GPS卫星信号构成与传播.ppt

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1、GPS定位的基本观测量是 观测站 （ 接收机天线 ） 到 GPS卫星的 距离 （ 时间 ） 。 GPS观测更象一种 距离测量 距离测量分为 几何量距 ： 直接对被测距离进行量测 物理量距 ： 不直接测定被测距离 ， 而测量与被测距离有 关的某些物理量 ， 间接测量待测距离 。 如电磁波测距 GPS测距方式与常规电磁波测距相似 ， 属于 物理量距 第四章 GPS卫星信号的构成与传播 主要内容： 4.1 电磁波测距原理 4.2 GPS的测距码信号 4.3 GPS信号传播误差 4.4 GPS卫星的导航电文 电磁波测距： 利用电磁波反射原理测量距离 20世纪 80年代后 ， 电磁波测距技术以 高精度

2、、 高效率 、 低成本 等优点 ， 逐渐取代传统测距手段 ， 成为当前主流测距技术 电磁波测距技术种类较多 ， 按不同的方式可分成不同的类 按载波种类： 单载波 、 双载波和多载波 按信号调制类型： 微波和光波调制 按测程长短： 短程 （ =3km） 、 中程 （ 315km） 和远程 （ =15km 按观测方式分 脉冲测时 、 测相 （ 相位法 ） 、 测频 、 频分多路测相 、 多 谱勒计数等 4 1 电磁波测距的原理 脉冲测距基本原理 ：测距仪的脉冲发生器发射的光脉冲以调 幅方式调制在光波上 ， 经调制后的光脉冲分成两个部分 ， 一 部分直接进入接收光学系统 ， 经由光电元件转化为电脉冲

3、 ， 作为参考脉冲 （ 也称 主波脉冲 ） ；另一部分发射后经被测目 标反射后进入接收光学系统 ， 再由光电元件转化为电脉冲 ， 成为反射脉冲 （ 也叫 回波脉冲 ） 4 1 1 脉冲法测距 只要测定反射脉冲 和参考脉冲之间的时 间差 t 就可确定到 反射目标之间的距离 脉 冲 法 测 距 如何确定 t ？ 时标脉冲 ：测距仪的时标震荡器产生的稳定频率的电脉冲 ， 又称 钟脉冲 测距之前 ， 门电路是关闭的 ， 时标脉冲不能通过门电路进入 脉冲计数器 。 测距时 ， 光脉冲发射的一瞬间 ， 主波脉冲 把门 电路 “ 打开 “ ， 时标脉冲通过门电路进入脉冲计数器 ， 脉冲 计数器开始计数 时差

4、 t 的测定 当回波脉冲经由被测目标 反射回测距仪时 ， 又把门 电路 “ 关闭 ” ， 脉冲计数 器停止计数 利用 t 可求出待测距离为 tvd 21 其中 d为被测距离， V为光速 假设这期间有 n个脉冲进入脉冲计数器，每个脉冲的时间间 隔为 T，则 nTt 脉冲式测距使用方便 ， 作业效率高 ， 但精度相对较低 20世纪 80年代后 ， 随着 锁模激光 等新技术的问世 ， 脉冲式 测距仪精度大为提高 ， 某些型号的测距仪精度已达 毫米 级 水平 ， 与相位式测距仪基本相当 4 1 2 相位法测距 1、 相位法测距的基本原理 2、 确定 N值的方法 1、相位法测距的基本原理 相位测距基本原

5、理 由载波光源发出的光信号通过调制器进行调制 ， 输出光强 随高频信号变化的调制光波 ， 射向被测目标 。 与此同时 ， 高频信号发生器也向混频器 A发出相同频率的 参考信号 ， 调制光波经由被测目标反射后回到接收装置 ， 接着又进入 混频器 B， 成为 测距信号 由此 ， 只要 比较参考信号和 测距信号之间的相位移 ， 就 能得出被测距离 如果把调制光在被测距离 上往返路程拉直 ， 则有如 图所示的波形 由图知，调制光在被测距离往返的相位差为 (3-5) 假设调制信号波长为 ，则被测距离为 2.N （ 4-4） )2(2 Nd （ 4-5） 在相位测距中 ， 可以直接测定 ， 而 N不能直接

6、测量 。 这 样一来 ， 距离值将无法唯一确定 2 为不足一周的波数 式中 N为相位差 整周数 （ 整周波数 ） ， 由 知，如果调制信号足够，使 （称测尺长 度）超过待定距离 d，即 ，则 N=0。则 d 为 2 确定 N值的方法 （ 4-6） 2.2 d 要唯一确定距离值 ， 必须选择较长的测尺 ， 但仪器的测相精 度有限 （ 假设为 10-3） ， 如表所示 ， 测距误差随着测尺长度 的增加而扩大 ， 测程越长测距精度越低 测尺频率 15MHz 1.5MHz 150kHz 15kHz 1.5kHz 测尺长度 10 m 100m 1km 10km 100km 测距精度 1cm 10cm 1

7、m 10m 100m )2(2 Nd 2 d2 为了解决测程和精度之间的矛盾 ， 可选用一组测尺 （ 两个 或两个以上不同波长的调制光 ） 共同测距 ， 以长测尺来确定 大数 ， 以短测尺来保证精度 。 如测量长度为 767.68m， 可选用两把测尺分别为： 和 用 得到不足 1000m的尾数为 767m， 用 可得到不 足 10m的尾数为 7.68m， 两者结合起来可得到 767.68m。 既能保证测程足够长 ， 又能保证相当的测距精度 相位式测距仪一般采用红外光作为载波 ， 精度可达 0.510mm m1 0 0 021 m1022 1 2 4 2 GPS的测距码信号 GPS卫星发射的信号

8、包括 载波信号 、 P码 （ 或 Y码 ） 、 C/A码和 数据码 （ 或 D码 ） 等多种信号分量 P码和 C/A码 统称为 测距码 C/A码称 粗码 ， P码称 精码 ， 皆属伪随机噪声码 GPS卫星信号的产生 、 构成和复制等 ， 都涉及到现代数字通 信理论和技术方面的复杂问题 ， GPS用户一般可以不去深入研 究 ， 但了解其基本概念 ， 对理解 GPS定位原理仍是必要的 4 2 1 伪随机噪声码 4 2 2 C/A码和 P码 4 2 1 伪随机噪声码 1 几个与码有关的基本概念 2 随机噪声码及其相关性 3 伪随机噪声码及其产生 1 几个与码有关的基本概念 码 ：现代数字通信中 ，

9、为表达各种不同信息 ， 广泛采用二 进制数及组合 ， 这种表达不同信息的二进制数组合 ， 称 码 编码 ：将文字 、 图象 、 声音等信息 ， 按照一定规则表示为 二进制数组合的这个过程 通过 编码 可将各种信息转变为相应的文本 、 栅格图象 、 矢 量图形 、 音频 、 视频等具有固定格式 ， 便于 存储 、 编辑 、 传 播和显示输出 的数字信息集合 。 比特 ：一位二进制数为一个比特或一个码元 比特率 ：在信息传播中 ， 每秒传输的比特数 ， 又称 数码率 单位是 bit/s或 bps 表示 比特和比特率都是码的基本单 位 随机噪声码的概念 码是一种二进制数组合的数字序列，它可表达为取值

10、 为 0或 1的时间函数 u(t) 设一组码序列 u(t)，在任意时刻，码元为 0或 1完全是 随机的，概率均为 1/2。 这种完全无规律的码序列就称为 随机噪声码 随机噪声码的特点 不可复制、非周期性的码序列，具有良好的自相关性 相关性好坏，对提高 GPS卫星码信号测距精度，极其重要 2 随机噪声码及其相关性 3、伪随机噪声码 随机噪声码具有 良好的自相关性 ， 但 它是一种 非周期序列 ， 不服从任何编码规则 ， 实际中 无法复制和利用 GPS系统采用了一种 伪随机噪声码 （ Pseudo Random NoisePRN） 简称 伪随机码或伪码 伪随机码 的特点：具有随机码的良好自相关性

11、， 又具有某 种确定的编码规则 ， 是周期性的 ， 容易复制 GPS的测距码 C/A码和 P码 均是 伪随机噪声码 4 2 2 C/A码和 P码 C/A码 码长短 ， 共 1023个码元 ， 易于捕获 ， 且通过 C/A码提 供的信息容易捕获 P码 ， C/A码通常也称 捕获码 C/A码 码元宽度大 ， 假设两序列码元对齐误差为码元宽度的 1/101/100， 则相应的测距误差为 29.32.93m。 精度低 ， 又称 粗码 。 现代科技的发展 ， 使得测距分辨率大大提高 C/A码 ：是用于 粗测距和捕获 GPS卫星信号 的伪随机码 ， 在 频率为 1.023MHz钟脉冲驱动下 ， 由两个 1

12、0级反馈移位寄存 器相组合而产生的 。 基本参数如下 码长 码元 码元周期 （相应距离为 293.1m，码元宽度） st u 9 7 7 5 2.0 周期 msTu 1 数码率 =1.023Mbit/s 102312 10 uN P码产生的基本原理与 C/A码相似，是在频率为 10.23MHz钟脉 冲的驱动下，由两个 12级移位寄存器相组合产生的 基本特征参数 P(Y)码 码长 141035.2 uN 码元 码元周期 (宽度 ) （相应距离为 29.3m） stu 097752.0 周期 天267 uT 数码率 =10.23Mbit/s P码频率更高，码元周期较小，假如码序列对齐误差为码元 宽

13、度 1/101/100，则相应的测距误差为 2.930.29m，这个误 差为 C/A码的 1/10，故 P码又称 精码 P码码序列太长，实际中通常是先捕获 C/A码，再根据导航电 文提供的信息来确认当前 P码信号在整个码序列中的位置 GPS信号到达接收机天线之前要穿过若干大气层 。 由于大 气影响 ， 将改变电磁波 传播方向 、 速度和状态 ， 这种现 象称 大气折射 。 大气折射包括 :电离层和对流层折射 此外 ， GPS信号在传播过程中还受到 多路径效应 的影响 卫星信号在 传播过程 中所产生的误差主要有： 电离层折射 对流层折射 多路径误差 4 3 GPS信号传播误差 大气对流层对电磁波

14、传播的折射效应称为 对流层延迟 。 包括 对流层和平流层 的共同影响 ， 但由于折射的 80%都在对 流层 ， 因此统称为 对流层延迟 目前降低对流层影响的方法有： 定位精度要求不高时 ， 忽略不计 采用 对流层改正模型 加以改正 引入描述对流层的 附加待估参数 ， 在数据处理中求解 观测量求差 ， 利用相对定位中测站间对流层延迟的相关 性来削弱影响 一、对流层折射 大气电离层对电磁波传播的折射效应称为 电离层延迟 取决于 信号频率 和传播路径上的 电子总量 削弱电离层影响的措施 利用双频观测 ： 电离层影响是信号频率的函数 ， 利用不 同频率电磁波信号进行观测 ， 可确定其影响大小 ， 并对

15、 观测量加以修正 。 其有效性不低于 95% 利用电离层模型加以修正 ： 对单频接收机 ， 一般采用由 导航电文提供的或其它合适的电离层模型对观测量进行 改正 。 目前模型改正的有效性约为 75%， 仍在完善中 利用同步观测值求差 (差分改正 )： 当观测站间的距离较 近 （ 小于 20km） 时 ， 卫星信号到达不同观测站的路径相 近 ， 通过同步求差 ， 残差不超过 10-6 二、 电离层折射 三、多路径效应（ Multipath） 多路径效应： 也称 多路径误差 ， 是指接收机天线除直接收到 卫星发射的信号外 ， 还可能收到经天线周围地物一次或多次 反射的卫星信号 ， 两种信号迭加 ，

16、将使观测量产生误差 。 这 种现象称为 多路径效应 预防多路径效应的措施 多路径效应在一般反射环境下 ， 对测码伪距的影响达 米 级 ；对测相伪距影响达 厘米级 ；高反射环境中 ， 影响显 著增大 ， 且常导致卫星信号 失锁 和产生 周跳 预防多路径效应的措施 安置接收机天线的环境应避开较强反射面， 如水面、 平坦光滑的地面和建筑表面 选择造型适宜且屏蔽良好的天线， 如扼流圈天线 适当延长观测时间，削弱周期性影响 有针对性改善接收机内部电路设计，减弱多路径效 应影响 4 4 GPS卫星的导航电文 导航电文 （ Navigation Message） 又称为 数据码 （ Data Message

17、） ， 是用户用来定位和导航的数据基 础 。 它是 一组包含 卫星星历 、 卫星工作状态 、 系统时 间 、 时钟改正参数 、 轨道摄动改正 、 电离层折射参数 等信息的 二进制码 。 是 GPS实现定位所必须的信息 4 4 1 导航电文的格式 导航电文 是具有一定规则格式的 二进制码 ， 按帧向用户广播 每帧电文有 1500bit， 播送速度 50bit/s， 每帧播送时间 30s 每帧电文包括 5个子帧 ， 每个子帧有 300bit， 播发时间为 6s 子帧 4、 5各包含 25页 ， 记载多达 25颗卫星 ， 子帧 1、 2、 3与 子帧 4、 5的每一页 ， 均构成完整的一帧 子帧 1

18、、 2、 3的内容每小时更新 ， 子帧 4、 5内容仅在卫星注 入新信息后才更新 导航电文全部播发完毕需要 12.5min 每个子帧长 6秒 ， 含有 10个字 ， 每个字占 30bit 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 30s 6s 0.02s 0.6s 子帧 4、 5各含 25页 一个子帧 一个主帧 一个字码 1500bit 300bit 30bit 导航电文的格式 4 4 2导航电文的基本内容 一帧导航电文的内容 TLW HOW 数据块 -时钟修正参数 TLW HOW 数据块 -星历表 TLW HOW 数据块 -星历表（续） TLW HOW 数据块 -卫星历书

19、等 TLW HOW 数据块 -卫星历书等 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 交接字 遥测字 4 5 GPS卫星信号的构成 GPS卫星信号包含 三种信号分量 ： 载波信号 、 测距码和数据码 （ 导航电文 ） 信号分量都在同一个基本频率 f0=10.23MHz控制下产生 基本频率 10.23MHz L1载波 1575.42MHz L2载波 1227.60MHz C/A码 1.023MHz P码 10.23MHz P码 10.23MHz 数据码 50BPS 数据码 50BPS 154 120 10 204600 GPS卫星信号结构 习题 1.简述脉冲测距法的基本原理 2.简述载波相位测量的基本原理 3.GPS卫星信号包括哪些信号分量 ， GPS测距码有哪两种 ？ 4.GPS信号传播误差有哪些 ？ 什么是多路径效应 ？ 5.什么是 GPS的导航电文 ？ 一帧导航电文包含多少 bit? 每帧电文包括几个子帧 ？ 全部导航电文包含多少帧 ， 需要 播发多长时间 ？