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(diǎn)）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(diǎn)：

全球、全天候、高精度、連續(xù)、近于實(shí)時(shí)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(jìn)入全部運(yùn)作?！?/p>

GPS衛(wèi)星：

24（21+3）顆高軌衛(wèi)星，分布在

6個(gè)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。★GlobalNavigationSatelliteSystem——GLONASS

★GLONASS定位精度：

10-15m

無任何政策影響，不限制民用?！颎LONASS特點(diǎn)：

全球、全天候、高精度、連續(xù)、近于實(shí)時(shí)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(gè)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(yùn)營?！?/p>

特點(diǎn)：

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(jì)劃，2004下半年開始發(fā)射

實(shí)驗(yàn)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(gè)軌道面，軌

道傾角約

55，運(yùn)行周期52810.10s。

3顆覆蓋的GEO衛(wèi)星，輔以GPS和本地差分增

強(qiáng)系統(tǒng)，定位精度達(dá)幾米。★

特點(diǎn)：

全球、全天候、高精度、連續(xù)、近于實(shí)時(shí)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(yùn)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(yùn)動(dòng)衛(wèi)星軌道：導(dǎo)航衛(wèi)星繞地球運(yùn)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(yùn)動(dòng)，地球（太陽）是這些橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)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(shí)間內(nèi)掃過相等的面積3）衛(wèi)星（行星）繞地球（太陽）運(yùn)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(jià)數(shù)據(jù)，計(jì)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(gè)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(yùn)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(jī)、

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(jī)二進(jìn)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(jī)二進(jìn)制序列碼，

（10.23MHz、7days），測距精度高，難于捕獲優(yōu)點(diǎn):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(kuò)頻發(fā)射，又需經(jīng)解擴(kuò)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(jì)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(jì)算衛(wèi)星位置識別衛(wèi)星、測量信號傳播時(shí)間運(yùn)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(jī)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(shí)測偽距可計(jì)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(gè)已知參考點(diǎn)要解算出用戶到參考點(diǎn)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(jī)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(jī)的傳輸時(shí)間用測量衛(wèi)星信號的傳輸時(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)精確、快速測距?測量衛(wèi)星信號到用戶接收機(jī)的傳輸時(shí)間

判斷閃電離我們有多遠(yuǎn)判斷綻放的禮花離我們有多遠(yuǎn)我們得到的啟示：通過測量時(shí)間延遲來計(jì)算距離生活中的測距實(shí)例我們舉例說明如何測量兩個(gè)人之間的距離使用“同步技術(shù)”，利用聲波來測量兩個(gè)人之間的距離。同步聲波特點(diǎn)：頻率一樣，結(jié)構(gòu)一致初始狀態(tài)通過加入1/4拍延時(shí)通過加入(1/4+1/8)拍延時(shí)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(shí)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(shí)，就可以認(rèn)為兩首歌曲已經(jīng)達(dá)到同步效果了，是同時(shí)到達(dá)聆聽者的耳朵里。這個(gè)效果是由紅色信號部分人為地加上延時(shí)造成的。聆聽者通過測定紅色信號的延時(shí)值，可以得到兩點(diǎn)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(jì)整個(gè)測距方案時(shí)，用于測定時(shí)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(gè)字，則每個(gè)字平均占6秒。當(dāng)兩個(gè)音頻信號進(jìn)行同步時(shí)，誤差最大可到5秒。如果單位時(shí)間內(nèi)包含的歌詞太少，每個(gè)歌詞所占用的時(shí)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(shí)間內(nèi)包含更多的歌詞，則每個(gè)歌詞所占用的時(shí)間(即碼元寬度)就會(huì)較短，在相同的分辨率下，達(dá)到同步對應(yīng)的誤差就會(huì)大大減少。假如用于同步的歌曲長度為60秒，總共含120個(gè)字，則每個(gè)字平均占0.5秒。當(dāng)兩個(gè)音頻信號到達(dá)同步時(shí)，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?？梢姡潭仍叫?，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(gè)字時(shí)，每個(gè)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(gè)字時(shí)，每個(gè)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(diǎn)指標(biāo)：為保證同步的精度，單位時(shí)間內(nèi)，歌詞應(yīng)盡可能地多，這樣每個(gè)字對應(yīng)的時(shí)間(碼元寬度)則會(huì)較短；保證兩個(gè)人同時(shí)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(shí)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(gè)周期內(nèi)碼結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象，可實(shí)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(gè)周期內(nèi)(1毫秒)，碼結(jié)構(gòu)不會(huì)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(jī)碼，接收機(jī)內(nèi)也產(chǎn)生一個(gè)相同結(jié)構(gòu)的偽隨機(jī)碼。當(dāng)衛(wèi)星信號經(jīng)過傳播距離的延遲ζ后到達(dá)接收機(jī)，與本地碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；通過移動(dòng)本地碼，使相關(guān)函數(shù)達(dá)到最大值(即峰值)。這樣，本地碼所移動(dòng)的時(shí)間延遲值就是衛(wèi)星信號在空間的傳播時(shí)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(gè)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(huì)導(dǎo)致定位精度的降低。但測距精度是衡量接收機(jī)性能的一個(gè)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(jī)為了捕捉周期長達(dá)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(jī)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(jī)的三維位置坐標(biāo)。

C/A

碼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以滿足快速、準(zhǔn)確同步的

要求，從而可以快速計(jì)算出接收機(jī)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(diǎn)減少擁擠，避免“撞車”

-頻率占用率低適應(yīng)擴(kuò)頻，傳送寬帶信號衛(wèi)星高軌運(yùn)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(kuò)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(jī)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(qiáng)的保密性）。擴(kuò)頻的目的：節(jié)省衛(wèi)星的電能，增強(qiáng)信號的抗干擾性，實(shí)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(jìn)行載波相位測量，用戶接收機(jī)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(kuò)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(gè)偽噪聲碼P碼（10.23MHz），形成一個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)到達(dá)接收天線的GPS信號一組碼序列在某一時(shí)刻的碼元為0或1完全是隨機(jī)的，這種碼元取值完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機(jī)（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(gè)隨機(jī)碼序列的相應(yīng)碼元是否已對齊。隨機(jī)噪聲碼碼序列是一個(gè)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(diǎn)：（1）具有隨機(jī)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(jī)噪聲碼偽隨機(jī)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(shí)鐘發(fā)出一個(gè)測距碼，經(jīng)過τ時(shí)間后到達(dá)接收機(jī)；接收機(jī)產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，并通過時(shí)延器使其延遲時(shí)間τ’；將兩組測距碼進(jìn)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(shí)，復(fù)制碼已和測距碼對齊，復(fù)制碼的延遲時(shí)間τ’就等于衛(wèi)星信號的傳播時(shí)間τ；將τ’乘上光速c后即可求得衛(wèi)星至接收機(jī)的偽距。粗碼C/A碼(Coarse/AcquisitionCo