衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號

1、三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.5 GPS衛(wèi)星星歷 衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運動軌道的信息描述衛(wèi)星運動軌道的信息。 衛(wèi)星星歷包含某一時刻的衛(wèi)星軌道參數(shù)（也叫軌道根數(shù)）及其變化率。 根據(jù)衛(wèi)星星歷，可以計算出任一時刻的衛(wèi)星位置及其速度。（在GPS中就是如此） 精確的軌道信息是精密定位的基礎。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用1三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星星歷 GPS衛(wèi)星星歷可以分為：預報星歷（廣播星歷，broadcast ephemeris）；后處理星歷（精密星歷，precise ephemeris）。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用2三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.5.1 預報星歷 預報星歷，

2、通過衛(wèi)星發(fā)射的、含有軌道信息的導航電文傳遞給用戶。 用戶使用接收機接收到信號后，經(jīng)過解碼便可獲得所需要的衛(wèi)星星歷。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用3三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.5.1 預報星歷 預報星歷通常包括相對某一參考歷元某一參考歷元的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動改正項參數(shù)： 開普勒軌道的6個參數(shù)； 反映攝動力影響的9個參數(shù)； 參考時刻； 星歷數(shù)據(jù)齡期； 預報星歷包含的參數(shù)是根據(jù)GPS監(jiān)測站約一周的觀測資料推算的，也稱參考星歷。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用4三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.5.1 預報星歷 預報星歷（參考星歷）只代表衛(wèi)星在參考歷元的瞬時軌道參數(shù)，在攝動力的影響下，

3、衛(wèi)星的實際軌道將偏離參考軌道。 偏離程度主要取決于：觀測歷元與參考歷元的時間差。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用5三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.5.1 預報星歷 用軌道參數(shù)的攝動項對已知的衛(wèi)星星歷加以改正，可以外推出任意觀測歷元的衛(wèi)星星歷。 只要保證外推時間間隔不太長，可以保證衛(wèi)星預報星歷的精度。 地面的監(jiān)控站時刻觀測衛(wèi)星的運行軌道；主控站每天更新衛(wèi)星的參考星歷，由注入站每天向衛(wèi)星注入新的參考星歷。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用6三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.5.1 預報星歷 GPS衛(wèi)星發(fā)射的廣播星歷，每小時更新一次。 那么外推星歷的時間間隔將不會超過0.5小時。 預報星歷的精度一般為2

4、040m。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用7三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.5.2 GPS衛(wèi)星的后處理星歷 預報星歷包含外推誤差，其精度不能滿足某些需要精密定位服務的用戶要求。 后處理星歷，是根據(jù)地面跟蹤站所獲得的精密觀測資料計算而得到的星歷，是一種不包含外推誤差不包含外推誤差的實測星歷。 可為用戶提供觀測時刻的精密衛(wèi)星星歷，精度可達米級，以后將達到分米級。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用8三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.5.2 GPS衛(wèi)星的后處理星歷 后處理星歷不是通過衛(wèi)星廣播的。 需要通過無線電、網(wǎng)絡等通信方式向用戶傳遞。 是有償服務。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用9三、衛(wèi)星運動及GPS

5、衛(wèi)星信號3.6 GPS衛(wèi)星的偽隨機測距碼3.6.1 概述 GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導航定位信號，是經(jīng)過偽隨機噪聲碼擴頻擴頻的調(diào)相信號。 導航信號采用L波段（22cm）做載波。L波段的優(yōu)點： 減少擁擠，避免“撞車”。目前L波段的頻率占用率較低。 適應擴頻，傳送寬帶信號。在占用率較低的L波段，易于傳送寬帶信號。廣東工業(yè)大學10GPS定位技術與應用三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號 衛(wèi)星高軌運行能獲得較大的多普勒頻移。載波頻率越高、多普勒頻移越大，有利于測量用戶的行駛速度。 大氣衰減小，有益于研制用戶設備。大氣對某些頻率的電磁波產(chǎn)生諧振吸收。使用L波段避免了諧振吸收，有利于用低成本設備測量接收GPS信號

6、。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用11三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號信號的擴頻 GPS衛(wèi)星采用擴頻技術傳送衛(wèi)星導航電文。 擴頻，是指將原定發(fā)送的低速率（約幾十bps）的電文變換成發(fā)送高速率（幾兆、幾十兆bps）的由電文和偽隨機噪聲碼組成的組合碼。 通過香農(nóng)信道容量定理說明擴頻的優(yōu)越性。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用12三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號香農(nóng)信道容量定理在高斯白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)信道容量： 其中B是通信帶寬，S是信號功率，N是噪聲功率。 要取得一定的信道容量C，在S/N較小時，可以通過增大帶寬B實現(xiàn)。 例如，要求C=10.23Mbps，如果S/N=1.5，B=7.74MHz；如果

7、S/N=0.1，B=74.40MHz。 增大系統(tǒng)帶寬，可以降低要求的信噪比。（抗干擾）廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用132log1SCBN三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號偽隨機噪聲碼（pseudo-random noise code）的作用 對導航電文進行擴頻； 節(jié)省衛(wèi)星電能 抗干擾 保密 測距：測量衛(wèi)星到地面用戶的距離。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用14三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號隨機噪聲碼 用u(t)表示一組二進制碼序列。 隨機碼序列：碼元的幅值是完全隨機的碼序列，碼元寬度為tu。 在t時刻，碼元是0或1是隨機的，但是出現(xiàn)的概率均為1/2。 是非周期的，無法復制。廣東工業(yè)大學GPS定位技術

8、與應用15三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號隨機噪聲碼的自相關特性 具有良好的自相關特性。 自相關函數(shù)的定義廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用161( )lim( ) ()2TaTTRu t u tdtT三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號隨機噪聲碼的自相關特性 前頁的u(t)是指信號波形。如果要求二進制碼序列的自相關系數(shù)，按以下做法。 當僅需要計算的時間差為碼元時間的整數(shù)倍時，兩個序列的相關系數(shù)可以這樣計算 其中Su為兩個序列碼值相同的個數(shù)，Du為兩個序列碼值不同的個數(shù)。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用17( )aSuDuR tSuDu三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號 舉例：求序列x=1111000100110

9、10在=0、tu、2tu時的自相關系數(shù)解：一般，要比較兩個序列a和b的對應碼元的值是否相等，使用序列模2求和的方法。即兩個序列模二求和得到新序列ab，新序列中“0”的個數(shù)等于兩個序列碼值相同的個數(shù)，“1”的個數(shù)等于兩個序列碼值不同的個數(shù)。那么模二求和的運算法則：11=0， 00=0， 10=1， 01=1廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用1801( )0+1aR t的個數(shù)的個數(shù)的個數(shù)的個數(shù)三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號 當=0時，自相關函數(shù)等于x和x的相關系數(shù)。因為xx=000000000000000，所以R(0)=1 當=tu時，自相關函數(shù)等于求下列序列的相關系數(shù)： 111 1000 1001

10、1010 011 1100 0100 1101 100 0100 1101 0111 所以R(tu)=(7-8)/(7+8)=-1/15 當=2tu時，自相關函數(shù)等于求下列序列的相關系數(shù)： 111 1000 1001 1010 101 1110 0010 0110 010 0110 1011 1100 所以R(2tu)=(7-8)/(7+8)=-1/15廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用19三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號隨機噪聲碼的互相關特性 完全隨機的噪聲碼的互相關函數(shù)為零。 即：兩組隨機生成的碼，完全不相關。 因此，GPS接收機必須能夠重新生成與GPS衛(wèi)星發(fā)射相同的隨機碼，并且使兩組隨機碼在時

11、間上對齊，才能成功接收到導航電文。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用20三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.6.2 偽隨機噪聲碼及其產(chǎn)生 20世紀40年代末期，信息論的奠基人香農(nóng)指出，白噪聲形式的信號是一種實現(xiàn)有效通訊的最佳信號。但是由于技術限制，當時未能實現(xiàn)香農(nóng)的設想。 直到20世紀60年代中期，偽隨機噪聲編碼技術的問世，噪聲通信才獲得了實際的應用，并隨機擴展到雷達、導航等技術領域。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用21三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號偽隨機碼的產(chǎn)生 偽隨機碼是使用移位寄存器產(chǎn)生的，這種移位寄存器叫做抽頭式反饋移位寄存器（tapped feedback shift register） 產(chǎn)

12、生的偽隨機碼也稱為m序列。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用22三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用23D1D2D3D4x0111110111100111000111000001000001001001111000011001011101011101001101111100反饋移位寄存器的特征多項式：f1(x)=1+x3+x4其中，x的上標（3,4）表示從（D3D4）抽頭。三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用24D1D2D3D4x011111011100011000010100000100000100100111100001100101110101

13、0101001101111100特征多項式：f2(x)=1+x3+x4雖然特征多項式相同，但是輸出序列的輸出結構不同。三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用25D1D2D3D4x0111110111110111010111010011011011000011110011010000010000011100001100011100反饋移位寄存器的特征多項式：f3(x)=1+x1+x4反饋連接方式與前面的例子不同三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號m序列的特點 r級移位寄存器產(chǎn)生的m序列的碼元寬度等于時鐘脈沖周期tu； 一個周期的m序列的最大碼長度為Nu=2r-1，m序列的最大周期為

14、Tu=Nu*tu。 在一個m序列周期中，“1”的個數(shù)比“0”的個數(shù)多1，即“1”出現(xiàn)(2r-1)次，“0”出現(xiàn)(2r-1-1)次，具有平衡性。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用26三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號m序列的特點 對一個周期的m序列，與自身的平移序列做模二和，其結果是一個結構不變的等價平移m序列。 與向后平移序列的模二和111 1010 1100 1000 011 1101 0110 0100100 0111 1010 1100 與向前平移序列的模二和111 1010 1100 1000 111 0101 1001 0001000 1111 0101 1001廣東工業(yè)大學GPS定位技術與

15、應用27向后平移1位的m序列向后平移4位的m序列向前平移1位的m序列向后平移3位的m序列三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號m序列的特點 m序列具有良好的相關特性。 m序列的自相關系數(shù)自相關系數(shù)是廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用281,0, 1, 2,( )121ariTu iRiTu 三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號m序列的特點 m序列的互相關系數(shù)互相關系數(shù) 要求序列a和b的互相關系數(shù)，先對它們求模二和，通過得到的新序列中”0”和”1”的個數(shù)求得。111 1000 1001 1010 111 1010 1100 1000000 0010 0101 0010所以Rc(t)=(11-4)/15=7/15廣東

16、工業(yè)大學GPS定位技術與應用2901( )0+1cR t的個數(shù)的個數(shù)的個數(shù)的個數(shù)三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號m序列的特點 總結：兩個結構不相同的m序列，互相關系數(shù)總是小于1。 即使兩個結構相同的m序列，如果兩者之間存在時延，它們的互相關系數(shù)總是小于1。只有使它們的時延等于零（即碼元“對齊”），自相關系數(shù)才等于1. 這是極為重要的特性，GPS信號接收機利用自相關系數(shù)為最大值的特性，捕獲、跟蹤和識別來自不同GPS衛(wèi)星的偽噪聲碼，解釋出傳送的導航電文。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用30三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號幾種特殊的偽噪聲碼1、截短偽噪聲碼2、復合偽噪聲碼3、Gold組合碼廣東工業(yè)大學GPS

17、定位技術與應用31三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號1、截短偽噪聲碼 在一個長度為Nu的m序列中，截取一部分碼元組成長度周期為Nu的新序列（NuNu），該序列稱為m序列的截短序列，也叫截短偽噪聲碼。 例如，為了獲得一個長度Nu=11的新序列，可以從長度Nu=15的m序列中截除一個子序列，而獲得該新序列。具體方法如下。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用32三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號 具體方法是在線性移位寄存器中增加一個狀態(tài)檢測器狀態(tài)檢測器（0011），使其輸出脈沖饋送到模二加法器。 當移位寄存器處于0011狀態(tài)時，狀態(tài)檢測器輸出1，這導致模二加法器的輸出從0變成1，使一位寄存器從0011狀態(tài)躍變到10

18、01狀態(tài)。 當移位寄存器處于其它狀態(tài)時，狀態(tài)檢測器輸出0，這不會影響模二加法器的輸出。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用33三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用34D1D2D3D4x0111110111100111000111000001000001001001111000011001011101011101001101111100一個周期輸出從原來的111100010011010變成截短后的11110011010相當于“截除了”原序列的“1000”子序列三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號2、復合偽噪聲碼 在實際應用中，往往需要長度周期很大的m序列。 通常采用兩個或兩個以上較短

19、的m序列（成為子碼）構成一個較長的復合偽噪聲碼。 如果n個子碼的周期分別為P1,P2,Pn，構成的復合碼周期為 上式表明，復合碼周期比子碼周期長得多。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用351,niijiPPPP三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號舉例，如何獲得復合碼 用子碼x=1110100和子碼y=110構成復合碼z 復合碼的周期Pz=PxPy=21111010011101001110100 110110110110110110110001100101011111000010 方法：將x重復Pz/Px次，將y重復Pz/Py次，然后求模二和，可以得到復合碼z。z=xy廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用36

20、將x重復3次將y重復7次新的組合碼三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號復合碼生成器廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用37三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號解碼 涉及復合碼的另一個使用問題是，從已知的復合碼以及其中的一個子碼，解譯出另一個子碼，即“解碼”。 已知復合碼z、一個子碼y，求另一個子碼x。zy=xy y=x 可見，即使機密隱藏在某一個子碼中，可以通過“解碼”求得該子碼，從而破解隱藏的機密。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用38三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號解碼 001100101011111000010 110110110110110110110 111010011101001110100 方法：將已知的

21、子碼y重復寫Pz/Py次，與復合碼的碼元一一對齊，求出它們的模二和?？梢灾来笞哟ax的周期為Pz/Py ，就可以知道模二和結果中包含Py個待求子碼x，即在上述結果中包含3個周期的x。因此，x=1110100。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用39已知組合碼z已知子碼y求出的子碼x三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3、Gold組合碼 Gold碼由兩個周期和速率相同相同而碼元結構不不同同的m序列組合而成。 例如，具有相同周期Nu=2r-1的兩個m序列：x和y，由它們構成的Gold序列為G=xyj 其中yj為向左移動了j個碼元的y序列。 因此，可以構成(xy), (xy1), (xy2),，連同x和y本身

22、，總共2r+1個序列，稱為Gold序列族。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用40三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用41三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號Gold組合碼的特點 Gold碼的速率和周期與構成它的m序列相同 Gold碼的互相關值為 Gold碼的結構簡單，調(diào)整方便，具有大量的可用碼型，適宜于碼分多址的大量用戶需求。 10級線性移位寄存器只能產(chǎn)生60個獨立的m序列。然而，兩個10級線性移位寄存器卻能產(chǎn)生1025個Gold碼。GPS衛(wèi)星采用Gold碼作為粗捕獲碼。廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用42122 1 1/1/2( )NuRNu三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號3.6.

23、3 GPS的測距碼信號（偽噪聲碼） GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射的測距碼信號中，包含兩種偽隨機噪聲碼信號： C/A碼（粗捕獲碼） P碼（精確碼）廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用43三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號1、C/A碼 GPS衛(wèi)星的C/A碼是一種Gold碼。 Gold碼的周期和速率與構成它的m序列是一致的，但是，改變兩個m序列之間的相位關系，可以組成一種新的Gold碼。第j顆GPS衛(wèi)星的C/A碼為Gj(t)=G1(t)G2t+Nj(10tp) G1(t)和G2(t)表示構成C/A碼的m序列；Nj表示第j顆衛(wèi)星的相位偏差系數(shù)，便于識別、跟蹤、捕獲GPS衛(wèi)星導航定位信號；tp是P碼的碼元寬度廣東工業(yè)大學

24、GPS定位技術與應用44三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號1、C/A碼 不同的衛(wèi)星，具有不同的C/A碼，它們的碼率均為1.023MHz，周期為1ms。C/A碼由兩個1023bit的m序列構成。 特征多項式：G1(x)=1+x3+x10G2(x)=1+x2+x3+x6 +x8+x9+x10廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用45三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號 G2的輸出經(jīng)過相位選擇器，使不同的GPS衛(wèi)星能有不同的C/A碼。 相位選擇的方法：改變G2的輸出模二和。例如：對于PRN01衛(wèi)星，采用第2、6級輸出模二和。(C/A)PRN01=G1G22,6對于PRN02衛(wèi)星，采用第3、7級輸出的模二和。(C/A)PRN02=G1G23,7廣東工業(yè)大學GPS定位技術與應用46三、衛(wèi)星運動及GPS衛(wèi)星信號C/A碼的特點 C/A碼碼長較短，易于捕獲。通過捕獲