GPS培訓(xùn)_20151104(1)

1、GPSGPS介紹介紹目目 錄錄一、一、 GPS簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二二、GPS接收靈敏度接收靈敏度三、三、GPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEOGPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEO2022-4-25 一、GPS概述概述1.1、GPS構(gòu)架構(gòu)架GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱(chēng)，包含了27顆能持續(xù)發(fā)送地理位置海拔高度和時(shí)間信號(hào)的衛(wèi)星，24個(gè)正常使用，3個(gè)備用，這些衛(wèi)星平均分布運(yùn)行在六個(gè)軌道上，運(yùn)行周期為12小時(shí)。一般來(lái)說(shuō)，在地面上的GPS接收器能接收512個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，而為了獲得地面上的定位坐標(biāo)，GPS導(dǎo)航至少需要4個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，三個(gè)

2、用來(lái)確定GPS接收器的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個(gè)則提供同步校正時(shí)間。全球定位系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：太空衛(wèi)星部分、地面控制部分、使用者接收機(jī)部分。全球定位系統(tǒng)框架如下圖所示： 利用三個(gè)衛(wèi)星可以得到GPS接收器的經(jīng)度、緯度以及海拔高度的信息，但是用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)t即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來(lái)。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。2022-4-25太空衛(wèi)星部分：太空衛(wèi)星部分：由24顆繞極使用衛(wèi)星所組成，分成六個(gè)軌道，運(yùn)行于約20200公里的高空，繞行地

3、球一周約12小時(shí)。每個(gè)衛(wèi)星均持續(xù)著發(fā)射載有衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及時(shí)間的無(wú)線電波，提供地球上的各種接收機(jī)來(lái)應(yīng)用。地面管制部分：地面管制部分：這是為了追蹤及控制上述衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)，所設(shè)置的地面管制站，主要工作為負(fù)責(zé)修正與維護(hù)每個(gè)衛(wèi)星能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，以確保每個(gè)衛(wèi)星都能提供正確的訊息給使用者接收機(jī)來(lái)接收。使用者接收機(jī)：使用者接收機(jī)：追蹤所有的GPS衛(wèi)星，并實(shí)時(shí)地計(jì)算出接收機(jī)所在位置的坐標(biāo)、移動(dòng)速度及時(shí)間，各種藍(lán)牙GPS即屬于此部份。2022-4-251.2、GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)信號(hào)結(jié)構(gòu)每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無(wú)線電信號(hào)（基準(zhǔn)頻率0）、兩種載波（L1和L2）、兩種碼信號(hào)（C/A碼和P碼）、一組導(dǎo)航電文（信息碼，D

4、碼）。如下圖所示。GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)信息C/A碼精度： C/A碼精度：Horizontal 5-10mVertical 7-20mP碼精度：Horizontal 2-4mVertical 3-6m2022-4-25衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR），當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼）發(fā)射導(dǎo)航信息。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼（粗捕獲碼）和軍用

5、的P碼（精密碼）。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，碼長(zhǎng)1023bits，碼；P碼頻率10.23MHz，碼間距0.1微秒，碼長(zhǎng)2x1014bits。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種載波：L1：1575.42 MHz (2x77x10.23 MHz)，波長(zhǎng)L1 190 mm；L2：1227.60 MHz (2x60 x10.23 MHz)，波長(zhǎng)L2 244 mm，導(dǎo)航信息傳遞速率：50bit/s。衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)及調(diào)制后得到的信號(hào)如下圖所示：衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)及調(diào)制后得到的信號(hào)衛(wèi)星星歷：用于描述太空飛行體位置和速度的表達(dá)式的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。衛(wèi)星星歷能精確計(jì)

6、算、預(yù)測(cè)、描繪、跟蹤衛(wèi)星、飛行體的時(shí)間、位置、速度等運(yùn)行狀態(tài)；2022-4-25手機(jī)接收的GPS信號(hào)為L(zhǎng)1:1575.42MHz的民用信號(hào)，C/A碼經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)如下圖所示： C/A碼的調(diào)制過(guò)程2022-4-25P碼的調(diào)制后的信號(hào)如下圖所示：P碼的調(diào)制過(guò)程2022-4-25P碼和C/A碼經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)疊加過(guò)程如圖所示：P碼和C/A碼各自經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)的疊加信號(hào)由仙農(nóng)公式R=B*log2(1+SNR)可知，當(dāng)信道中的信噪比下降時(shí)，可通過(guò)擴(kuò)展頻帶寬度來(lái)保持信道容量不變，所以在GPS中，由偽隨機(jī)碼來(lái)調(diào)制數(shù)據(jù)碼，通過(guò)擴(kuò)展信號(hào)頻譜來(lái)增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，所以GPS系統(tǒng)是一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)。GPS的信號(hào)頻

7、譜如下圖所示：擴(kuò)頻優(yōu)點(diǎn), GPS在信號(hào)功率小于噪聲功率時(shí),系統(tǒng)也能正確解碼，.缺點(diǎn)就是需要更大的帶寬2022-4-25GPS信號(hào)頻譜1.3、GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（衛(wèi)星中解調(diào)出來(lái)的數(shù)據(jù)碼）衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（衛(wèi)星中解調(diào)出來(lái)的數(shù)據(jù)碼）導(dǎo)航電文是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它包含該衛(wèi)星的星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延改正、大氣折射改正以及由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息，也是由衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)出來(lái)的數(shù)據(jù)碼D(t)。這些信息以50bit/s的數(shù)據(jù)流調(diào)制在載頻上，數(shù)據(jù)采用不歸零制（NRZ）的二進(jìn)制碼。2022-4-25 接收機(jī)是衛(wèi)星信號(hào)解調(diào)的硬件設(shè)備。它主要工作是重建載波，提取測(cè)距碼信號(hào)和導(dǎo)航電文。信號(hào)解

8、調(diào)的常用方式有兩種，復(fù)制碼技術(shù)和平方解調(diào)技術(shù)。 復(fù)制碼技術(shù) 當(dāng)接收機(jī)復(fù)制出的與衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，在同步的條件下與接收到的衛(wèi)星信號(hào)相乘，即可去掉信號(hào)中的分量。這時(shí)，恢復(fù)的載波依然還含有數(shù)據(jù)碼信號(hào)分量。采用這種技術(shù)的條件是必須 掌握測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)，否則將不能產(chǎn)生復(fù)制碼。 平方解調(diào)技術(shù) 將接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行平方，由于處于1狀態(tài)的調(diào)制碼，經(jīng)過(guò)平方后均變成+1，且+1不影響載波相位，所以信號(hào)經(jīng)過(guò)平方后便達(dá)到解調(diào)目的。采用這種方法不需要知道測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)，但該解調(diào)技術(shù)卻去掉了測(cè)距碼和導(dǎo)航電文，所以單獨(dú)使用的時(shí)候不能導(dǎo)航。另外該技術(shù) 將信號(hào)上的噪聲平方，使得信噪比大大降低。平方解調(diào)技術(shù)一般

9、用于L2信號(hào)解調(diào)2022-4-25二二、GPS接收靈敏度接收靈敏度GPS接收機(jī)的基帶信號(hào)處理主要包括對(duì)GPS衛(wèi)星的搜索、捕獲、跟蹤、解碼等工作，目的是為了提取各觀測(cè)量及導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，捕獲到的GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)，得到數(shù)據(jù)碼，一旦得到數(shù)據(jù)碼就進(jìn)行校驗(yàn)，信息位經(jīng)校驗(yàn)所得的結(jié)果同校驗(yàn)位相比較，若相同則表明接收信息正確，可以使用，若不相同則表明信息接收錯(cuò)誤，要重新接收。2022-4-252.1、GPS接收機(jī)靈敏度分析對(duì)于GPS接收系統(tǒng)而言，靈敏度指標(biāo)包括多個(gè)場(chǎng)景下的指標(biāo)，分別為：跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度、初始啟動(dòng)靈敏度。目前業(yè)界已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤靈敏度在-160dBm 以下的接收機(jī)，GPS接收機(jī)首先需要

10、完成對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲，完成捕獲所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度為捕獲靈敏度捕獲靈敏度；在捕獲之后能夠維持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)跟蹤所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度為跟蹤靈敏度跟蹤靈敏度。為了實(shí)現(xiàn)定位，GPS 接收機(jī)還需要解調(diào)GPS 衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，相應(yīng)的，解調(diào)導(dǎo)航電文所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度為初初始啟動(dòng)靈敏度始啟動(dòng)靈敏度。根據(jù)上述定義可知，跟蹤靈敏度最高，捕獲靈敏度次之，初始啟動(dòng)靈敏度最差。從系統(tǒng)級(jí)的觀點(diǎn)來(lái)看，GPS接收機(jī)的靈敏度主要由兩個(gè)方面決定：一是接收機(jī)前端整個(gè)信號(hào)通路的增益及噪聲性能，二是基帶部分的算法性能。其中，接收機(jī)前端決定了接收信號(hào)到達(dá)基帶部分時(shí)的信噪比，而基帶算法則決定了解調(diào)、捕獲、跟蹤過(guò)程所能容忍的最小信噪比。

11、GPS信號(hào)是從距地面20000km 的LEO（Low Earth Orbit，低軌道衛(wèi)星）衛(wèi)星上發(fā)送到地面上來(lái)的，其L1 頻段（fL1=1575.42MHz）自由空間衰減為：2022-4-25按照GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，L1頻段的C/A碼信號(hào)的發(fā)射EIRP（Effective Isotropic RadiatedPower，有效通量密度）為P=478.63W（26.8dBw），若大氣層衰減為A=2.0dB，則GPS系統(tǒng)L1頻段C/A碼信號(hào)到達(dá)地面的強(qiáng)度為： Pc/a=P-a-f=26.8-2.0-182.4=-157.6dB 在實(shí)際場(chǎng)景中，由于衛(wèi)星仰角的不同、以及受樹(shù)木、建筑物等的遮擋，L1頻段C

12、/A信號(hào)到達(dá)地面的強(qiáng)度會(huì)低于這個(gè)值。2.2、輔助GPS（AGPS）AGPS可以極大的減少首次定位（TTFF）的時(shí)間，使接收機(jī)可以識(shí)別功率電平更低的衛(wèi)星。由基站提供輔助數(shù)據(jù)來(lái)幫助手機(jī)識(shí)別可見(jiàn)衛(wèi)星，手機(jī)可以快速識(shí)別并計(jì)算自己的位置，TTFF可以從60秒縮短到10秒。有兩種方法可以發(fā)送和接收輔助數(shù)據(jù)，一個(gè)是控制面，一個(gè)是IP數(shù)據(jù)信道。2022-4-252.3 接收性能參數(shù)冷啟動(dòng) TTFF 時(shí)間 首次定位時(shí)間TTFF（ Time To First Fix） 用于衡量接收機(jī)信號(hào)搜索過(guò)程的快慢程度。 搜索過(guò)程， 也稱(chēng)“信號(hào)捕獲”，包括兩個(gè)范疇。 一是所謂的C/A碼范疇，與衛(wèi)星的PRN碼復(fù)制相關(guān)，二是多普勒

13、范疇與載波相關(guān)。在執(zhí)行搜索過(guò)程中，針對(duì)冷啟動(dòng)的接收機(jī)，其PRN碼的不確定性可以最多至1023個(gè)碼片（ chips，即GPS C/A碼的一個(gè)完整代碼段的總數(shù)）的代碼不確定性，以及約+/-11 kHz的多普勒不確定性。一些接收機(jī)采用的是串行搜索過(guò)程，還有一些接收機(jī)采用并行（多相關(guān)器）過(guò)程。更快的設(shè)計(jì)采用的是匹配濾波器(Matched Filter)或快速傅立葉變化（ FFT）技術(shù)。最新的技術(shù)采用的是多種代碼的混合復(fù)制技術(shù)，而非分立的代碼。 冷啟動(dòng)TTFF定義為接收機(jī)加電至其捕獲第一個(gè)有效導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間， 但需滿足如下條件：時(shí)間未知、當(dāng)前歷書(shū)（ Almanac） 和星歷(ephemeris)未

14、知、位置未知。2022-4-25 溫啟動(dòng)溫啟動(dòng)TTFF TTFF 時(shí)間時(shí)間 時(shí)間已知、歷書(shū)已知、無(wú)星歷（ 或數(shù)據(jù)存在時(shí)間超過(guò)4個(gè)小時(shí)）、位置距上次定位點(diǎn)100公里以?xún)?nèi)熱啟動(dòng)熱啟動(dòng)TTFF TTFF 時(shí)間時(shí)間 時(shí)間已知、歷書(shū)已知、星歷已知、位置距上次定位點(diǎn)100公里以?xún)?nèi)捕獲靈敏度捕獲靈敏度 捕獲靈敏度是發(fā)生“第一次定位”時(shí)能夠接收到的最低功率水平。 該靈敏度的子集包括了在冷啟動(dòng)、 溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)條件下的獨(dú)立測(cè)量值。 跟蹤靈敏度跟蹤靈敏度 所謂跟蹤靈敏度就是接收機(jī)能夠連續(xù)保持鎖定所需要的最低功率水平。 跟蹤閾值與由接收機(jī)鎖相環(huán)（ PLL） 跟蹤環(huán)路中的誤差源而導(dǎo)致的測(cè)試誤差有著密切的關(guān)系。 相位誤

15、差、 動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差（ dynamic stress error） 和熱噪聲是主要的誤差來(lái)源。 將這些因素減至最小可以使接收機(jī)能夠以更低的功率連續(xù)跟蹤信號(hào)。在任何情況下， 跟蹤閾值應(yīng)低于捕獲敏感度。2022-4-25重捕獲時(shí)間重捕獲時(shí)間 重捕獲時(shí)間是指接收機(jī)在丟失所有接收信號(hào)狀態(tài)下， 重新接收到信號(hào)到獲得第一個(gè)有效導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)所需的時(shí)間。較快的重捕獲時(shí)間對(duì)于車(chē)輛導(dǎo)航來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。 設(shè)想一輛車(chē)從隧道中快速駛出， 期間該車(chē)已失去所有的衛(wèi)星信號(hào)。 在駛出隧道后， 馬上就有一個(gè)路口， 而駕駛者必須在此駛出道路。 在這種情況下， 導(dǎo)航系統(tǒng)需要迅速地恢復(fù)導(dǎo)航， 以給出正確的“現(xiàn)在駛出”的指令。靜態(tài)導(dǎo)航精度靜態(tài)

16、導(dǎo)航精度 靜態(tài)導(dǎo)航精度是接收機(jī)的定位位置相較于一個(gè)已知位置點(diǎn)的精度。 該精度具備三個(gè)特點(diǎn)： 可預(yù)測(cè)性相對(duì)于一個(gè)已知、 標(biāo)定的位置點(diǎn)， 接收機(jī)解算的位置與之比較應(yīng)處于該精度范圍內(nèi)。 要求兩者基于相同的大地坐標(biāo)系（ geodetic datum） 。 可重復(fù)性在該靜態(tài)導(dǎo)航精度范圍內(nèi)， 用戶可以返回到此前用同一接收機(jī)測(cè)知的某坐標(biāo)點(diǎn)。 相 對(duì) 性 意味著一個(gè)用戶測(cè)得的位置與另一用戶在同一時(shí)間使用相同接收機(jī)測(cè)得位置都處于該精度范圍內(nèi)。2022-4-253 3、GPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEOGPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEOGPSGPS 2.046 MHz BW NB