1 / 95

第三章 GPS 信号结构与 GPS 接收机

第三章 GPS 信号结构与 GPS 接收机. GPS Original Design. Started development in the late 1960s as NAVY/USAF project to replace Doppler positioning system Aim: Real-time positioning to < 10 meters, capable of being used on fast moving vehicles.

onan
Download Presentation

第三章 GPS 信号结构与 GPS 接收机

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第三章 GPS信号结构与GPS接收机

  2. GPS Original Design • Started development in the late 1960s as NAVY/USAF project to replace Doppler positioning system • Aim: Real-time positioning to < 10 meters, capable of being used on fast moving vehicles. • Limit civilian (“non-authorized”) users to 100 meter positioning through the use of Selective Availability (SA).

  3. GPS Design • Innovations: –Use multiple satellites (originally 21,now 28) –All satellites transmit at same frequency • –Signals encoded with unique code” bi-phase , quadrature code” generated by pseudo-(designated by PRN, PR number): spectrum transmission. –Dual frequency band transmission: L1 ~1.5 GHz, L2 ~1.25 GHz

  4. §3.1 GPS卫星信号结构 一、概述 • GPS系统信号包含多种信号码流 • 信号码流是伪随机序列噪声码 • 信号码流采用扩频调制 • 卫星利用双载波发射信号 • 系统为码分多址体制

  5. 噪声码是因为它们具有与白噪声相似的形态。 • GPS系统码中的一种用于精密测距的P码，一种用于粗略测距的C/A码，一种是电文码，电文码包含星历等多种数据。 • P码、C/A码均是由不同的2个m序列伪码复合构成。 • P码、C/A码均具优良自相关性能。 • 正交2PSK调制。

  6. 204600 基本频率 10.23MHz 10 L1载波 1575.42MHz C/A码 1.023MHz P码 10.23MHz 数据码 50BPS 154 P码 10.23MHz 数据码 50BPS L2载波 1227.60MHz 120 GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生，GPS卫星信号示意图如下

  7. 概述 • GPS卫星信号的组成部分 • 载波（Carrier） • L1 • L2 • 测距码（Ranging Code） • 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），并区别为P1与P2电码 • 卫星（导航）电文（Message） • GPS卫星信号的生成 • 关键设备 – 原子钟

  8. 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

  9. GPS信号频率关系表：

  10. 载波① • 作用 • 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：19.03cm • L2 – 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

  11. GPS现代化计划更新阶段（2000~2010） • 根据1996年美国的总统决定建立了国防部和交通部组成的联合管理GPS事务局（IGEB），在IGEB的主持下于1997、1998年期间讨论了增加GPS民用信号，从而改进民用和商用目的的GPS状况，并与空军已经开始的计划相结合，形成了更新GPS运行要求的文献ORD（Operational Requirements Document），其内容即为目前的GPS现代化计划，并于1999年1月由美国副总统戈尔以“GPS现代化”的名称发布通告，其具体实施是以2000年5月2日取消SA政策为标志。 • GPS现代化的主要目的有三点：保护美国及其盟军的军用服务，防止敌方使用，保持并增强民用服务。

  12. 表 GPS现代化

  13. GPS现代化实施之前 2003年以后 L2增加C/A码 2005年以后 增加L5,M码 图1 GPS信号结构 图 GPS信号结构

  14. 载波② • 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）

  15. 卫星信号的调制① • 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

  16. 卫星信号的调制② • 二进制信号的相位调制 注：其它调制方式 调相PM 调频FM 调幅AM

  17. 卫星信号的调制③ • GPS卫星信号的调制 • 示意图 • SiL1(t)＝AP(Pi(t) ⊕Di(t))cos(ωL1t＋ψ1)＋Ac(Ci(t) ⊕ Di(t))sin(ωL1t＋ψ1) • SiL2(t)＝BP(Pi(t) ⊕ Di(t))cos(ωL2t＋ψ2) • AP、AC和BP分别为载波L1(1575.42MHz)和载波L2(1227.6 MHz)的振幅； • Pi(t) 、Gi(t)和Di(t)分别为第i颗GPS的P码、C/A码和D码； • ωL1、ωL2分别为载L1、L2的角频率； • ψ1、ψ2分别为第i颗GPS卫星的载波L1、L2的初相。 • SiL1(t)、 SiL2(t) 共用天馈发射

  18. 2.卫星信号的解调 卫星信号的解调关键在于恢复相干载波（相位），可通过以下两种解调技术来恢复载波（相位）： （1）复制码与卫星信号相乘： 由于调制码的码值是用1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码信号完全相同的测距码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。 但此时恢复的载波尚含有数据码即导航电文。这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构，以便产生复制码。

  19. （2）平方解调技术： 将接收到的卫星信号进行平方，由于处于+1、-1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。 采用这种方法，可不必知道调制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文。

  20. 二、GPS信号特点 1、载波选用L波段的两个频率 L1＝1575.42M ；波长19.03cm L2＝1227.6M ；波长24.42cm • L波段电离层延时影响小（窗口频率） ，信道带宽分配容易实现 • 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） • GPS采用码分多址方式 每颗星共用该2个频率不会造成混淆干扰，设备收发部件可以统一互换，利于生产、维护。

  21. 测距码 2、采用伪随机噪声码测距技术抗干扰性和保密性好 • 作用 • 测距 • 性质 • 为伪随机噪声码（PRN － Pseudo Random Noise） • 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

  22. Pseudo Random Noise Code Time Difference Satellite PRN Receiver PRN

  23. 假设GPS卫星发射的是一个随机码序列u(t)，而GPS接收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列u(t) 由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的u(t)与u(t)之间产生了平移，即相应的码元错开，因而自相关系数R(t) 0 如果通过一个时间延迟器来调整u(t)，使之与u(t)的码元相互完全对齐，即有R(t) =1。则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而准确测定站星距离。

  24. 3、采用二级调制技术 • 这是一个扩频调制过程。 • D码通过模2和运算扩散调制到C/A码和P码上，其50bit/s的低速扩频为C/A和P相等速率的码速上了。 • D码扩频调制在P码上后，频谱扩展了很多，根据扩频通信理论，对扩频信号接收有下列改善关系： (S/N)出＝(S/N)入·（Δf/ΔF） ΔF：原信号频谱 Δf：扩频后频谱 • 可见相关接收输出信噪比提高了（Δf/ΔF）。 • D码调制到C/A码和P码上是采用伪随机码序列方式扩频编码通信方式，具有白噪声性质，可抗干扰，提高保密性，能做到低信噪比接收。 • 节约卫星电能

  25. 三、GPS信号编码

  26. 1．伪随机噪声码及其特点 • GPS信号都采用伪随机码序列编制或调制。 • 采用伪随机码序列是因为伪随机码具有良好自相关性。 • 伪随机码序列是GPS系统中采用伪码测距的基础。 • GPS系统中采用m序列伪随机码还可以截短和复合加长。 • 例如一个码长为LPa伪随机序列码，和一个码长为LPa伪随机序列码，复合码后的复合码长便为： LPX＝LPa·LPb • 复合码可大为改善自相关特性，缩短寻找自相关的时间。 • 所以GPS系统信号码都采用复合形成的伪随机序列编码。

  27. 2.GPS的测距码 GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。 （1）C/A码： GOLD（哥尔德）码，是由两个10级反馈移位寄存器组合（模2和）而产生。 码长Nu=210-1=1023比特 码元宽为tu=1/f1=0.97752s,（ f1为基准频率f0的10分之1，1.023 MHz）,相应的距离为293.1m。 周期为Tu= Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。 • 波长为299.792Km;因此用C/A码测距在300Km内无模糊度问题。 C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。 码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码。

  28. C/A码（粗码）

  29. （2）P码 P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。 发生电路采用的是两组各由24级反馈移位寄存器产生的截短码。 码长Nu2.351014比特 码元宽tu=1/f0=0.097752s，相应的距离为29.3m。 周期为Tu= Nutu 267天(38周)，数码率为10.23Mbit/s P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分成38部分，（每一部分为7天，码长约6.19 1012比特） 其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同 P码的捕获一般先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。 P码的码元宽度为C/A码的1/10，码元对齐精度约为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。

  30. P码优点 • ①码周期很长，不易破译，利于保密。 • ②每个卫星独用一个时区，可充分利用复合码自相关特性。 • ③可进行无模糊测距。 缺点： • 码很长，不易捕获，从而需利用C/A码进行捕获。 • C/A码与P码同步采用同一基准时钟，还在P码的每个历元时刻（初始时刻）使C/A码的两组移位寄存器全置1。 • 采用统一时钟的优点还在于在捕获C/A码基础上便于捕获P码。

  31. Combined signal

  32. Combined signal • In the combined signal, P-code is written 90 degrees out of phase with the C/A code (quadrature). Also has half the power but this is not critical to operation of system. • Although, all satellites transmit at the same frequency the code differences allow them to be separated. It also means that you can track satellites knowing only the C/A code and the Y-code (as we have at the moment).

  33. 3．导航电文（D码） • a.永不归零的数据流。 • b.基本单位是一个主帧，共1500bit，速率为50bit/s，历时30s。 • c.主帧由5个子帧构成。 • d.每个子帧各有10个码字，每码字30bit，共300比特。 • e.主帧中第1、2、3子帧为每主帧重复一次，而第4、5个子帧为连续播发，共需25个主帧，分布在各个主帧的第4、第5主帧。

  34. §3.2 GPS卫星导航电文 一、导航电文及其格式 • 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息、修正参数及其它信息 • 是用户利用GPS进行导航定位的数据基础。 • 导航电文是二进制文件，它是按一定格式组成数据帧。 • 基本结构

  35. 30s 1 2 3 4 5 6s 10个字 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25页 0.6s 30比特 0.02s • 按帧向外播送。每一数据帧长度为1500bit，每帧又分为5个子帧，每个子帧长300bit • 播送速度为50bit／s，每帧时长30s • 完整的导航信息由25帧数据组成，全部播完要12．5min。 • 其内容仅在地面注入站．注人新的导航数据才更新。 导航电文的格式

  36. 一个子帧6s长，10个字，每字30比特 TLM TLM TLM TLM TLM HOW HOW HOW HOW HOW 数据块—3卫星历书等 数据块—2星历表 数据块—2星历表继续 数据块—3卫星历书等 数据块—1时钟修正参数 1 1帧 30s 1500比特 2 3 4 5 二、导航电文内容 一帧导航电文的内容

  37. 卫星（导航）电文 • 遥测字（TLM – Telemetry Word） • 每一子帧的第1个字 • 用作捕获导航电文的前导 • 用来表明卫星注入数据的状态。第1~8比特是同步码；9~22比特为遥测电文，包括地面监控系统注入数据的状态信息、诊断信息等，指导用户是否选用该颗卫星；23和24比特是连接码；25~30比特为奇偶校验码，用于发现和纠正错误。 • 交接字（HOW – Hand Over Word） • 每一子帧的第2个字 • 主要内容：Z计数 • 用于辅助用户从捕获的C／A码转换到捕获P码。

  38. 卫星（导航）电文 • 第一数据块 • 第1子帧的第3~10个字 • 主要内容包括：标识码，时延差改正；星期序号；卫星健康状况；数据龄期；卫星时钟改正系数等 • WN – GPS周： GPS星期数（1980-1-6子夜零点起算星期数） • L2所调制测距码标识符 – “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码 • 传输参数N – URA • TGD – 信号在卫星内部的时延 • 星钟数据龄期AODC：时钟改正数的外推时间间隔，指明卫星时钟改正数的置信度。 • 星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）

  39. 卫星（导航）电文 • 第二数据块 • 第2、3子帧的第3~10个字 • 表示GPS卫星的星历，为用户提供了和计算卫星运动的信息，描述卫星运行及轨道的参数 • 该发送信号卫星的星历 － 广播星历 • 星历参数：开普勒六参数 轨道摄动九参数 • 时间二参数： • AODE——星历表数据龄期，表示广播星历外推时间间隔，它是星历参考时刻与最后一次观测数据取得时间之差。 • 卫星星历参考时刻，它是从星期日零时开始度量。

  40. 星历参数详解①

  41. 星历参数详解②

  42. 星历参数详解③

More Related