1、第四章第四章 GPS衛星的導航電文衛星的導航電文和衛星信號和衛星信號4.2 GPS衛星信號衛星信號4.2.1概述概述 GPS衛星信號是衛星信號是GPS衛星向廣大用戶發送的衛星向廣大用戶發送的用于導航定位的調制波。包括：用于導航定位的調制波。包括：l載波信號載波信號l測距嗎（測距嗎（C/A碼，碼，P碼）碼）l數據碼（衛星電文）數據碼（衛星電文）4.2.1概述概述注：注： GPS衛星信號的產生、構成與復制，涉及到衛星信號的產生、構成與復制，涉及到現代數字通信理論和技術方面的復雜問題，對現代數字通信理論和技術方面的復雜問題，對于我們來說，可以不去深入研究，但要了解基于我們來說，可以不去深入研究，但要

2、了解基本概念，有利于理解本概念，有利于理解GPS的定位原理。的定位原理。4.2.1概述概述載波載波l作用作用搭載其它調制信號搭載其它調制信號測距測距測定多普勒頻移測定多普勒頻移l類型類型目前目前lL1 頻率：頻率： 154 f0 = 1575.43MHz；波長：；波長：19.03cmlL2 頻率：頻率： 120 f0 = 1227.60MHz；波長：；波長：24.42cm現代化后現代化后l增加增加L5 頻率：頻率：115 f0 = 1176.45MHz；波長：；波長：25.48cmL119.03c mL224.42c m4.2.1概述概述l載波特點載波特點所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇

3、的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響響選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關）遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關）4.2.1概述概述補充：碼的概念及特點補充：碼的概念及特點 在現代數字通信中，廣泛使用二進制數（在現代數字通信中，廣泛使用二進制數（0和和1）及其）及其組合，來表示各種信息。表達不同信息的二進制數及組合，來表示各種信息。表達不同信息的二進制數及其組合，稱為其組合，稱為。一位二進制數叫一個。一位二進制數叫一個碼元碼元或一或

4、一比特比特。比特為碼和信息量的度量單位。比特為碼和信息量的度量單位。 如果將各種信息例如聲音、圖象和文字等通過量化，如果將各種信息例如聲音、圖象和文字等通過量化，并按某種預定規則，表示成二進制數的組合形式，則并按某種預定規則，表示成二進制數的組合形式，則這一過程稱為這一過程稱為編碼編碼。 在二進制數字化信息的傳輸中，每秒傳輸的比特數稱在二進制數字化信息的傳輸中，每秒傳輸的比特數稱為數碼率，表示數字化信息的傳輸速度，單位為為數碼率，表示數字化信息的傳輸速度，單位為bit/s。4.2.1概述概述碼及碼的特點碼及碼的特點（1）二進制數與碼）二進制數與碼l碼：用以表示各種不同信息的二進制數及其組合碼：

5、用以表示各種不同信息的二進制數及其組合l比特：一個二進制數比特：一個二進制數l數碼率：在數字化信息傳輸中的每秒鐘傳輸的比特數數碼率：在數字化信息傳輸中的每秒鐘傳輸的比特數（2）隨機噪聲碼）隨機噪聲碼l隨機噪聲碼：碼元的出現無規律，不能復制隨機噪聲碼：碼元的出現無規律，不能復制測距碼測距碼l作用作用測距測距l性質性質為偽隨機噪聲碼（為偽隨機噪聲碼（PRN Pseudo Random Noise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數為為0或或1/n（n為碼元數）為碼元數）對齊的同一組碼間的相關系數為對齊的同一組碼間的相關系數為14.2.1概述概述

6、4.2.1概述概述l類型類型目前目前lC/A碼（碼（Coarse/Acquisition Code） 粗碼粗碼/捕獲碼；碼率：捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：；周期：1ms；1周期含碼元數：周期含碼元數：1023；碼元寬度：；碼元寬度：293.05m；僅被調制在；僅被調制在L1上上lP（Y）碼（）碼（Precise Code） 精碼；碼率：精碼；碼率：10.23MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含碼元數：周期含碼元數：6187104000000；碼元寬度：；碼元寬度：29.30m；被調制在被調制在L1和和L2上上現代化后現代化后l在在L2上調制上調制C/A碼碼l在在L1和和L2增加調

7、制增加調制M碼碼4.2.1概述概述l調制：為有效傳播信息，將頻率較低的信號加調制：為有效傳播信息，將頻率較低的信號加載到頻率較高的載波上，這個過程即為調制。載到頻率較高的載波上，這個過程即為調制。l然后，載波攜帶有用信號傳送出去，到達用戶然后，載波攜帶有用信號傳送出去，到達用戶接收機。接收機。 碼值為碼值為0，相應的碼狀態為，相應的碼狀態為+1； 碼值為碼值為1，相應的碼狀態為，相應的碼狀態為-1； 載波與相應碼狀態的相乘便可實現載波的調載波與相應碼狀態的相乘便可實現載波的調制。制。4.2.2 偽隨機噪聲碼的產生和特征偽隨機噪聲碼的產生和特征l 補充：模二和（模二相加）補充：模二和（模二相加）

8、運算規則運算規則二進制信號：二進制信號：“1”表示二進制表示二進制“0”，“-1”表示二進制表示二進制“1”，則，則000; 110; 101; 011111; 111; 111; 1114.2.2 偽隨機噪聲碼的產生和特征偽隨機噪聲碼的產生和特征l補充：隨機噪聲碼補充：隨機噪聲碼碼：二進制的數據序列碼：二進制的數據序列 可表達為可表達為0和和1的的幅度的時間函數。幅度的時間函數。 設一組碼序列設一組碼序列u（t），碼元），碼元0，1完全隨機，完全隨機，而概率為而概率為1/2。這種碼元幅度的取值完全無規律的碼序列，稱為這種碼元幅度的取值完全無規律的碼序列，稱為隨機序列碼隨機序列碼（隨機噪聲碼隨

9、機噪聲碼）。）。4.2.2 偽隨機噪聲碼的產生和特征偽隨機噪聲碼的產生和特征l隨機噪聲碼：非周期性序列，無法復制。隨機噪聲碼：非周期性序列，無法復制。l自相關性自相關性l自相關系數自相關系數 ： R(t)=(A-B)/(A+B) 其中，其中，A為為m序列與其序列與其j次移位序列一個周期中對應元素相同的數次移位序列一個周期中對應元素相同的數目目;B為為m序列與其序列與其j次移位序列一個周期中對應元素不相同的數次移位序列一個周期中對應元素不相同的數目。目。當平移碼元數當平移碼元數j=0時，即時，即B=0，R(t)=1；當平移碼元數當平移碼元數j不為不為0時，若時，若j趨向于無窮，則趨向于無窮，則A

10、約為約為B，R(t)約為約為0.4.2.2 偽隨機噪聲碼的產生和特征偽隨機噪聲碼的產生和特征 對于對于GPS信號，衛星發射的是一個隨機噪聲碼序列信號，衛星發射的是一個隨機噪聲碼序列u(t)，由于傳播時間的延遲，使得接收到的，由于傳播時間的延遲，使得接收到的u(t)與與u(t)間平移，即相應的碼元錯開了，因此間平移，即相應的碼元錯開了，因此R(t)約為約為0；若通；若通過時間延遲器來調整過時間延遲器來調整u(t)，使之與，使之與u(t)的碼元相互完的碼元相互完全對齊，即使得全對齊，即使得R(t)=1，那么就可以從，那么就可以從GPS接收機時接收機時間延遲器中，測出衛星到接收機的準確傳播時間，從間

11、延遲器中，測出衛星到接收機的準確傳播時間，從而可準確確定而可準確確定P。 然而，然而， u(t)為非周期的，不服從任何編碼規則，為非周期的，不服從任何編碼規則，實際上無法復制和利用，所以引入實際上無法復制和利用，所以引入偽隨機噪聲偽隨機噪聲碼碼。4.2.2 偽隨機噪聲碼的產生和特征偽隨機噪聲碼的產生和特征l移位寄存器移位寄存器l以四級反饋移位寄存器為例：以四級反饋移位寄存器為例：l假設初始狀態為（假設初始狀態為（a3,a2,a1,a0）=(1,0,0,0),每每次移位時次移位時a3和和a0模二相加，輸出端會產生一模二相加，輸出端會產生一個隨機碼：個隨機碼：000111101011001l思考題

12、？思考題？C/A碼碼C/AC/A碼是由兩個碼是由兩個1010級反饋移位寄存器相組合而產生的級反饋移位寄存器相組合而產生的. .Shandong University of science and technology4.3 GPS衛星位置的計算衛星位置的計算-根據廣播星歷計算根據廣播星歷計算衛星位置衛星位置l計算思路計算思路首先計算衛星在軌道平面坐標系下的坐標首先計算衛星在軌道平面坐標系下的坐標然后將上述坐標分別繞然后將上述坐標分別繞X軸旋轉軸旋轉-i角、繞角、繞Z軸旋轉軸旋轉- k角，求出衛星在地固系下的坐標角，求出衛星在地固系下的坐標軌道平面坐標系軌道平面坐標系軌道參數軌道參數地心升交點x

13、y近地點衛星近地點角距真近點角升交距角升交點Z (Z)YXro春分點軌道平面衛星升交點赤經i 軌道傾角軌道橢圓中心赤道面近地點近地點角距長半徑t0 過近地點時刻e 軌道偏心率地心f 真近點角XY起始子午面 升交點經度kG AST xy4.3GPS衛星位置的計算衛星位置的計算-根據廣播星歷計算衛根據廣播星歷計算衛星位置星位置l計算過程計算衛星運行的平均角速度計算t時刻衛星的平近點角計算偏近點角03314320()843.986005 10GMnaaWGSmsnnn稱為地球引力常數，在系中定義為)()(0oettnMtM)(sin)()(tEetMtE4.3GPS衛星位置的計算衛星位置的計算-根據

14、廣播星歷計算衛根據廣播星歷計算衛星位置星位置l計算過程（續）計算真近點角計算升交距角（未經改正的）計算衛星向徑etEtEearctgtf)(cos)(sin1)(2)()( tftu)(cos1 ()( tEeAtr4.3GPS衛星位置的計算衛星位置的計算-根據廣播星歷計算衛根據廣播星歷計算衛星位置星位置l計算過程（續）計算攝動改正項進行攝動改正計算衛星在軌道平面坐標系中的位置)( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()(tuCtuCtituCtuCtrtuCtuCtuisicrsrcusuc)()()()()( )()()( )(

15、0tittiititrtrtrtututuoe)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx4.3GPS衛星位置的計算衛星位置的計算-根據廣播星歷計算衛根據廣播星歷計算衛星位置星位置l計算過程（續）計算升交點經度計算衛星在地固坐標系下的坐標oeeoeektttt)()()(0)(sin)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos0)()(tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ精密星歷精密星歷按一定時間間隔給出衛星在地固坐標系下的三維位按一定時間間隔給出衛星在地固坐標系下的三維位置、三維速度和鐘差置、三維速度和鐘差* * 2004 1 15

16、 0 0 0.00000000 2004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825

17、932P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428P