第三章 GNSS 系統(tǒng)組成與信號結(jié)構(gòu)-3.1 GNSS 系統(tǒng)組成 3.2 GNSS 測距碼 3.3 GNSS 信號結(jié)構(gòu)-1740142120652

第三章GNSS系統(tǒng)組成與信號結(jié)構(gòu)3.1GNSS系統(tǒng)組成3.2GNSS測距碼3.3GNSS信號結(jié)構(gòu)第三章GNSS系統(tǒng)組成與信號結(jié)構(gòu)3.2GNSS測距碼主要內(nèi)容:

電磁波基本概念

GPS信號結(jié)構(gòu)

GPS測距基本原理Slide31、電磁波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(shè)電磁波初相角為

0，角頻率，振幅為Ae，則電磁波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

y=Aesin(t+0)

0

t+0t0t1y=Aesin(t+0)Aety=

/2

=(t+0)/2

注意：相角和相位2025/5/2041）、參數(shù)周期T、頻率f、速度v、波長λ、相位φ及其相互關(guān)系：T=1/f

，λ=T.v，φ=2πft。2）、電磁波普

1）全普與窗口

2）衛(wèi)星大地測量常用普全普與窗口2025/5/205衛(wèi)星定位常用波普符號頻率GHz平均波長（cm）P0.22~0.30115L1~220S2~410C4~85X8~12.53Slide62、GPS信號結(jié)構(gòu)GPS載波信號L1載波GPS的測距碼C/A碼P碼導(dǎo)航電文衛(wèi)星的星歷衛(wèi)星工作狀態(tài)時間系統(tǒng)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)軌道攝動改正大氣折射改正L2載波GPS衛(wèi)星信號2025/5/207GPS衛(wèi)星信號構(gòu)成示意圖8

為了將低頻的測距碼信號和導(dǎo)航電文信號順利傳輸?shù)降孛?，需另外發(fā)射一種高頻信號（載波）。GPS衛(wèi)星取L波段的兩種不同電磁波頻率為載波，L1載波頻率為1575.42MHz，波長為19.03cm；L2載波頻率為1227.60MHz，波長為24.42cm。在L1載波上，調(diào)制有C/A碼、P碼（或Y碼）和數(shù)據(jù)碼；

L2載波上，只調(diào)制有P碼（或Y碼）和數(shù)據(jù)碼。調(diào)制信號:在無線電通信中，為有效地傳播信息，一般將頻率較低的信號加載到頻率較高的載波上，此時頻率較低的信號稱為調(diào)制信號。Slide92.1、GPS的載波信號L1載波頻率：1575.42MHZ波長：19cmL2載波頻率：1227.6MHZ波長：24cmcvac=

vacf=vac/TSlide10GPS的載波是L波段的微波，具有良好的穿透大氣的能力，從衛(wèi)星的發(fā)射天線發(fā)出后沿直線傳播到達(dá)地球表面，發(fā)射信號強(qiáng)度為26.8dBw，接收最低信號強(qiáng)度為-160dBw。常規(guī)GPS接收機(jī)可以進(jìn)行正常接收的最弱信號為-160dBw，而經(jīng)過稠密介質(zhì)時信號強(qiáng)度大為衰減，例如在室內(nèi)，GPS信號強(qiáng)度會衰減為-188dBw（比-158dBw弱1000倍），因而常規(guī)GPS接收機(jī)在室內(nèi)因信號太弱而不能進(jìn)行定位，在這種弱信號環(huán)境下，特殊的GPS接收機(jī)仍然可以工作，例如IndoorGPS。2.1、GPS的載波信號Slide11載波的作用是作為傳輸工具，把搭載于其上的測距碼和導(dǎo)航電文從衛(wèi)星傳播到地面；對于測量型接收機(jī)，載波又同時用作為測量信號，接收機(jī)對接收到的載波進(jìn)行相位測量，獲得高精度的相位觀測值，從而實現(xiàn)厘米乃至毫米級的高精度基線測量。2.1、GPS的載波信號Slide123.1、信號的生成3、GPS信號的構(gòu)成Slide133.2、GPS信號的調(diào)制X偽隨機(jī)噪聲碼導(dǎo)航電文(50Hz)X載波調(diào)制調(diào)制二級調(diào)制調(diào)制：將頻率較低的信號加載到頻率較高的信號上Slide14

第一級的調(diào)制第一級是導(dǎo)航電文調(diào)制到測距碼；采用二進(jìn)制編碼序列“模二和”算法；調(diào)制結(jié)果是把數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文)從50Hz擴(kuò)展到1.023MHz(對于C/A碼)010010101011010101010Slide15第二級是測距碼調(diào)制到載波，采用二進(jìn)制信號“波形相乘”的算法，將導(dǎo)航電文與測距碼合成后的二進(jìn)制碼調(diào)制到載波上

第二級的調(diào)制Slide16

L2上調(diào)制的信號L2CarrierWave1227.6MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHzSlide17L1CarrierWave1575.42MHzC/ACode1.023MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz

L1上調(diào)制的信號Slide183.2、

GPS信號的發(fā)展2025/5/20193.3測距碼的解調(diào)

在進(jìn)行GPS衛(wèi)星定位測量時，既然用戶接收機(jī)收到的GPS衛(wèi)星信號是一種已調(diào)波，那么，隨之產(chǎn)生的一個技術(shù)問題，就是怎樣從接收到的已調(diào)波中分離出測距碼信號、導(dǎo)航電文信號以及純凈的載波信號，這項技術(shù)稱為信號的解調(diào)。當(dāng)用戶接收機(jī)收到GPS衛(wèi)星信號后，通?？刹捎靡韵聝煞N方法進(jìn)行信號的解調(diào)：

（1）碼相關(guān)解調(diào)技術(shù)

（2）平方解調(diào)技術(shù)

2025/5/2020（1）碼相關(guān)解調(diào)技術(shù)由于調(diào)制波是以碼狀態(tài)與載波相乘實現(xiàn)的，當(dāng)碼狀態(tài)由＋1變?yōu)?1，或由-1變?yōu)椋?時，都會使調(diào)制后的載波改變相位，產(chǎn)生相位躍遷而形成已調(diào)波。因此，要想恢復(fù)載波，只需用接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼信號，在同步條件下與衛(wèi)星信號相乘就可以了。其原因是由于接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼信號，與GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號結(jié)構(gòu)完全相同，在經(jīng)過碼相關(guān)清除時延差后，可實現(xiàn)完全同步。這樣原先因乘-1而被改變的相位，現(xiàn)在又因再乘-1而得到恢復(fù)。2025/5/2021碼信號的調(diào)制與解調(diào)過程

2025/5/2022（2）平方解調(diào)技術(shù)由于處于±1狀態(tài)的調(diào)制碼信號，經(jīng)平方后均為＋1，而＋1不改變載波相位，所以衛(wèi)星信號經(jīng)平方后即可達(dá)到解調(diào)的目的。當(dāng)用戶接收到GPS衛(wèi)星信號后，首先通過變頻而得一中頻信號，這時信號結(jié)構(gòu)無任何變化，僅僅只降低了載波頻率。電路再將所獲得的中頻GPS衛(wèi)星信號自乘，消去加載在載波上的測距碼信號和數(shù)據(jù)碼信號，達(dá)到解調(diào)的目的。最后，電路輸出經(jīng)過解調(diào)后的純凈載波。平方解調(diào)技術(shù)可不必知道調(diào)制碼的結(jié)構(gòu)，但它在解調(diào)時不僅消去了測距碼信號，同時也消去了數(shù)據(jù)碼信號，因此不能用來恢復(fù)導(dǎo)航電文。2025/5/2023平方解調(diào)技術(shù)電路示意圖243、導(dǎo)航電文及其格式導(dǎo)航電文：是包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼（或D碼）。

導(dǎo)航電文也是二進(jìn)制碼，依規(guī)定格式組成，按幀向外播送。每幀電文含有1500比特，播送速度50bit/s，每幀播送時間30s。25導(dǎo)航電文的格式123451234567891030s6s0.02s0.6s25頁10個字30比特26

每幀導(dǎo)航電文含5個子幀，每個子幀分別含有10個字，每個字30比特，故每個子幀共300比特，播發(fā)時間6s。為記載多達(dá)25顆衛(wèi)星，子幀4、5各含有25頁。子幀1、2、3和子幀4、5的每一頁構(gòu)成一個主幀。主幀中1、2、3的內(nèi)容每小時更新一次，4、5的內(nèi)容僅當(dāng)給衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航電文后才得以更新。27一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容TLMHOW數(shù)據(jù)塊—1時鐘修正參數(shù)TLMHOW數(shù)據(jù)塊—2星歷表TLMHOW數(shù)據(jù)塊—2星歷表繼續(xù)TLMHOW數(shù)據(jù)塊—3衛(wèi)星歷書等TLMHOW數(shù)據(jù)塊—3衛(wèi)星歷書等12345一個子幀6s長，10個字，每字30比特1幀30s1500比特28（1）遙測碼（TLM—TelemetryWORD）

位于每個子幀的開頭，它用來表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。（2）轉(zhuǎn)換碼（HOW—HandOverWord）

轉(zhuǎn)換碼位于每個子幀的第二個字碼。其作用是提供幫助用戶從所捕獲的C／A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的Z計數(shù)。(Z計數(shù)表示從每星期六或星期日午夜零時起算的對P碼中的PN1的累計數(shù))29（3）數(shù)據(jù)塊1：第一數(shù)據(jù)塊位于第1子幀的第3—10字碼，它的主要內(nèi)容包括：①時延差改正：時延差改正表示信號在衛(wèi)星內(nèi)部的時誕差，從產(chǎn)生到衛(wèi)星發(fā)射天線所走時間的差異。②星期序號WN：表示從1980年1月6日協(xié)調(diào)時零點(diǎn)起算的GPS時星期數(shù)。當(dāng)GPS周數(shù)變換后,所用的GPS信號接受機(jī)及其相應(yīng)處理軟件均應(yīng)調(diào)整.第一批的1024個GPS星期已于1999年8月22日子夜結(jié)束,第二批到2019年4月6日,第三批到2038年11月20日.④數(shù)據(jù)齡期AODA：表示基準(zhǔn)時間t0e與最近一次更新星歷的時間之差，主要用于評價鐘改正數(shù)的可信程度。⑤衛(wèi)星時鐘改正系數(shù)等：衛(wèi)星鐘改正參數(shù)a0、a1、a2分別表示該衛(wèi)星的鐘差、鐘速和鐘速變化率。任意時刻t的鐘改正數(shù)為

t=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。30數(shù)據(jù)塊2：2個時間參數(shù)：①從星期日子夜零時開始度量的星歷參考?xì)v元t0e；②外推星歷時的外推時間間隔AODE，亦即星歷數(shù)據(jù)的齡期，它可反映外推星歷的可靠程度。6個開普勒軌道參數(shù)：es；as1/2；

0；i0；s；Ms0。9個軌