第八章GPS测量的设计与实施.docx

1、第八章GPS测量的设计与实施GPS定位原理及应用授课教案GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文 GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码（D码）：是用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延码转换到捕获P码的信息。 它的基本单位是长1500bit的一个主帧（如图4-1所示），传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。 4.1.

2、1遥测码（TLW，即Telemetry Word）遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据的状态，以次指示用户是否选用该颗卫星。4.1.2转换码（HOW,即Hand Over Word）转换码位于每个子帧的第二个字码，其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数，它表示从每星期天零时到星期六24小时，P码子码X1的周期（1.5秒）重复数。4.1.3 第一数据块第一数据块位于第1子帧的第310字码，它的主要内容包括：标识码，时延差改正；星期序号；卫星健康状况；数据龄期；卫星时钟改正系数等。 1.时延差改正 时延差改正 就是载波L1、L2的电离层时延差。当使用单频接收机时，为

3、了减小电离层的影响，提高定位精度，要用 改正观测结果，双频接收机可通过L1，L2两频率的组合来消除电离层的影响，不需要此项改正。2.数据龄期AODC卫星时钟的数据龄期AODC是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。AODC=Toc-tl (4-1)式中：toc为第一数据块的参考时刻；tl是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间。3.星期序号WNWN表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。4.卫星时钟改正GPS时间系统是以地面主控站的主原子钟为基准。由于主控站主钟的不稳定性，使得GPS时间和UTC时间之间存在着差值。地面监控系统通过临测确定出这种

4、差值，并用导航电文播发给广大用户。每一颗GPS卫星的时钟相对GPS时系存在着差值，需加以改正，这是卫星时钟改正：ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2 (4-2) 式中，a0,a1,a2含义见 3.4节。4.1.4 第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类。（如图4-2所示）1.开普勒六参数这6个参数为： ，e,i0,0,M0（其含义同 3.4）。2.轨道摄动九参数这9个参数为：n， , ，Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis（其含义同 3.4）3.时间二参数(1)

5、从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe；(2)星历表的数据龄期AODE，有:AODEtoe-t1 （）式中t1为作预报星历测量的最后观测时间，因此AODE就是预报星历的外推时间长度。4.1.5 第三数据块第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。1.第4子帧(1)第2，3，4，5，7，8，9，10页面提供第2532颗卫星的历书；(2)第17页面提供专用电文，第18页面给出电离层改正模型参数和

6、UTC数据；(3)第25页面提供所以卫星的型号、防电子对抗特征符和第2532颗卫星的健康状况；(4)第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24页作备用，第13，14，15页为空闲页。2.第5子帧(1)第124页面给出第124颗卫星的历书；(2)第25页面给出第124颗卫星的健康状况和星期编号。在第三数据块中，第4和第5子帧的每个页面的第3字码，其开始的8个比特是识别字符，且分成两种形式：（a）第1和第2比特为电文识别（DATA ID）；(b)第38比特为卫星识别（SV ID）。4.2.1 概述GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、测

7、距码和数据码。时钟基本频率为10.23MHz。GPS信号的产生，如图4-3所示。 GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其载波处于L(22cm)波段，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码。GPS卫星向广大用户发送的导航电文称为数据码，其码的码率f=50HZ。怎样才能有效将低码率的导航电文发送给用户这是关系到GPS系统成败与否的大问题。一种有效的发送方法是：用低码率的数据码作二级调制(扩频)。第一级，用50Hz的D码调制一个伪噪声码，如调制一个被叫做P码的伪噪声码，后者的码率高达10.23MHZ。D码调制P码的结果是形成一个组合码，致使D码信号的频带宽度从50Hz扩展到

8、了10.23MHZ，也就是说，GPS卫星原拟发送50bits的D码，转变为发送10.23Mbits的组合码P(t)D(t)。在D码调制伪噪声码以后，再用它们的组合码去调制L波段的载波，实现D码的第二级调制从而形成向用户发送的已调波。每颗GPS卫星向用户发送两种巳调波。为了叙述方便，分别将两者称为第一和第二GPS卫星射电信号，总称为GPS信号。1、 两种载波在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。GPS使用两种载波：L1载波：fL1=154f0=1575.42MHz,波长1=19.032c

9、m,L2载波：fL2=120f0=1227.6MHz,波长2=24.42cm。选择这两个载频，目的在于测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差。2、测距码GPS卫星的测距码是用调相技术调制到载波上的。调制码幅值只取0或1。如果当码值取0时，对应的码状态取为-1，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载波和相应的码状态+1相乘时，其相位不变，而当与码状态-1相乘时，其相位改变180。所以当码值从0变1或从1变为0时，都将使载波相位改变180。这时的载波信号实现了调制码的相位调制（见图4-4a）。3、数据码数据码即为4.1节中的导航电文。根据这一原理，GPS中的三种信号将按图4-

10、4b的线路进行合成，然后向全球发射，形成今天随时都可以接收到的GPS信号。 从图上看出，卫星发射的所有信号分量都是由同一基本频率f0(A点)产生的，其中包括：载波L1(B点)，L2（C点），粗测距码C/A（D点），精测距码（F点）和数据码（G点）。经卫星发射天线（H点）发射出去。发射的信号分量包括：L1-C/A（J点），L1-P信号（K点），L2-P信号（L点）。4.2.2 伪随机噪声码的产生及特性伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。1、 产生方式 伪随机码的产生方式很

11、多。GPS技术采用m系列，即产生于最长线性反馈移位寄存器。下面以一个由四级反馈移位寄存器组成的m序列为例。假设初始状态为(a3,a2,a1,a0)=（1，0，0，0），则在每移一位时，由a3和a0模2相加，产生新的输入a3a0，使状态变为（1，1，0，0）。这样移位15次，又回到初始状态。在完成这一过程中，其输出端产生一个随机码000111101011001。见图4-5 。M序列有下列特性：(1)均衡性：在一个周期中，“1”与“0”的数目基本相等，“1”比“0”的数目多一个。它不允许存在全“0”状态。(2)游程分布：在序列中，相同的码元连在一起称为一个游程。一般说来，长度为1的游程占总数的1/

12、2，长度为2的游程占总数的1/4，余此类推。连“1”的游程和连“0”的游程各占一半。(3)移位相加特性：一个m序列mp与其经过任意次延迟移位产生的另一个序列mr模2相加，得到的ms仍是m序列，即 :mpmr=ms(m序列) (4-6)(4)自相关函数：根据自相关函数的定义，可求得m序列的自相关函数： 式中:A为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素相同的数目；D为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不同的数目；M为m序列的周期, M=2n-1。根据以上m序列的特性，其自相关函数为：现将m序列的自相关函数示于图4-6中。由此图看出，m序列的自相关函数只有两种取值1或-1/m。这一特殊性非常

13、重要，GPS信号接收机就是利用这一特性使所接收的伪噪声码和机内产生的伪噪声码达到对齐同步，进而捕获和识别来自不同GPS卫星的伪噪声码，解译出它们所传送的导航电文，测定从卫星到测站之间的距离等。 2、伪噪声特性：如果我们对随机噪声取样，并将每次取样按次序排成序列，我们发现其功率谱为正态分布。由此形成的随机码具有噪声码的特性，伪随机码特性上与随机噪声十分相似，具有的良好的自相关特征和确定的编码规则，使我们人工能复制出来。4.2.3 C/A码1、产生方式 C/A码是伪随机操声码的中一种，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。两个移位寄存器于每星期六

14、/日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，序列G1(t)和G2(t)。G2(t)序列经过相位选择器，输入一个与G2(t)平移等价的m序列，然后与G1(t)模2相加，便得到C/A码:2、C/A码特点 从这些G（t）码中选择32个码以PRN1PRN32命名各种GPS卫星。由于C/A码长很短，易于捕获，所以C/A码除了作为粗测码外，还作为GPS卫星信号的捕获码。并由此过渡到捕获P码。3、C/A码精度 C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码宽的1/101/100，则此进相应的测距误差为29.32.93m。现代科学技术的发展，使得测距分辨率大大提高

15、。一般最简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到0.1m。4.2.4 P码1、产生方式 P码是卫星的精测码，码率为10.23MHz。它是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的。PN1(t)是由两级12位移位寄存器构成的。两个移位寄存器分别采用反馈点八进制编码14501和17147形成周期为1.5秒的m序列PN1（t）。相应的周期为: ,在实际应用中，P码采用7天的周期，即在P(t)=PN1(t)PN2(t+ni)中截取段周期为7天的P码，并规定每星期六午夜零点使P码置全“1”状态作为起始点。2、P码精度 P码周期为约267天才重复一次。因此，实际上P码周期被分为38部分(每一部分周期

16、为7天，码长约为619X1012比特)，其中有一部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星。这样，每颗卫星所使用的P码不同部分，便都具有相同的码长和周期，但结构不同。因为P码的码长约为619x1012比特，所以如果仍采用搜索CA码的办法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，那将是无法实现的(约需14x105天)。因此，一般都是先捕获CA码，然后根据导肮电文中给出的有关信息(即Z计数，获得观测时刻在P码中的位置)，便可容易地捕获P码。 另外，由于P码的码元宽度为CA码的110，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l10l100，则由此引起的相应距离误

17、差约为293-029m，仅为CA码的110。所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码。3、P码特点 根据美国国际部规定，P码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。即使如此，美国国防部又宣布实施AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对禁止非特许用户应用。GPS卫星位置的计算 4.3.1 概述在用GPS信号进行导航定位以及制订观测计划时，都必须已知GPS卫星在空间的瞬间位置。卫星位置的计算是根据卫星电文所提供的轨道参数按一定的公式计算的。本节专门讲解观测瞬间GPS卫星在地固坐标系中坐标的计算方法。4.3.2 卫星位置的计算1. 计

18、算卫星运行的平均角速度n根据开普勒第三定律，卫星运行的平均角速度n0可以用下式计算： 式中为WGS-84坐标系中的地球引力常数，且=3.9860051014m3/s2。平均角速度n0加上卫星电文给出的摄动改正数n，便得到卫星运行的平均角速度nn=n0+n (4-12)2. 计算归化时间tk首先对观测时刻t作卫星钟差改正t=t-t然后对观测时刻t归化到GPS时系tk=t-toc (4-13)式中tk称作相对于参考时刻toe的归化时间（读者注意：toctoe）。3. 观测时刻卫星平近点角Mk的计算Mk=M0+ntk (4-14)式中M0是卫星电文给出的参考时刻toe的平近点角。4. 计算偏近点角E

19、kEk=Mk+esinEk(Ek,Mk以弧度计) （4-15）上述方程可用迭代法进行解算，即先令Ek=Mk,代入上式，求出Ek再代入上式计算，因为GPS卫星轨道的偏心率e很小，因此收敛快，只需迭代计算两次便可求得偏近点角Ek。5. 真近点角Vk的计算由于:因此:6升交距角k的计算为卫星电文给出的近地点角距。7. 摄动改正项u,r,i的计算u,r,i分别为升交距角u的摄动量，卫星矢径r的摄动量和轨道倾角i的摄动量。8. 计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik9. 计算卫星在轨道平面坐标系的坐标卫星在轨道平面直角坐标系（X轴指向升交点）中的坐标为10. 观测时刻升交点经度k的计

20、算升交点经度k等于观测时刻升交点赤经（春分点和升交点之间的角距）与格林泥治视恒星时GAST（春分点和格林尼治起始子午线之间的角距）之差，k=-GAST （4-23）又因为: (4-24)其中oe为参与时刻toe的升交点的赤经；是升交点赤经的变化率，卫星电文每小时更新一次和toe。此外，卫星电文中提供了一周的开始时刻tw的格林尼治视恒星时GASTw。由于地球自转作用，GAST不断增加，所以:GAST=GASTw+et （4-25）式中e=7.2921156710-5rad/s为地球自转的速率；t为观测时刻。由式（4-24）和（4-25），得:由（4-13）式，得:其中 ， 、 、 的值可从卫星电

21、文中获取。11. 计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标把卫星在轨道平面直角坐标系中的坐标进行旋转变换，可得出卫星在地心固定坐标系中的三维坐标：12. 卫星在协议地球坐标系中的坐标计算考虑极移的影响，卫星在协议地球坐标系中的坐标为下面给出1997年11月9日2时0秒对GPS6号卫星位置计算的结果。所用的卫星星历参数见第三章 3.4。请读者按照9号卫星的星历参数计算上述时刻的卫星位置。GPS接收机基本工作原理 4.4.1 GPS接收机的分类1.按接收机的用途分类 按用途接收机可分为：(1) 导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪

22、距测量，单点实时定位精度较低一般为25m,有SA影响时为100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/s以上，因此对接收机的要求更高。(2) 测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。(3) 授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文

23、台及无线电通讯中时间同步。2.按接收机的载波频率分类(1) 单频接收机单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。(2) 双频接收机双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。3.按接收机通道数分类GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：(1) 多通道接收机(

24、2) 序贯通道接收机(3) 多路多用通道接收机4.按接收机工作原理分类(1) 码相关型接收机码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。(2) 平方型接收机平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。(3) 混合型接收机这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。(4) 干涉型接收机这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。4.4.2 GPS接收机的组成及工作原理GPS接收机主要由 1、GPS接收机天线单元；2

25、、GPS接收机主机单元；3、电源三部分组成。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存贮器及显示器组成（见图4-8）。 1.GPS接收机天线天线由接收机天线和前置放大器两部分所组成。天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大。为便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测，对天线部分有以下要求：天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，减少信号损失；能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；有防护与屏蔽多路径疚的措施；天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心昼一致。GPS接收机天线有下列几种类型：(1)单板天线这种天线结构简单、体

26、积较小，需要安装在一块基板上，属单频天线。(2)四螺旋形天线四螺旋形天线是由四条金属管线绕制而成，底部有一块金属掏板。这种天线频带寒风，全圆极化性能好，可捕捉低高度角卫星。缺点是不能进行双频接收，抗震性差，常用作导航型接收机天线。(3)微带天线微带天线是在厚度为h（h）的介质板两边贴以金属片。一边为金属底板，一边做成矩形或圆形等规则形状，见图4-9。这种天线也称为贴片天线。微带天线的特点是高度低，重轻，结构简单并且坚固，易于制造；既可用于单频机，又可用于双频机。缺点是增益较低。目前大部分测地型天线都是微带天线。这种天线更适用于飞机、火箭等高速飞行物上。(4)锥形天线锥形天线是在介质锥体上，利用

27、印刷电路技术在其上制成导电圆锥螺旋表面，也称盘旋螺线型天线。这种天线可以同进出在两个频率上工作。锥形天线的特点是增益好。但是由于其天线较高，并且在水平方向上不对称，天线相位中心与几何中心不完全一致。因此，在安置天线时要仔细定向并且要给于补偿。GPS天线接收来自20000km高空的卫星信号很弱，信号电平只有-50-180dB;输入功率信噪比为S/N=-30dB。即信号源淹没在噪声中。为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大器。对于双频接收机设有两路前置放大器以养活带宽，控制外来信号干扰，也防止f1,f2信号干扰。大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起，但也有些导航型接收机为减少天线重量、便

28、于安置、避免雷电事故，而将天线和前置放大器分开。2.接收机主机(1)变频器及中频接收放大器经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。(2)信号通道信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。不同类型的接收机其通道是不同的。GPS信号通道的作用有三：搜索卫星，索引并跟踪卫星；对广播电文数据信号衽解扩，解调出广播电文；进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。图4-10为相关通道的电路原理图。 从卫星接收到的信号是扩频的调制信号，所以要经过解扩、解调才能得到导航电文。为了达到此目的，在相关通道电路

29、中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。(3)存贮器接收机内设有存贮器或存贮卡以存贮卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。目前，GPS接收机都装有半导体存贮器（简称内存），接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。在存贮器内还装有多种工作软件，如：自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件等。(4)微处理器微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。其离要工作步骤为：接收机开机后首先对整个接收机工作善进行自检，并测定、校正、存贮各通道的时延值。接收机对卫星进行搜索捕捉卫星

30、。当捕捉到卫星后即对信号进行牵引和跟踪，并将基准信号译码得到GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预置位置更新率计算新的位置。根据机内存贮的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星卫星升降时间、方位和高度角。根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数航偏距、航偏角、航行速度等。接收用户输入信号，如：测站名，测站号，作业员姓名，天线高，气象参数等。(5)显示器GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息。并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作，对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至

31、显示数字地图。3.电源GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存贮器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电流交换器。综上所述，接收机的主要任务是：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一不定期卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强有力的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。GPS测量原理及应用第一章 绪论1.1 GPS卫星定位技术的发展1.1.1 早期的卫星定位技术1、无线电导航系统 1） 罗兰-C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成