第四章 導(dǎo)航衛(wèi)星信號20171115

第四章導(dǎo)航衛(wèi)星信號目錄1.衛(wèi)星導(dǎo)航基本知識2.GPS衛(wèi)星C/A測距碼測距（重點）3.GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面站、用戶設(shè)備組成。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)★

GPS定位精度：P碼—1m；CA碼—20~30m

CA碼定位精度受SA和AS政策影響?！颎PS特點：

全球、全天候、高精度、連續(xù)、近于實時的三維

定位與導(dǎo)航功能。1.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（美國）★

NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem——NAVSTAR/GPS★

73年開始研制，95年進入全部運作?！?/p>

GPS衛(wèi)星：

24（21+3）顆高軌衛(wèi)星，分布在

6個軌道面內(nèi)，軌道傾角約55°，雙頻發(fā)射，全球范圍內(nèi)可視性良好。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2.GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（前蘇聯(lián)）★78年代開始研制，1982年開始部署，1995年底全

部星座部署完畢?！颎lobalNavigationSatelliteSystem——GLONASS

★GLONASS定位精度：

10-15m

無任何政策影響，不限制民用?！颎LONASS特點：

全球、全天候、高精度、連續(xù)、近于實時的三維

定位與導(dǎo)航功能?！?/p>

GLONASS衛(wèi)星：

25（24+1）顆中軌衛(wèi)星，分布3個軌道面，軌道傾角約64°，雙頻發(fā)射，全球范圍內(nèi)可視性良好。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)3.北斗星衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（中國）★2000年發(fā)射

2顆地球靜止衛(wèi)星（CEO）

，

2003年6月正式運營。★

特點：

雙星有源、區(qū)域性定位導(dǎo)航系統(tǒng)?！?/p>

北斗衛(wèi)星：

2+1顆地球同步軌道（36000km）衛(wèi)星?！?/p>

定位精度：

優(yōu)于

20m衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)4.INMARSAT衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（國際海事衛(wèi)星組織IMO）★

利用帶有導(dǎo)航艙的INMARSAT的中軌道衛(wèi)星，

發(fā)射GPS信號、DGPS校正值等信息，為全球

提供通信、定位、導(dǎo)航及完善性監(jiān)測。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)5.伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（歐洲

+中國）★1999由歐盟提出計劃，2004下半年開始發(fā)射

實驗衛(wèi)星，2008年全面投入使用?！?/p>

衛(wèi)星：

27+3顆衛(wèi)星顆中軌衛(wèi)星，分布3個軌道面，軌

道傾角約

55，運行周期52810.10s。

3顆覆蓋的GEO衛(wèi)星，輔以GPS和本地差分增

強系統(tǒng)，定位精度達幾米?！?/p>

特點：

全球、全天候、高精度、連續(xù)、近于實時的

三維定位和導(dǎo)航；

是針對商業(yè)和軍用的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)二、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的分類：★

按衛(wèi)星運行軌道的高度分：低軌（900~2700km）中軌（13000~20000km）高軌（20000~48000km）★

按工作區(qū)域分：★

按工作方式分：同步軌道：公轉(zhuǎn)速度與自轉(zhuǎn)速度同步的軌道；靜止衛(wèi)星：全球、區(qū)域無源、有源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三、衛(wèi)星軌道參數(shù)1.開普勒定律：說明衛(wèi)星在地球中心引力場作用下的運動衛(wèi)星軌道：導(dǎo)航衛(wèi)星繞地球運行的路徑衛(wèi)星軌道參數(shù)：描述衛(wèi)星軌道的形狀、大小、軌道面

在空間的位置

和衛(wèi)星在軌道上的位置。1）衛(wèi)星（行星）在不同的橢圓軌道上圍繞地球（太陽）

運動，地球（太陽）是這些橢圓的一個焦點2）衛(wèi)星（行星）的向徑（地球/太陽和衛(wèi)星/行星的連線）

在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積3）衛(wèi)星（行星）繞地球（太陽）運行周期的平方和其

橢圓軌道長半軸的三次方成正比（T2

a3）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)置一、GPS地面站1.跟蹤站：接收包括環(huán)境數(shù)據(jù)在內(nèi)的衛(wèi)星的各種信息，

并將測定的信息傳送到主控站；

所測偽距1.5s更新一次，電離層氣象數(shù)據(jù)

15min平滑一次。2.主控站：收集、評價數(shù)據(jù)，計算各衛(wèi)星原子鐘的校正

參量、衛(wèi)星歷書、衛(wèi)星星歷、系統(tǒng)狀態(tài)并形

成導(dǎo)航信息碼，送注入站；

控制和調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，啟用備用衛(wèi)星。3.注入站：地面站或地面天線，將導(dǎo)航信息送給衛(wèi)星。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)二、GPS導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)1.GPS導(dǎo)航衛(wèi)星☆24（21+3）顆

高軌20183km）

衛(wèi)星，分布在

6個軌道面上，

軌道傾角約

55°，地平線

7.5°以上至少可以看到4顆，

地平線上至少看到5顆，最多

11顆；運行周期約11h58m

（717.88m），約12h?！?/p>

雙頻發(fā)射：

L1波段（1575.42MHz），

P碼、CA碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制；

L2波段（1227.60MHz），

P碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制；

以后增加L5（1176MHz）☆

電源：太陽能、鎘鎳電池☆

衛(wèi)星鐘：原子鐘1980.1.6.☆

微處理器、存儲器、收發(fā)機、

監(jiān)測傳感器、應(yīng)急通信轉(zhuǎn)發(fā)

器、

30度波束圓極化天線衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文1）P碼和CA碼CA碼：低速、短周期的偽隨機二進制序列碼，

（1.023MHz、1ms），測距精度低，協(xié)助捕獲P碼P碼：快速、長周期的偽隨機二進制序列碼，

（10.23MHz、7days），測距精度高，難于捕獲優(yōu)點:a.抗干擾

CA（P）碼有良好的自相關(guān)函數(shù)，使其易于在噪聲背

景中被識別；不同的CA（P）碼間有良好的互相關(guān)函

數(shù)，則不同的衛(wèi)星信號間的相互干擾很小。b.碼分多址識別：

CA碼：1025種

；P碼：1444種c.偽碼加密

GPS數(shù)據(jù)經(jīng)過CA（P）碼擴頻發(fā)射，又需經(jīng)解擴提取d.精確測距衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2）GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文（導(dǎo)航信息）a.衛(wèi)星導(dǎo)航電文的內(nèi)容衛(wèi)星原子鐘的校正參量、衛(wèi)星歷書、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星識別標(biāo)志等，主要用于計算衛(wèi)星的位置及衛(wèi)星鐘差校正。

b.衛(wèi)星導(dǎo)航電文的傳輸過程導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼

（電文）50HZCA碼、P碼調(diào)制L1（或L2）載波調(diào)制發(fā)射計算衛(wèi)星位置識別衛(wèi)星、測量信號傳播時間運載并發(fā)射信號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)c.衛(wèi)星導(dǎo)航電文的接收過程L1（或L2）高頻信號本機CA碼或P碼（相關(guān)輸出）解調(diào)（濾波）導(dǎo)航數(shù)據(jù)（電文）50Hz可同時測偽距可計算出衛(wèi)星的位置2、GPS測距碼測距原理2、GPS測距碼測距定位步驟

要解算用戶的三維坐標(biāo)位置，必須有若干個已知參考點要解算出用戶到參考點的基線結(jié)果，必須解空間三角形要解三角形，必須測量用戶接收機到衛(wèi)星的距離要測量距離，必須測量衛(wèi)星信號到用戶接收機的傳輸時間用測量衛(wèi)星信號的傳輸時間，需要使用“碼相位技術(shù)”要得到精確結(jié)果，還要消除信號在傳輸路徑上的誤差測量用戶接收機到衛(wèi)星的距離衛(wèi)星離地球的平均距離為20200公里；如何實現(xiàn)精確、快速測距?測量衛(wèi)星信號到用戶接收機的傳輸時間

判斷閃電離我們有多遠判斷綻放的禮花離我們有多遠我們得到的啟示：通過測量時間延遲來計算距離生活中的測距實例我們舉例說明如何測量兩個人之間的距離使用“同步技術(shù)”，利用聲波來測量兩個人之間的距離。同步聲波特點：頻率一樣，結(jié)構(gòu)一致初始狀態(tài)通過加入1/4拍延時通過加入(1/4+1/8)拍延時紅色信號部分是通過“等待”了(1/4+1/8)拍來得到和綠色信號同步的，即二者的時延就是(1/4+1/8)拍。從聆聽者的角度來說，當(dāng)兩首歌曲聽起來感覺沒有一前一后的效果時，就可以認(rèn)為兩首歌曲已經(jīng)達到同步效果了，是同時到達聆聽者的耳朵里。這個效果是由紅色信號部分人為地加上延時造成的。聆聽者通過測定紅色信號的延時值，可以得到兩點間的距離。距離=Δt

×

聲速為了使我們的測距盡可能的快，結(jié)果又要準(zhǔn)確，我們在設(shè)計整個測距方案時，用于測定時延的“歌曲”在選定或編制中不得存在歌詞重復(fù)的現(xiàn)象。歌詞長短對測距精度的影響假如用于同步的歌曲長度為60秒，總共含10個字，則每個字平均占6秒。當(dāng)兩個音頻信號進行同步時，誤差最大可到5秒。如果單位時間內(nèi)包含的歌詞太少，每個歌詞所占用的時間較長，這給同步精度帶來了較大誤差。如果我們把歌曲調(diào)整一下，使得歌曲在同等時間內(nèi)包含更多的歌詞，則每個歌詞所占用的時間(即碼元寬度)就會較短，在相同的分辨率下，達到同步對應(yīng)的誤差就會大大減少。假如用于同步的歌曲長度為60秒，總共含120個字，則每個字平均占0.5秒。當(dāng)兩個音頻信號到達同步時，誤差最大為接近0.5秒。這好比要把兩把尺子對齊，如果尺子的最小刻度為厘米，則對齊后所帶來的系統(tǒng)誤差最大為0.9厘米；如果尺子的最小刻度是毫米，則對齊后所帶來的誤差最大為0.9毫米。二者為10倍的關(guān)系。可見，刻度越小，同步對應(yīng)的精度就越高。由此可見，我們用于同步的信號源應(yīng)具有碼元短的特性。歌曲長度為60秒，當(dāng)歌曲包含10個字時，每個字平均占用6秒，則同步誤差最大為5.9秒；當(dāng)歌曲包含1200個字時，每個字平均占用0.005秒，則同步誤差最大為0.0049秒。音速為344米/秒，則二者對應(yīng)的最大測距誤差分別為1720米和1.68米。綜上，為保證測距精度，我們需要關(guān)注以下幾點指標(biāo)：為保證同步的精度，單位時間內(nèi)，歌詞應(yīng)盡可能地多，這樣每個字對應(yīng)的時間(碼元寬度)則會較短；保證兩個人同時唱歌(具有相同的初相和相位)；聆聽者必須有較高的靈敏度，能在最佳時刻同步

(滿足相關(guān)峰值最大)；1、在GPS測距技術(shù)中，用于同步的“歌曲”叫偽噪聲碼，即C/A

碼。C/A碼為民用碼，碼長很短，周期只有1毫秒，結(jié)構(gòu)較為簡單，在一個周期內(nèi)碼結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象，可實現(xiàn)快速測距。2、C/A碼的碼長為1023bit，碼元寬度是0.97752微秒。在一個周期內(nèi)(1毫秒)，碼結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)重復(fù)。衛(wèi)星發(fā)射的C/A碼測距原理當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射一偽隨機碼，接收機內(nèi)也產(chǎn)生一個相同結(jié)構(gòu)的偽隨機碼。當(dāng)衛(wèi)星信號經(jīng)過傳播距離的延遲ζ后到達接收機，與本地碼進行相關(guān)運算；通過移動本地碼，使相關(guān)函數(shù)達到最大值(即峰值)。這樣，本地碼所移動的時間延遲值就是衛(wèi)星信號在空間的傳播時間ζ，乘以光速就可以得到所測距離。#1#2#3#4需要說明的是，測距僅僅是定位的一個中間環(huán)節(jié)，測距精度并不等同于定位精度。電離層誤差、對流層誤差、多路徑效應(yīng)、星歷誤差等因素都會導(dǎo)致定位精度的降低。但測距精度是衡量接收機性能的一個重要指標(biāo)。測距精度對定位精度的影響GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文P碼1.P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/10~1/100，則相應(yīng)的距離誤差為2.93~0.29m,故P碼稱為精碼。2.由于P碼周期長，GPS接收機為了捕捉周期長達7天的P碼，一般都是先搜索、捕捉周期短得多的C/A碼，然后從C/A碼中解譯出它所傳送的導(dǎo)航電文，依次得到P碼。

通過使用碼相位測距法，可快速得到接收機到不

同衛(wèi)星的距離，而衛(wèi)星的位置坐標(biāo)是已知的，從

而可以推算出接收機的三維位置坐標(biāo)。

C/A

碼的結(jié)構(gòu)特點，可以滿足快速、準(zhǔn)確同步的

要求，從而可以快速計算出接收機到衛(wèi)星的距離。3.GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號使用L波段的優(yōu)點減少擁擠，避免“撞車”

-頻率占用率低適應(yīng)擴頻，傳送寬帶信號衛(wèi)星高軌運行能獲較大的多普勒頻移

-

有利于測量用戶的行駛速度大氣衰減小，有益于研制用戶設(shè)備擴頻概念：將原擬發(fā)送的幾十比特速率的電文變換成發(fā)送幾兆甚至幾十兆比特速率的由電文和偽隨機噪聲碼組成的組合碼。增加頻帶寬度，可減小信噪比（信噪比越小，信號深埋在噪聲之中，不易被他人捕獲，具有極強的保密性）。擴頻的目的：節(jié)省衛(wèi)星的電能，增強信號的抗干擾性，實現(xiàn)保密的信息傳送。在無線電通信技術(shù)中，為了有效地傳播信息，將頻率較低的信號加載在頻率較高的載波上，此過程稱為調(diào)制。載波攜帶著有用信號傳送出去。調(diào)制數(shù)據(jù)碼測距碼調(diào)制信號載波信號解調(diào)為了進行載波相位測量，用戶接收機收到衛(wèi)星信號后，通過解調(diào)來恢復(fù)載波的相位。主要方法

-復(fù)制碼（結(jié)構(gòu)與測距碼完全相同）與衛(wèi)星信號相乘

GPS信號的產(chǎn)生采用擴頻技術(shù)將數(shù)據(jù)碼D碼作一級調(diào)制。用D碼（50Hz)調(diào)制一個偽噪聲碼P碼（10.23MHz），形成一個組合碼P(t)D(t)。用組合碼P(t)D(t)調(diào)制L波段的載波（二級調(diào)制），形成向用戶發(fā)送的已調(diào)波。GPS信號分量將每顆衛(wèi)星發(fā)送的兩種已調(diào)波，分別叫做第一導(dǎo)航定位信號和第二導(dǎo)航定位信號，總稱為GPS信號。GPS信號的構(gòu)成—總結(jié)L1載波L2載波GPS信號的SA(Selectiveavailability)影響人為引入干涉信號，導(dǎo)致非特許用戶不能夠獲得高精度實時導(dǎo)航定位的秘密方法。內(nèi)容

-對衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率所采用的（dither)技術(shù)

-對導(dǎo)航電文采用的

技術(shù)（降低廣播星歷精度）

-對P碼采用的譯密技術(shù)（AS技術(shù)）GPS信號的SA(Selectiveavailability)影響1991年7月1日以來，GPS工作衛(wèi)星幾乎全部實施了SA技術(shù)目的：防止敵人開發(fā)出各種各樣的GPS戰(zhàn)斗力倍增系統(tǒng)2000年5月2日，克林頓總統(tǒng)宣布：即日起停止SA技術(shù)測距碼C/A碼（粗碼）P碼（精測碼）作用：用于測量信號接收天線和GPS衛(wèi)星之間的距離用于識別來自不同GPS衛(wèi)星而同時到達接收天線的GPS信號一組碼序列在某一時刻的碼元為0或1完全是隨機的，這種碼元取值完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機（噪聲）碼序列。是一種非周期性序列，無法復(fù)制，但自相關(guān)性好。根據(jù)碼序列的自相關(guān)系數(shù)可判斷兩個隨機碼序列的相應(yīng)碼元是否已對齊。隨機噪聲碼碼序列是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。產(chǎn)生的基礎(chǔ)：“移位寄存器”

特點：（1）具有隨機碼的良好自相關(guān)性；（2）具有某種確定的編碼規(guī)則；（3）可以容易地復(fù)制測距碼（C/A碼與P碼）屬于偽隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼（PseudoRandomNoise-PRN）碼相關(guān)偽距測量原理衛(wèi)星依據(jù)自己的時鐘發(fā)出一個測距碼，經(jīng)過τ時間后到達接收機；接收機產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，并通過時延器使其延遲時間τ’；將兩組測距碼進行相關(guān)處理，直到兩組測距碼的自相關(guān)系數(shù)R(τ’)=1為止，此時，復(fù)制碼已和測距碼對齊，復(fù)制碼的延遲時間τ’就等于衛(wèi)星信號的傳播時間τ；將τ’乘上光速c后即可求得衛(wèi)星至接收機的偽距。粗碼C/A碼(Coarse/AcquisitionCo