測量第四章信號

第四章GPS衛(wèi)星信號引言GPS信號概述GPS信號——衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導航定位的調制波2信號的成分考慮三個方面：1、為了提供衛(wèi)星的瞬時位置——導航電文數(shù)據(jù)碼：D碼2、為了保密通信，提高信號的抗干擾能力；以及不同的衛(wèi)星的區(qū)分選擇和精密測距——偽隨機碼測距碼：C/A碼，P碼3、為了信號的傳播——將擴頻后的編碼脈沖對L波段的兩個載波進行調制后發(fā)射載波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ)

3OutlineGPS信號GPS的導航電文GPS的偽隨機噪聲碼GPS載波信號GPS信號的調制GPS信號接收機4第一節(jié)導航電文導航電文的概念導航電文的格式導航電文的內容P345一、導航電文導航電文——衛(wèi)星通過無線電信號向地面發(fā)播的電文，是用戶用來定位和導航的數(shù)據(jù)基礎，即一組數(shù)據(jù)碼。6二、導航電文的播發(fā)格式7三、導航電文的播發(fā)內容衛(wèi)星的星歷衛(wèi)星的工作狀態(tài)衛(wèi)星的時鐘改正電離層時延改正C/A碼捕獲P碼其它衛(wèi)星的星歷8播發(fā)內容子楨號1個字楨6秒長，10個字，每個字30bit1楨30秒，1500bit91、遙測碼TLM--Telemetryword遙測碼——每個子幀的第一個字碼都是遙測碼，作為捕獲導航電文的前導第1~8bit為同步碼（10001001），為各子幀提供了一個同步起點，使用戶便于解碼第9~22bit為遙測電文，包括地面監(jiān)控系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時的狀態(tài)信息、診斷信息和其它信息，以此指示用戶是否選用該衛(wèi)星。第23、24bit無意義，第25~30bit為奇偶檢驗碼。102、轉換碼HOW--Handoverword轉換碼——向用戶提供用于捕獲P碼的Z計數(shù)Z計數(shù)——它表示從每星期六/星期日午夜零時開始播發(fā)的D碼的子楨數(shù)。知道Z計數(shù)，就知道觀測時刻P碼在周期中的準確位置，以此較快地捕獲P碼第1~17bit表示Z計數(shù)，第18bit表明衛(wèi)星注入電文后是否發(fā)生滾動動量矩缺載現(xiàn)象。第19bit用于指示數(shù)據(jù)幀的時間是否與PN1(t)鐘信號同步。第20~22bit是子幀識別標志。第23、24bit無意義。第25~30bit為奇偶檢驗碼。113、第一數(shù)據(jù)塊第一子幀的第3--10個字碼為第一數(shù)據(jù)塊。它的主要內容是：(1)大氣傳播時延改正值Tgd；(2)星期序號WN，GPS星期數(shù);(3)衛(wèi)星時鐘改正系數(shù)(4)數(shù)據(jù)齡期AODC，時鐘改正數(shù)的外推時間間隔；124、第二數(shù)據(jù)塊第二和第三子幀共同構成第二數(shù)據(jù)塊，它表示GPS衛(wèi)星的星歷。(1)開普勒6參數(shù)(2)軌道攝動9參數(shù)

(3)時間2參數(shù)星歷參考時刻星歷數(shù)據(jù)齡期135、第三數(shù)據(jù)塊第三數(shù)據(jù)塊是由第4和第5兩個子幀構成的，它提供GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。當接收機捕獲得某顆衛(wèi)星后，利用第三數(shù)據(jù)塊提供其它衛(wèi)星的概略星歷、時鐘改正、碼分地址和衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。用戶不僅能選擇工作正常和位置適當?shù)男l(wèi)星，而且還可根據(jù)所在的位置，選擇最佳星座，依據(jù)已知的衛(wèi)星PRN號進行設置，以快速捕獲和定位14四、用戶接收到的導航文件GPS接收機對導航電文進行解碼，輸出；可以通過隨機軟件將輸出的接收機文件轉換成ASCII格式的通用格式的RINEX文件ReceiverIndependentExchangeformat(RINEX)/igscb/data/format/rinex2.txt文件名稱格式：

[4-char][Dayofyear][Session].[yy]n

e.g.brdc0120.02n15RINEX標準16四、衛(wèi)星位置的計算（4.3）計算衛(wèi)星運動的平均角速度觀測時刻與參考時刻之差平近點角的計算偏近點角的計算真近點角的計算升交距角（升交點—衛(wèi)星）軌道參數(shù)的攝動改正軌道平面坐標系上的坐標衛(wèi)星在瞬時地球坐標系的坐標升交點經(jīng)度升交距角、地心向量、軌道傾角P4017衛(wèi)星位置近地點i衛(wèi)星yxz升交點春分點軌道赤道Ωsfs計算衛(wèi)星運行的平均角速度n開普勒參數(shù)表示的衛(wèi)星位置衛(wèi)星在軌道平面坐標系上的位置地球坐標系的坐標協(xié)議地球坐標系18第二節(jié)GPS的信號（4.2.2）P37GPS信號GPS的偽隨機噪聲碼——測距GPS載波信號GPS信號的調制19一、GPS的測距碼什么是偽隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼的產生偽隨機噪聲碼測距GPS的測距碼201、偽隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼——PRN碼PseudoRandomNoiceCode什么是偽隨機噪聲碼以預先確定并可重復產生和復制，具有白噪聲統(tǒng)計特性的二進制碼，有一定周期的，取值0或1的二進制序列為什么用它測距？仙農“噪聲通信理論”：可實現(xiàn)低信噪比的接收，可實現(xiàn)碼分多址通信，具有良好的保密特性212、偽隨機噪聲碼的產生GPS產生偽隨機碼的方式：m序列發(fā)生器-多級線性移位反饋寄存器模二相加a2a1

a0置1脈沖⊕鐘脈沖

a3反饋序列輸出序列例：22M序列的特點：統(tǒng)計特性統(tǒng)計特性“1”出現(xiàn)的次數(shù)比“0”出現(xiàn)的次數(shù)多一“0”——“1”——移位相加特性11110101100100001111010110010023M序列的特點：相關特性相關函數(shù)：描述兩個序列的相似性程度連續(xù)離散通用計算方法11110101100100001111010110010024相關特性的應用253、偽隨機噪聲碼測距原理——利用接收機產生的復制碼與衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機碼進行相關運算，通過測量相關函數(shù)最大值的位置來測定衛(wèi)星信號的傳播延遲，從而求得衛(wèi)星至接收機的距離觀測值ReceiverSatelliteTimedeference26GPS測距t時刻△tt+△t時刻27GPS測距284、GPS的測距碼GPS的測距碼粗測碼——C/A碼精測碼——P碼C/AP29(1)、粗測碼C/A碼：由兩個十級反饋移位寄存器產生C/A碼的特性長度周期：碼元長度：時間周期：頻率：C/A碼的特點易于搜索和捕獲；碼長約為300km

一個碼長293m，測量（比對）精度1%~10%30(2)、精測碼P碼的特性長度周期：碼元長度：時間周期：頻率：P碼的特點周期長，碼率高，不易于捕獲；易于保密，難于破譯；

AS政策:P+W=Y

一個碼長29.3m，測量（比對）精度1%~10%31思考與討論用測距碼測距，就像用一個與對應碼長長度相等的尺子丈量衛(wèi)地距離？測量的精度與單個碼元長度相關，就像尺子的最小刻度影響估讀精度？32二GPS的載波信號電磁波的基本概念GPS的載波信號331、電磁波傳播的基本概念電磁波是一種隨時間t變化的正弦或余弦波。設電磁波初相角為0，角頻率，振幅為Ae，則電磁波的數(shù)學表達式為

y=Aesin(t+0)0t+0t0t1y=Aesin(t+0)Ae補充知識ty341）電磁波參數(shù)的關系設電磁波的頻率為f，周期為T，相位為，當t=0時有初相位0，角頻率，有如下關系：=2f；f=1/T，=t/T+0352）電磁波的傳播假設電磁波在真空中的傳播速度為cvac，則有

cvac=vacf=vac/T在衛(wèi)星大地測量中，國際上當前采用的真空光速為：

c=2.99782458108(m/s)。363）信號的折射實際的電磁波傳播是在大氣介質中，若干大氣層可能改變電磁波傳播的方向、速度和強度，這種現(xiàn)象稱為大氣折射。電磁波在大氣中的傳播速度可以用折射率n來表示，n=c/v。折射率與大氣的組成和結構密切相關，其實際值接近于1。SatelliteOrbitIonosphereTroposphere5020020000kmkmkm372、GPS的載波信號L1載波頻率：1572.42MHZ

波長：19cmL2載波頻率：1227.6MHZ

波長：24cm38三GPS信號的構成信號的生成信號的調制信號的特點P36391、信號的生成402、GPS信號的調制X偽隨機噪聲碼導航電文(50Hz)X載波調制調制二級調制41數(shù)據(jù)碼和測距碼的調制42碼和載波的調制TheCarrier...

combinedwithThePRNcode...

producestheModulatedcarriersignal

whichistransmitted...

demodulated...43GPSSignalEncodingP3744L1上調制的信號L1CarrierWave1575.42MHzC/ACode1.023MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz45L2上調制的信號L2CarrierWave1227.6MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz46GPS信號結構473、信號的特點載波頻率選用L頻段的兩個頻率，受電離層影響小，并可測定電離層延遲；利用偽隨機噪聲碼測距技術，具有良好的抗干擾性；采用二級調制技術，把發(fā)送低碼率的D碼轉換成發(fā)送復合碼，既節(jié)省了衛(wèi)星的電能，有增強抗干擾性和保密性；48第四節(jié)GPS接收機GPS接收機——接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，并進行處理和量測，以獲取導航電文和必要的觀測量p4349一、接收機的基本工作原理50二、接收機的分類根據(jù)接收機的工作原理根據(jù)接收機信號通道的類型根據(jù)接收機的衛(wèi)星信號頻率根據(jù)接收機的用途511、根據(jù)接收機的工作原理碼相關型接收機——能夠產生于所測衛(wèi)星的測距碼，結構完全相同的復制碼，工作中通過逐步相移，是接收碼與復制碼達到最大相關；平方型接收機——利用載波信號的平方技術去掉調制碼，從而獲得載波相位測量所必需的載波信號；混合型接收機——綜合利用上述方法，同時獲得碼相位和精密的載波相位觀測值；52信號的解調模二和算法:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0Bitshiftsaligned532、根據(jù)接收機信號通道的類型接收機的信號通道——