散自相关技术,在 载波上,调制有C/A码、P码(或Y码)的数据码, 完整的信号结构为: 在 载波上,只用P码进行双相调制,其信号结构为:,最远的距离25785103,发射功
5、率为(14.3dBW14.7dBW),则接收机接收到的功率为-157.8dBW,如果考虑大气损耗,接收机接收到的信号最小为160dBW 一般条件下,GPS信号到达地面的强度大约为-130dBm/2MHz,室温下的热噪声大约为-111dBm/2MHz,因此,信噪比S/N为-19dB。另外一个表示信噪比的方法是载噪比C/N0(Carrier to Noise),其参考带宽为1Hz。室温下的热噪声为-174dBm/Hz,C/N044dB(-130+174)。在这个强度下,信号很容易被处理。,GPS卫星天线增益,GPS接收机接收功率,表 L1和L2导航卫星信号的功率预算 下表列出了对于BLOCKGPS
6、卫星来说导航信号功率预算标,此表来自Townsend,B-277-283。,GPS测距法,载波 f=1.5GHz =20cm 2mm 码元时间 t1s =300m 3m PRN码 t=1ms =300km 3km 数据位 t=20ms =6E3km 60km 遥测字(TLM) t=6s =2E6km 20 000km,GPS码发生器示意图,C/A码是用于跟踪、锁定和测量的伪随机码。它的码率是1.023MHz,周期为1ms,因而在一个周期中有1023个码位。它是由m序列优选对组合码形成的Gold码(G码)。 在上图中, 和 分别为两个10级线性移位反馈寄存器。两个移位寄存器于每星期日子夜零时,在
7、置“1”脉冲作用下全处于1状态,同时在码率1.023MHz驱动下,两个移位寄存器分别产生码长为 周期为1ms的两个m序列 和 。,C/A码,时间基准源产生的10.23MHz脉冲与1.5s周期的脉冲相互同步,以保证帧、子帧、C/A码、P码相互同步。其中 序列经过相位选择器,输入一个与平移等价的m序列,然后 与 模2和相加,便得到C/A码。,C/A码发生器,P码,P码的码率为10.23Mb/s,周期约为267天。它是用4个12位的移位寄存器的伪随机序列产生,这四个寄存器分别为 、 、 (图中简画为 )。两级12位移位寄存器构成一个伪随机码 ,两个移位寄存器形成周期为1.5s的m序列 。一周期的码位
8、数为:,另两级12位移位寄存器构成伪随机码 ,两个移位寄存器形成两个m序列。码率与 相同,但码位比 多37个码元,即码长为: 因此P码为: 其相应的码元数为: 相应的周期为:,在 中,可取0,1,2,36。这样可得到37种P码。在实际应用中,P码采用7天的周期,即规定在每星期六午夜零点置全“1”状态作为起始点,然后从中截取一段周期为7天的码,作为P码。一共取得37个P码。32个供GPS卫星使用,5个供地面监测站使用。这样保证GPS正常工作的唯一性。 因为P码的码长过长,所以,如果仍采用搜索C/A码的办法,来捕获P码,即逐个个码元依次进行搜索,当搜索的速度仍为每秒50码元时,那将是无法实现的(约
9、需 天)。因此,一般先捕获C/A码,然后根据导航电文中给出的有关信息,捕获P码。所以在不知道P码结构的情况下,是无法捕获P码。,P码发生器,5.3 GPS卫星的导航电文 导航电文简介,导航电文包括计算卫星位置的有关数据(卫星星历)、系统时间、卫星钟参数、C/A码到P码的转换字及卫星工作状态。卫星向用户提供,用户将其应用于导航解算。这些数据是以二进制码的形式发送给用户的,故卫星电文又称为数据码,或称之为D码。,电文的基本单位是长达1500bit的一个主帧,广播速率为50bit/s。每一主帧又分为五个子帧,每个子帧长度为6s,第1,2,3子帧各有10个字码,每个字码为30bit,第4,5子帧各有2
10、5个页面,共有37500bit,长达12.5min(如图1所示)。它们不像第1,2,3子帧那样,每30s重复一次,而需要长达750s才能够传送完毕第4,5子帧的全部信息量,亦即,第4,5子帧是12.5min才重复一次。这表明,一台GPS信号接收机获取一帧完整的卫星导航电文,需要750s。,GPS卫星电文的基本内容,标识码(如GPS星期序号等)、星钟数据龄期(AODC)、卫星时钟改正数等,GPS卫星星历(轨道参数等),第2532颗GPS卫星的历书、UTC和电离层改正参数、第2532颗GPS卫星的健康状况,第124颗GPS卫星的历书和健康状况,GPS导航电文的信息类别和形式,遥测字(TLM),每一
11、个子帧的第一个字码都是遥测字,作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步起点,使用户便于解释电文数据。具体码位如下:第18bit为前导码(10001011);第922bit为遥测电文,包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息,以此指示用户是否选用该卫星;第23、24bit无意义;第2530bit为奇偶校验码(如下图所示)。,转换字(HOW),每一个子帧的第二个字码是转换字,它的主要作用是在测距时向用户提供P码的子码自一星期开始的周期计数Z,以便于任一6s子帧结束时自C/A码转至P码捕获。第117bit表示Z计数,它实质上是子帧计数,记录子帧数目;第18bi
12、t是警示标记;第19bit是反欺骗标志(AS);第18,19位为00;第2022bit是子帧识别标记;第23、24bit无意义(00);第2530bit为奇偶校验码。,第一数据块,第一子帧的第3-10个字码为第一数据块。它的主要内容是:载波的调制波类型、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期、卫星时钟改正参数等。,字码3:周数WN(1-10bit):为Z计数的前十位,记录周数,从周 期开始的1980年1月6日零点开始计数。 用户测距精度URA(13-16bit):该颗卫星提供给未被授权用户 的测距精度(m)。这是为非特许用户设置的。 卫星的健康标记 (17-22bit):如果17位“=0”,表示所
13、有的卫星数据都是好的。如果17位“=1”,表示一些或者全部卫星数据都不健康;其它5位(18-22bit)是信号组成部分的健康标志位。其意义如下表所示:,IODC的2MSBs(23-24):与字码8的前八位一起来表示时钟数据龄期。GPS试验卫星的IODC只占8bit,而GPS工作卫星却扩展到了10bit。IODC是时钟改正数的外推时间间隔,它向用户指明了对卫星时钟改正数的置信度。且知: 式中, 计算时钟参数所作测量的最后观测时间; 第一数据块的参考时刻。 字码4: P码数据标志位(1bit)。,字码7:电离层延迟改正参数 (1724bit); 字码8:时钟校正的基准时刻 (924bit),单位为
14、秒; 字码9:频率误差变化率的多项式校准系数 (18bit); 频率误差的多项式校准系数 (924bit); 字码10:相位误差的多项式校准系数 (122bit)。,卫星时钟校正是将每颗卫星上的时钟修正为统一的GPS时。GPS是以时间差测量为基础的,其测量精度与卫星时钟的精度密切相关。卫星钟和接收机钟间的相对误差乘上光速就等于测距误差,因此在GPS测量中必须十分小心地消除各种时钟误差。 卫星时钟按照美国海军天文台(USNO)所维持的UTC由主控站进行遥控调整的(卫星钟的物理调整),可保证卫星钟与GPS时之间的误差(物理同步误差)在1ms之内。显然卫星钟的物理同步精度不能满足导航和定位的精度要求
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