GPS卫星的信号结构

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GPS卫星信号结构

概述

• GPS卫星信号的组成部分
  
  
  
  • 载波（Carrier）
    
    
    
    • L1
      
    • L2
      
    
    
  • 测距码（Ranging Code）
    
    
    
    • C/A码（目前只被调制在L1上）
      
    • P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）
      
    
    
  • 卫星（导航）电文（Message）
    
    
    
    • GPS卫星信号的生成
      
    
    
  
  
• 关键设备 – 原子钟
  

GPS卫星的基准频率

• 由卫星上的原子钟直接产生
  
• 频率为10.23MHz
  
• 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频
  

载波①

• 作用
  
  
  
  • 搭载其它调制信号
    
  • 测距
    
  • 测定多普勒频移
    
  
  
• 类型
  
  
  
  • 目前
    
    
    
    • L1 – 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm
      
    • L2 – 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm
      
    
    
  • 现代化后
    
    
    
    • 增加L5 – 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm
      
    
    
  
  

载波②

• 特点
  
  
  
  • 所选择的频率有利于测定多普勒频移
    
  • 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响
    
  • 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）
    
  
  

测距码①

• 作用
  
  
  
  • 测距
    
  
  
• 性质
  
  
  
  • 为伪随机噪声码（PRN － Pseudo Random Noise）
    
  • 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）
    
  • 对齐的同一组码间的相关系数为1
    
  
  

测距码②

• 类型
  
  
  
  • 目前
    
    
    
    • C/A码（Coarse/Acquisition Code） – 粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上
      
    • P（Y）码（Precise Code） – 精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上
      
    
    
  • 现代化后
    
    
    
    • 在L2上调制C/A码
      
    • 在L1和L2增加调制M码
      
    
    
  
  

卫星（导航）电文①

• 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息
  
• 基本结构
  

卫星（导航）电文②

• 基本内容
  

卫星（导航）电文③

• 遥测字（TLM – Telemetry Word）
  
  
  
  • 每一子帧的第1个字
    
  • 用作捕获导航电文的前导
    
  
  
• 交接字（HOW – Hand Over Word）
  
  
  
  • 每一子帧的第2个字
    
  • 主要内容：Z计数
    
  
  

卫星（导航）电文④

• 第一数据块
  
  
  
  • 第1子帧的第3~10个字
    
  • 内容：
    
    
    
    • WN – GPS周
      
    • L2所调制测距码标识符 – “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码
      
    • 传输参数N – URA
      
    • TGD – 信号在卫星内部的时延
      
      
      
    • 星钟数据龄期AODC
      
      
      
    • 星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）
      
      
    
    
  
  

卫星（导航）电文⑤

• 第二数据块
  
  
  
  • 第2、3子帧的第3~10个字
    
  • 内容
    
    
    
    • 该发送信号卫星的星历 － 广播星历
      
    • 星历参数
      
      
    
    
  
  

卫星（导航）电文⑥

• 第三数据块
  
  
  
  • 第4、5子帧的第3~10个字
    
  • 内容：所有卫星历书（概略星历）
    
  • 第三数据块的内容每12.5分钟重复一次
    
  
  

星历参数详解①

星历参数详解②

星历参数详解③


星历参数详解④

卫星信号的调制①

• 模二和
  
  
  
  • 运算规则
    
    
    
  • 二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则
    
    
  
  

卫星信号的调制②

卫星信号的调制③

• GPS卫星信号的调制
  
  
  
  • 示意图
    
    
    
    
    
    
  • 卫星信号的调制原理
    
    
  
  

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置①

• 计算思路
  
  
  
  • 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标
    
  • 然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标
    
  
  

轨道参数

轨道平面坐标系

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置③

• 计算过程
  
  
  
  • 计算卫星运行的平均角速度
    
    
    
    
  • 计算t时刻卫星的平近点角
    
    
    
  • 计算偏近点角
    
    
  
  

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置④

• 计算过程（续）
  
  
  
  • 计算真近点角
    
    
    
  • 计算升交距角（未经改正的）
    
    
    
  • 计算卫星向径
    
    
  
  

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑤

• 计算过程（续）
  
  
  
  • 计算摄动改正项
    
    
    
  • 进行摄动改正
    
    
    
  • 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置
    
    
  
  

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑥

• 计算过程（续）
  
  
  
  • 计算升交点经度
    
    
    
    
  • 计算卫星在地固坐标系下的坐标
    
    
    
  
  

GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置

GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置

李小路

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