GPS(卫星信号)解析课件.ppt

学习要求,了解码的概念，了解随机噪声码的概念及其特征，理解GPS测距码的产生原理，理解GPS导航电文及其组成，掌握GPS卫星星历的概念，理解利用GPS卫星星历进行卫星坐标计算方法，了解卫星载波信号及其组成，了解美国的GPS政策。,学习要求 了解码的概念，了解随机噪声码的概念及其,GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，,它包含有：,数据码（导航电文）,测距码,载波,卫星时钟基本频率f0为10.23MHz，是产生上述三种信号的基础。,GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于,4.1 GPS卫星的测距码信号4.2 GPS卫星的导航电文4.3 GPS卫星星历4.4 GPS卫星的载波信号4.5 美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策,主要内容,4.1 GPS卫星的测距码信号主要内容,码的基本概念,码,码元,编码,表达信息的二进制数及其组合,将各种信息按某种规则表示为数码的过程,码组合中的每个二进制数均称作码元，单位是bit,数码率,数字化信息的传输速度，单位为bit/s或BPS,码长,一个周期内码元的最大个数，以Nu表示。,码元宽度,钟脉冲的时间间隔，以tu表示,因此一个码序列的周期为码长Nu与码元宽度tu的乘积，以Tu表示，即Tu=Nutu,4.1 GPS卫星的测距码信号,码的基本概念码码元编码表达信息的二进制数及其组合将各种信息按,自相关性,码序列的相关程度，用以比较码序列之间的结构，以相关函数R(t)表示，,码値相同的码元个数,码値相异的码元个数,结论,随机噪声码具有良好的自相关性。,码元值完全无规律的码序列。非周期、无法复制,码的基本概念,随机噪声码序列,4.1 GPS卫星的测距码信号,概念,特征一,特征二,自相关性 码序列的相关程度，用以比较码序列之间的结构，以相关,码的基本概念,伪随机噪声码,4.1 GPS卫星的测距码信号,具有随机噪声码的良好自相关性,特征一,具有周期性，可以复制，,特征二,伪随机噪声码由r级移位反馈寄存器产生，码长为,码的基本概念伪随机噪声码4.1 GPS卫星的,码的基本概念,输出,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,R(t)=-1/(2r-1)0,可见，伪随机噪声码具有良好的自相关特性，并且具有周期性，可以复制。,以四级反馈移位寄存器为例,1,1,1,1,钟脉冲,置“1”脉冲,1,1,1,1,伪随机噪声码,4.1 GPS卫星的测距码信号,0,码的基本概念输出状态编号各级状态末级输出 12013,由两个具有良好互相关特性的同族m码序列构成的哥尔德码（Gold Code）族。,r级移位寄存器只能产生码长为2r-1的m序列，然而实际应用中，往往需要各种不同码长序列。GPS卫星发播两种伪随机测距码：,由两个码长互素的m码组成模2和复码；,精密测距码p码,粗捕获码C/A码,GPS的测距码信号,4.1 GPS卫星的测距码信号,由两个具有良好互相关特性的同族m码序列构成的哥,C/A码产生原理,GPS的C/A码是由两个10级移位寄存器产生的m序列G1和G2，经模2和产生的复合码。,GPS的测距码信号,4.1 GPS卫星的测距码信号,码元对应的时间，为1/1023ms,G1与G2间相位偏置的码元数,C/A码是利用两个同周期、具有良好互相关特性的同族的m码序列，组成复合码序列族，称此为哥尔德码。这些码既具有良好的自相关特性，又具有优良的互相关特性。,C/A码产生原理 GPS的C/A码是由两个10级移位,C/A码是短码，易于搜索和捕获；并可据此捕获P码。,C/A码数字特征及其定位精度,GPS的测距码信号,4.1 GPS卫星的测距码信号,C/A码的数字特征,码长,Nu=2r-1=1023bit,码元宽度,对应长度L=ctu=293.1m,周期,Tu=Nutu=1ms,C/A码的精度,对应的测距误差可达29.3-2.93m,结论,C/A码精度较低，所以称其为粗码,(Coarse/Acquisition Code),由于钟脉冲频率f1=1/10f0=1.023MHZ，,码元宽度为,tu=1/f=0.97752s，,若两个序列的码元相关误差为码元宽度的1/101/100，,钟脉冲的时间间隔,C/A码是短码，易于搜索和捕获；并可据此捕获P码。C/A码数,P码产生原理,GPS的测距码信号,4.1 GPS卫星的测距码信号,GPS的P码是由两个12级移位寄存器产生的m序列X1和X2，组成的模2复合码。,ni为子码X2的延迟参数，规定取区间0,36的正整数。当ni取0、1、2、36时，就构成37个平移等价的P码。,P码的数字特征,码长,Nu=212-1=2.351014bit,码元宽度,对应长度L=ctu=29.3m,周期,Tu=Nutu=267d,由于钟脉冲频率f1=f0=10.23MHZ，,码元宽度为,tu=1/f=0.097752s，,P码产生原理GPS的测距码信号4.1 GPS卫星的测距码信号,P码的一周期分为38部分，每部分7天，码长约6.191012bit。,(Precise Code),P码的结构,GPS的测距码信号,4.1 GPS卫星的测距码信号,5部分由地面监控站使用，1部分闲置，其他32部分各分配给一颗卫星,每颗卫星所用P码结构不同，码长和周期相同,若以50码元/s的速度搜索，C/A码仅需20.5s，P码需14155天,P码的捕获方法是先捕获C/A码，根据导航电文中给出的相关信息捕获P码,P码的精度,约为0.29-2.93m,结论,P码精度高，称为精码，用于较精密的导航定位,P码码元宽度为C/A码的1/10，,引起的距离误差,P码结构保密，不供民用,P码的一周期分为38部分，每部分7天，码长约6.19101,C/A码和P码主要特征指标,C/A码和P码主要特征指标特征指标C/A码P码产生物理单元1,导航电文是以二进制码的形式按规定格式组成，以帧为单位向外播送，又叫数据码（D码）,导航电文基本单位为帧，一帧导航电文长1500bit，其传输速率是50bit/s，播发一帧电文的时间为30秒钟。,4.2 GPS的导航电文,概述,导航电文是用户进行定位和导航的数据基础,意义,概念,基本单位,导航电文是以二进制码的形式按规定格式组成，以帧为单位向外播送,重复与更新周期,第4、5子帧共25页，750秒重复一次，卫星注入新的导航数据后内容更新。,第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。,一帧导航电文含5个子帧，每个子帧10个字码，每个字码30bit电文，一子帧电文的持续播发时间为6s。,4.2 GPS的导航电文,第1、2、3子帧与第4、5子帧的每一页构成一帧电文，每25帧导航电文组成一个主帧。,重复与更新周期第4、5子帧共25页，750秒重复一次，卫星注,导航电文的组成,遥测码：表明卫星注入数据的状态,转换码：提供从C/A码转换到P码的Z记数,第一数据块:时延差改正、星期序号、卫星健康状况、数据龄、卫星时钟改正系数,第二数据块：卫星星历，提供有关卫星位置信息。,第三数据块：包含所有GPS卫星的历书数据，用于选星,4.2 GPS的导航电文,导航电文的组成遥测码：表明卫星转换码：提供从C/A第一数据块,载波L1、L2的电离层时延差。,从1980年1月6日世界协调时（UTC）子夜零点起算的GPS星期数为星期序号WN。,第一数据块,4.2 GPS的导航电文,时延差改正Tgd,星期序号WN,TDT,IAT,32.184s,GPST,1980,19s,4s,UTC,UT1,1987,1977.1.1,GPST,UTC,GPST与协调时（UTC）的时刻规定于1980年1月6日相一致。,卫星时钟改正,时钟龄期AODC,载波L1、L2的电离层时延差。 从1980年1月6日世界协调,卫星钟差,卫星钟速,卫星钟漂，即钟速变化率,第一数据块的基准时间,GPS卫星的时钟相对于GPS时间系统的偏差即为卫星时钟改正,时延差改正Tgd,星期序号WN,卫星时钟改正,时钟龄期AODC,第一数据块,4.2 GPS的导航电文,GPS时间系统以地面主控站的原子钟为基准,基准时间给出的卫星钟改正参数精度随时间的推移而下降,时钟改正数的外推时间间隔表明卫星时钟改正数的置信度,AODC=toct1,最近一次更新卫星钟改正参数的时间,卫星钟差卫星钟速卫星钟漂，即钟速变化率第一数据块的基准时间G,第二数据块,4.2 GPS的导航电文,开普勒轨道系数,轨道摄动参数,时间参数,（卫星星历）,a,e,i,fs,卫星轨道椭圆长半轴的平方根,卫星轨道椭圆偏心率,0,参考时刻t0的轨道面倾角,0,参考时刻t0的升交点赤经,近地点角距,参考时刻t0的平近点角,M0,第二数据块4.2 GPS的导航电文开普勒轨道系数轨道摄动参数,第二数据块,4.2 GPS的导航电文,开普勒轨道系数,轨道摄动参数,时间参数,（卫星星历）,M0=n(t0-),n,平均角速度改正数，即卫星运动的平均角速度与计算值之差,升交点赤径变化率（弧度/秒）,卫星轨道平面倾角的变化率,Crs和Crc,升交矩角的正余弦调和项改正的振幅（弧度），,轨道倾角的正余弦调和项改正的振幅（弧度），,Cis和Cic,卫星矢径的正余弦调和项改正的振幅（米），,Cus和Cuc,=2/T,第二数据块4.2 GPS的导航电文开普勒轨道系数轨道摄动参数,第二数据块,4.2 GPS的导航电文,轨道摄动参数,时间参数,（卫星星历）,升交点角距、卫星矢径和轨道面倾角的摄动改正项,从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe；,星历表的数据龄期AODE,预报星历测量的最后观测时间,预报星历的外推时间长度,第二数据块4.2 GPS的导航电文轨道摄动参数时间参数（卫星,4.2 GPS的导航电文,遥测码：表明卫星注入数据的状态,转换码：提供从C/A码转换到P码的Z记数,第三数据块：包含所有GPS卫星的历书数据，用于选星,第一数据块,时延差改正Tgd,星期序号WN,卫星时钟改正,时钟龄期AODC,第二数据块,开普勒六参数,轨道摄动九参数,时间二参数,参考时刻toe,星历表的数据龄期AODE,导航电文小结,=toct1,预报星历测量的最后观测时间,第一数据块的基准时间,预报星历测量的最后观测时间,4.2 GPS的导航电文遥测码：表明卫星转换码：提供从C/A,4.3 GPS卫星星历,GPS卫星星历的概念,描述卫星运动轨道的信息,根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。,GPS卫星星历的类型,预报星历,通过导航电文中的数据块直接发射给用户接收机，又称广播星历,后处理星历,由GPS系统的地面监控站通过磁带、网络、电传向用户提供，又称为精密星历。,对应某一时刻的卫星轨道参数及其变化率,4.3 GPS卫星星历GPS卫星星历的概念描述卫星运动轨道的,预报星历,相对某一参考历元的开普勒轨道参数,轨道摄动改正项参数,由地面监控站根据大约一周的观测资料计算而得，亦称参考星历,任意观测历元的卫星星历,限制预报星历外推时间间隔,跟踪站每天利用其观测资料计算卫星轨道参数的更新值并注入卫星，而卫星发射星历每小时更新一次,在摄动力作用下卫星实际轨道将偏离其参考轨道，并随观测历元增加,消除摄动力影响,4.3 GPS卫星星历,预报星历及其意义,预报星历相对某一参考历元轨道摄由地面监控站根据大约一周的观测,4.3 GPS卫星星历,精密星历及其特点,是一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，计算得到的卫星星历。,可以向用户提供在用户观测时间内的卫星星历，避免了星历外推的误差。,由于这种星历是在事后向用户提供的在其观测时间内的精密轨道信息，因此称为后处理星历或精密历。,不是通过GPS卫星的导航电文向用户传递，而是利用磁带或通过电视、电传、卫星通讯或互联网络等方式有偿地为所需要的用户提供的服务,精密星历概念,精密星历特点,4.3 GPS卫星星历精密星历及其特点 是一些国,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星轨道坐标确定,卫星天球坐标确定,卫星地球坐标确定,真近点角计算,卫星坐标计算,4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星轨道坐标确定卫星天球坐,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,知识回顾,平近点角Mk,开普勒方程Ms= E - esinE,偏近点角E,真近点角fk,真近点角计算,平均角速度,归化观测时间,平均角速度计算,归化观测时间,平近点角计算,偏近点角计算,真近点角计算,4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算知识回顾平近点角Mk开普勒,toe 星历表参考历元（秒），IODE（AODE）星历表数据龄期，M0 按参考历元toe计算的平近点角（弧度），n 由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），e 轨道第一偏心率（N）， 轨道长半径的平方根,平均角速度,（1）计算修正平均角速度n,开普勒第三定律：,卫星坐标计算,4.3 GPS卫星星历,真近点角计算,平均角速度计算,归化观测时间,平近点角计算,偏近点角计算,真近点角计算,toe 星历表参考历元（秒），平均角速度（1）计算修正平,toe星历表参考历元（秒），IODE（AODE）星历表数据龄期（N），M0按参考历元toe计算的平近点角（弧度），n由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），e轨道第一偏心率（N）， 轨道长半径的平方根,电文中给出的GPS卫星轨道参数是对应于参考历元toe 的，对于某观测历元t，必须确定其相对于参考历元的时间差值tk,（2）计算归化观测时间tk,平均角速度计算,归化观测时间,平近点角计算,偏近点角计算,真近点角计算,卫星坐标计算,4.3 GPS卫星星历,真近点角计算,toe星历表参考历元（秒）， 电文中给出的GPS卫,toe 星历表参考历元（秒），IODE（AODE）星历表数据龄期（N），M0按参考历元toe计算的平近点角（弧度），n由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），e轨道第一偏心率（N）， 轨道长半径的平方根,（3）计算观测时刻的卫星平近点角,M,Z,春分点,i,升交点,S,近地点,参考时刻,卫星坐标计算,真近点角计算,4.3 GPS卫星星历,平均角速度计算,归化观测时间,平近点角计算,偏近点角计算,真近点角计算,toe 星历表参考历元（秒），（3）计算观测时刻的卫星平,toe星历表参考历元（秒），IODE（AODE）星历表数据龄期（N），M0按参考历元toe计算的平近点角（弧度），n由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），e轨道第一偏心率（N）， 轨道长半径的平方根,按迭代方法进行解算,（4）计算观测时刻的卫星偏近点角,卫星坐标计算,4.3 GPS卫星星历,平均角速度计算,归化观测时间,平近点角计算,偏近点角计算,真近点角计算,真近点角计算,toe星历表参考历元（秒），按迭代方法进行解算 （,toe星历表参考历元（秒），IODE（AODE）星历表数据龄期（N），M0按参考历元toe计算的平近点角（弧度），n由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），e轨道第一偏心率（N）， 轨道长半径的平方根,（5）计算观测时刻的卫星真近点角,平均角速度计算,归化观测时间,平近点角计算,偏近点角计算,真近点角计算,4.3 GPS卫星星历,真近点角计算,卫星坐标计算,toe星历表参考历元（秒），（5）计算观测时刻的卫星真近,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星轨道坐标确定,卫星天球坐标确定,卫星地球坐标确定,卫星坐标计算,卫星地球坐标确定,卫星轨道坐标确定,轨道摄动参数确定,升交点角距确定,真近点角计算,4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星轨道坐标确定卫星天,0按参考历元toe计算的升交点赤径（弧度），i0按参考历元toe计算的轨道倾角（弧度），近地点角距（弧度），升交点赤径变化率（弧度/秒）， 轨道倾角变化率（弧度/秒,（6）计算升交距角,M,Z,春分点,i,升交点,参考时刻,近地点,观测时刻,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星坐标计算,卫星地球坐标确定,卫星轨道坐标确定,轨道摄动参数确定,升交点角距确定,0按参考历元toe计算的升交点赤径（弧度），（6）计算,Cuc升交矩角的余弦调和项改正的振幅（弧度），Cus升交矩角的正弦调和项改正的振幅（弧度），Crc卫星矢径的余弦调和项改正的振幅（米），Crs卫星矢径的正弦调和项改正的振幅（米），Cic轨道倾角的余弦调和项改正的振幅（弧度），Cis轨道倾角的正弦调和项改正的振幅（弧度）,（7）计算摄动改正项,u、r、i分别表示升角距角、卫星矢径和轨道面倾角的摄动改正,卫星地球坐标确定,卫星轨道坐标确定,轨道摄动参数确定,升交点角距确定,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星坐标计算,Cuc升交矩角的余弦调和项改正的振幅（弧度），（7）计算,（8）计算经摄动改正的升交距角、卫星矢径、轨道倾角,0按参考历元toe计算的升交点赤径（弧度），i0按参考历元toe计算的轨道倾角（弧度），近地点角距（弧度），升交点赤径变化率（弧度/秒）， 轨道倾角变化率（弧度/秒,开普勒第一定律,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星坐标计算,卫星地球坐标确定,卫星轨道坐标确定,轨道摄动参数确定,升交点角距确定,（8）计算经摄动改正的升交距角、卫星矢径、轨道倾角 0,（9）计算卫星在轨道坐标系中的位置,y,rk,x,升交点,近地点,k,xk,yk,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星坐标计算,卫星地球坐标确定,卫星轨道坐标确定,轨道摄动参数确定,升交点角距确定,若设该轨道坐标系的x轴指向升交点，则卫星在该坐标系统中的极角为升交距角k ,（9）计算卫星在轨道坐标系中的位置 yrkx升交点近地点,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星坐标计算,卫星地球坐标确定,卫星轨道坐标确定,轨道摄动参数确定,升交点角距确定,（10）计算观测时刻升交点经度,i,升交点,G,X,x,z,Lk,GAST,观测时刻t的升交点经度LK ,为该时刻的,升交点赤经,与格林泥治恒星时GAST,之差，即,和GAST为观测时刻t的对应值,0e按参考历元toe计算的升交点赤径（弧度）， 升交点赤径变化率（弧度 /秒），,GPS时间原点t（t的零时刻，周六午夜/周日子夜的交换时刻）的格林尼治恒星时,地球自转的角速率，为7.29211510-15（rad/s）,4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计算卫星地球卫,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星坐标计算,（10）计算观测时刻升交点经度,卫星地球坐标确定,卫星轨道坐标确定,轨道摄动参数确定,升交点角距确定,春分点,t时的零子午面,0e,t0e时的升交点,GAST,0,准经度,4.3 GPS卫星星历卫星坐标计算卫星坐标计算（10）计,（11）计算卫星在瞬时地球坐标系的位置,Z,i,G,X,Lk,由轨道直角坐标系o-xyz变换到瞬时地球坐标系O-XYZ，,=,然后绕Z（z）轴顺转角度Lk，使X轴与x轴重合。,应先绕轨道x轴顺转角度ik，使Z（z）轴重合，,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星坐标计算,卫星地球坐标确定,卫星轨道坐标确定,轨道摄动参数确定,升交点角距确定,（11）计算卫星在瞬时地球坐标系的位置 ZiGX升交点x,(12)计算卫星在协议地球坐标系的位置,GPS采用的协议地球坐标系为WGS-84坐标系,4.3 GPS卫星星历,卫星坐标计算,卫星坐标计算,卫星地球坐标确定,卫星轨道坐标确定,轨道摄动参数确定,升交点角距确定,(12)计算卫星在协议地球坐标系的位置GPS采用的协议地球坐,载波信号及其意义,4. 4 GPS载波信号,测距码（1.023Mbit/s）、导航电文（10.23Mbit/s）和导航电文（50Mbit/s）属于低频信号，难以传输,解决办法是发射一高频信号（载波），加载测距码和导航电文（调制信号），形成调制波。,GPS卫星采用L频带的两种不同频率的电磁波作为高频信号，分别称为L1载波和L2载波。,载波信号及其意义4. 4 GPS载波信号测距码（1.023M,载波，便于把卫星信号发送到地面,基准频率f0,1227.60MHz,10.23MHz,1575.42MHz,D 码(数码、导航电文),L1,L2,C/A,P,P,1.023MHz,10.23MHz,10.23MHz, 10, 154, 120,50BPS,载波信号组成,4.4 GPS载波信号,载波，便于把卫星信号发送到地面基准频率f01227.60MH,GPS卫星信号分量的波形特征指标汇总,4.4 GPS载波信号,GPS测距信号测距码载波C/A码P码L1L2频率f0.1f0,当载波与码状态+1相乘时，其相位不变，而与码状态-1相乘时，其相位改变180。所以当码值从0变1或从1变为0时，都将使载波相位改变180。,信号调制,4.4 GPS载波信号,调制信号的表达形式,信号序列u 码值 0 1,信号波形u(t) 码状态 +1 -1,相位跃迁,当载波与码状态+1相乘时，其相位不变，而与码状态-1相乘时，,（4）信号调制,L1载波,C/A码,电文,P码,L2载波,振荡器,+,=90,+,L1调制波,L2调制波,信号调制,4.4 GPS载波信号,（4）信号调制L1载波C/A码电文P码L2载波振荡器+=,4.5 美国的GPS政策,原则,保障美国的国家利益不受损害,统一的时间基准和坐标系统,为战略武器与空间防御提供测绘保障,海、陆、空三军的协同作战,导弹与飞机制导能力,统一的导航系统,4.5 美国的GPS政策原则保障美国的国家利益不受损害统一的,4.5 美国的GPS政策,制定限制政策,Selective Availability技术,对卫星轨道参数加干扰（低频 长周期，慢变化）,对卫星基准频率加干扰（高频，短周期，快变化）,Anti-Spoofing反电子欺骗 技术,P码+W码(保密)=Y,4.5 美国的GPS政策制定限制政策Selective Av,4.5 美国的GPS政策,SA技术对定位的影响,降低单点位精度,降低长距离相对定位的精度,对高精度相对定位数据处理有影响,PPS：精密定位业务,SPS：标准定位业务,双用途服务,SA技术的影响,4.5 美国的GPS政策SA技术对定位的影响降低单点位精度降,4.5 美国的GPS政策,GPS用户的反限制措施,建立GPS卫星测轨系统,发展本国和区域性卫星定位系统,研究GPS定位方法,4.5 美国的GPS政策GPS用户的反限制措施建立GPS卫星,