GPS信号格式和导航电文

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卫星导航电文讲解

卫星导航电文讲解

卫星导航电文讲解本文内容大纲如下:⚫GPS信号讲解⚫GPS的导航电文讲解⚫GLONASS信号⚫GLONASS信号构成⚫GLONASS导航电文⚫Galileo信号⚫Galileo 信号构成⚫Galileo导航电文⚫北斗⚫北斗信号构成⚫北斗导航电文⚫GPS信号讲解GPS 卫星传输的信号主要由三个部分组成:∙载波∙测距码(伪随机码)∙导航电文每颗卫星使用两种不同的测距码来对导航电文进行扩频:∙粗略码(C/A),也称为民码,免费提供给全球用户使用,∙精细码(P),也称为军码,主要用于政府和军事机构中的高精度应用。

∙C/A 码是长度为1,023 比特的伪随机码,传输速率为1.023 Mbps,即每毫秒重复一次。

GPS 系统采用码分多址技术,每颗卫星使用不同C/A 码,在同一频率上传输信号,接收机通过对C/A码的识别来确定信号来自哪颗卫星。

∙P 码是码长为6.1871 x 1012 比特的伪随机码,传输速率为10.23 Mbps,P 码的周期很长,每周重复一次。

自1994 年起,为了反电子欺骗,P 码被W码加密得到Y 码,通常称为P (Y) 码,仅限于军事应用。

导航电文,经测距码扩频后,调制到射频载波上。

L1 载波1575.42 MHz 频带上同时调制了C/A 和P (Y) 码信号。

L2 载波1227.6 MHz 频带上只调制了P (Y)码信号。

⚫GPS的导航电文讲解导航电文由一个含有37,500 比特的主帧组成,传输速率为50 bps,电文的传送时间为12.5 min。

主帧分成25 个页面或帧,每帧由5 个子帧构成,包括时间和钟差改正数、卫星健康状况、当前卫星的星历或精密的轨道信息、以及一部分历书(包含所有卫星粗略轨道信息)。

接收机接收每颗卫星的星历数据,来确定卫星的位置。

它还需要传输时间和钟差改正数来计算伪距,进而确定接收机的位置。

这些信息在前三个子帧中传输,接收机至少需要16 秒(在最坏情况下是30 秒) 来获取这些必要信息。

gps卫星的导航电文和卫星信号4

gps卫星的导航电文和卫星信号4

0.6s 0.02s
5 25页
第一节 GPS卫星的导航GPS电测量文原理及应用
第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号
第一节 GPS卫星的导航GPS电测量文原理及应用
一、遥测字(TLM—Telemetry Word),位于各子帧的开头,作为 捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了—个 同步的起点,使用户便于解释电文数据。
GPS信号的构成
第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号
第二节 GPS卫星信GP号S测量原理及应用
三、伪随机码的产生及特性
1.随机噪声码
码是用以表达某种信息的二进制数的组合,是一组二进制的数码
序列。而这一序列又可以表达成以0和1为幅度的时间的函数,假设一
一个子帧6s长,10个字,每字30比特
1 TLM HOW 数据块—1时钟修正参数
2 TLM HOW 数据块—2星历表
1帧
30s
3 TLM HOW 数据块—2星历表继续
150
4 TLM HOW 数据块—3卫星历书等
0比 特
5 TLM HOW 数据块—3卫星历书等
第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号
第二节 GPS卫星信号
第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号
第二节 GPS卫星信GP号S测量原理及应用
方法:发射一种高频信号,并将低频的测距码信号和导航 电文信号加载到高频信号上(调制),构成一个高频的调 制波发射给地面。
GPS卫星采用L频段的两种不同频率的电磁波作为高频信 号,分别称为L1载波和L2载波。
L1载波:fl1=154×f0=1575.42Mhz,波长λ1=19.032cm L2载波:fl2=120×f0=1227.6Mhz,波长λ2=24.42cm

GPS卫星信号构成与导航电文解析

GPS卫星信号构成与导航电文解析
测距码
• 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
距离测量与GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 伪距测量的特点
伪距测量的特点
• 优点
PN序列(Pseudo Noise)---- m序列
产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。 它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。
由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最 大长度线性反馈移存器序列(m序列)。
--m序列的产生
4级反馈移存器。 1)初始状态为
(a 3,a 2,a 1 ,a 0) (1 ,0 ,0 ,0 )
C/A码(Coarse/Acquisition Code) – 粗码/捕获码
• 码长:Nu=210-1=1023 码元 • 码元周期 tuµs
(相应的码距为293.1mபைடு நூலகம் • 周期Tu=1ms • 数码率
• 码生成:由两个十级反馈移位寄存器的输出信号模 二相加而成,G(t)=G1(t) ⊕G2i[t+i(10tu)] 其中i为偏移量,共有1023不同值,仅选择其中36 个互异的C/A码。
– 现代化后
• 增加L5 – 频率:115f0;波长:
1 9 .0 3 c m 2 4 .4 2 c m
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 载波
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

10.GPS卫星导航电文

10.GPS卫星导航电文

相对论效应
就是一切都是相对的,包括时间和空间,速度 增大,也就是空间速度增加时间速度就会减少, 体积也会减少,另外你喜欢做一个事情的时候 时间会变快,否则时间会减慢,你认为一个东 西存在实际上它仅仅是对你存在,并不等于比 尔讷也可以看到同样的东西。
如果你以光速飞行,对你来说时间就会静止, 你自己的身高就会变为零;如果你超光速飞行, 时间就会倒退。
第十讲 GPS导航电文
01 基本构成 02 遥测码(TLW) 03 转换码(HOW) 04 第一数据块 05 第二数据块 06 第三数据块
一、基本构成
GPS卫星导航电文包括卫星星历、时钟改正 参数、电离层延迟改正参数、工作状态信息, 以及由C/A码确定P码信号时的交接码等参 数。
卫星电文又叫数据码(D码)。 是利用GPS进行定位、导航的数据基础。
• 卫星时钟改正
GPS采用了GPS星期和GPS时间系统(时系)。 GPS时系是以地面监控系统主控站的主(原子) 钟为基准的连续时间尺度。由于UTC时间的跳秒 和主控站主钟的不稳定性,GPS时间和UTC时间之 间存在着变化差值。
它由地面监控系统予以检测,其大小用导航 电文播发给广大用户。
另外由于相对论效应,卫星时钟比地面时钟 走得快,每秒约差448ps(10-12s)。
图10-2 一帧导航电文的内容
二、遥测码
每个子帧的第1个字码为遥测码(TLW),其 主要作用是指明卫星注入数据的状态。
遥测码开头的8个bit是同步码,作为识别电
文内容的先兆,致使用户易于解释导航电
文 1-8
9-22 23-24 25-30 bit
同步码 遥测电文 连接码 奇偶检验码
遥测码
图Байду номын сангаас0-3

第四章GPS卫星的导航电文new

第四章GPS卫星的导航电文new
G
P
S

量 第四章 GPS卫星的导航电文和卫
原 理
星信号



中 南 大 学
4.1 GPS卫星的测距码信号
G
P 1. 关于GPS卫星信号
S 测 量 原
GPS卫星所发射的信号包括载波信号、P码(或Y码)、 C/A码和数据码(或D码)等多种信号分量,其中P码和 C/A码统称为测距码。
理 及 GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素:
S 相应的距离为29.3m。周期为Tu= Nutu 267d,数码率
测 量
为10.23Mbit/s。
原 •实际应用时P码的周期被分成38部分,(每一部分为
理 及
7天,码长约6.19 1012比特),其中1部分闲置,5部
应 分给地面监控站使用,32部分分配给不同卫星,每颗
用 卫星使用P码具有相同的码长和周期,但结构不同。
中 南
5 TLM HOW 数据块—3卫星历书等


一帧导航电文的内容
G
P (1)遥测字(TLM—Telemetry WORD)
S 测
位于每个子帧的开头,作为捕获导航电文的前导。
量 (2)交接字(HOW—Hand Over Word)

紧接各子帧的遥测字,主要向用户提供用于捕获P码的

Z记数。所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零时起
频率 fL1=154×f0=1575.42MHz, 波长λ1=19.032cm, L2载波:
中 南 大
频率 fL2=120×f0=1227.6MHz, 波长λ2=24.42cm。 选择这两个载波的目的是:测量出或消除掉由

于电离层而引起的延迟误差。

GPS卫星信号

GPS卫星信号

第4章 GPS 卫星信号GPS 卫星定位测量通过用户接收机接收GPS 卫星发射的信号来测定测站坐标。

GPS 卫星信号包括测距码信号、导航电文或称D 码(数据码信号)和载波信号。

4.1 GPS 卫星的测距码信号GPS 卫星发射的测距码信号包括C/A 码和P 码,它们都是二进制伪随机噪声序列,具有特殊的统计性质。

本节从码 的基本概念入手,介绍伪随机噪声序列及其产生,以及C/A 码和P 码的产生及其特征,并简要介绍码相关伪距测量原理。

一、码的基本概念码是指表达信息的二进制数及其组合;其中每1位二进制数称为1个码元或叫1比特(bit ),它是码(或信息量)的度量单位;如果将各种信息通过量化并按某种规则表示为二进制数的组合形式,称此过程为编码,也即信息的数字化;在二进制数字化信息的传输中,每秒钟传输的比特数称为数码率,表示数字化信息的传输速度,单位为bit/s (或记为BPS )。

一组二进制数的码序列可以看作是以0或1为幅度的时间函数,以u (t )表示。

若一组码序列u (t )在时刻t 码元取0或1完全是随机的,但其出现的概率均为1/2,则称这种码元幅值完全无规律的码序列为随机噪声码序列,其特点是非周期性、无法复制且自相关性良好。

自相关性指两个结构相同的码序列的相关程度,常由自相关函数描述。

若具有相同结构的两个随机噪声码序列u(t)和()t u ~的对应码元中码值相同的码元个数为S u ,码值相异的码元个数为D u ,则它们的自相关函数R (t )可表示为uu u u D S D S t R +-=)( (4-1)根据R (t )的取值,即可确定两个随机噪声码序列是否相关,或两个码序列的相应码元是否已完全对齐。

GPS 测距码的良好自相关性是GPS 测码伪距测量的关键因素。

二、伪随机噪声码及其产生1、伪随机噪声码虽然随机噪声码序列具有良好的自相关特性,但其非周期性使其无法复制和利用。

GPS 采用一种伪随机噪声码(PRN ),不仅具有类似随机噪声码的良好自相关特性,而且具有确定的编码规则,是可以复制的码序列。

GPS卫星的导航电文和卫星信号(1)幻灯片PPT

GPS卫星的导航电文和卫星信号(1)幻灯片PPT
GPS卫星的导航电文和卫 星信号(1)幻灯片PPT
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4.1 GPS卫星的导航电文
原 25~32颗卫星 的历书;
理 及 应
(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UTC数据;
(3)第25页面提供所以卫星的型号、防电子对抗特
用 征符和第25~32颗卫星的安康状况;
(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。
量 1.时延差改正Tgd

第7字码的第17—24比
理 特表示载波L1、L2的电离层
及 时延差改正Tgd。当使用单
应 频接收机时,用Tgd改正所
观测的结果,以减小电离层
用 效应影响提高定位精度;当
采用双频接收机时,就不必
2.数据龄期AODC
第3字码的第23、和第24 比特,以及第8字码的第1—8比 特,均表示卫星时钟的数据龄 期AODC。GPS试验卫星的 AODC只占8个比特,而GPS 工作卫星却扩展到了10个比特。 A0DC是时钟改正数的外推时 间间隔,它向用户指明对卫星 时钟改正数的置信度,且知
导航电文的构造
No
I2ma.g第e 5子帧
G (1)第1~ 24页面给出第1~ 24颗卫星的历书; P (2)第25页面给出第1~ 24颗卫星的安康状况和星 S 期编号。 测 在第三数据块中,第4和第5子帧的每个页面的 量 第3字码,其开场的8个比特是识别字符,且分成 原 两种形式:〔a〕第1比特和第2比特为电文识别 理 〔DATA ID〕; 及 (b)第3比特~8比特为卫星识别〔SV ID〕。 应 第三数据块的作用:当接收机捕获到某颗GPS卫星

GPS卫星的导航电文和卫星信号(1)

GPS卫星的导航电文和卫星信号(1)

用 λ2=24.42cm。 选择这两个载波的目的是:测量出或消除掉由于
电离层而引起的延迟误差。 12
4.2 GPS卫星信号
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
G 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
P 载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时,当
测 2相加,便得到C/A码。






21
么么么么方面
• Sds绝对是假的
4.2.3 C/A 码
4.2 GPS卫星信号
G 2、C/A码特点
P
C/A码的码长很短,易于捕获。在GPS导航和定位中,为
S 了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延,通常需要对C/A
测 码逐个进行搜索。因为C/A码总共只有1023个码元,所以若
S 传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次,然后再重复
测 之,其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。

原理及应源自用3导航电文的结构
G P S 测 量 原 理 及 应

4
导航电文的结构
4.1.1 遥测字(TLW—Telemetry Word),位于各子帧的开
G 头,作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号 P 为各子帧提供了—个同步的起点,使用户便于解释电 S 文数据。
(4-2)
和定位的基本数据。
7
导航电文的结构
4.1.4 第二数据块
G
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坐标位置的信息。描述卫星的运
P 行及其轨道的参数包括下列三类。(如图4-2所示)
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重置
+3750 X1
在 L1 载波上,调制有C/A码、P码(或Y码)的数据码, 完整的信号结构为:
SL1 (t) AP Pi (t)Di (t) cos(L1t 1) ACCi (t)Di (t) sin(L1t 1)
在 L2 载波上,只用P码进行双相调制,其信号结构为:
SL2 (t) BP Pi (t)Di (t) cos(L2t 2 )
在这个强度下,信号很容易被处理。
C / N0 Sr Ga 10 log(kT0 ) N f L(dB - Hz)
表 L1和L2导航卫星信号的功率预算
下表列出了对于BLOCKⅡGPS卫星来说导航信号功率预算标,此表来自[Townsend,B-277-283]。


用户最低接收功率
GPS信号
粗测距码(C/A码) • 伪噪声码的长度周期:1023bit • 码元宽度:约为293.1m • 伪噪声码的重复周期:1ms • 时钟脉冲速率:1.023Mbit/s
精码(P码) • 伪噪声码的长度周期:6.187bit×1012bit • 码元宽度:约为29.3m • 伪噪声码的重复周期:7d • 时钟脉冲速率:10.23Mbit/s
L2(P)
-160dBW 3.0dB
184.4dB 2.0dB 3.4dB
+26.8dBW 13.5dB
-166dBW 3.0dB
182.3dB 2.0dB 4.4dB
+19.7dBW 11.5dB
+13.4dBW 21.88W
+8.2dBW 6.61W
GPS测距法
• 载波
f=1.5GHz →λ =20cm →2mm
GPS信号结构与导航电文
5.1 GPS信号结构 5.2 GPS卫星的导航电文
GPS信号GPS的所有信号来自量都是基于同一个频率产生的:两种载波,即: f0 10.23MHz
fL1 154 f0 1575.42MHz 1 19.03cm fL2 120 f0 1227.60MHz 2 24.42cm
到的信号最小为160dBW
一般条件下,GPS信号到达地面的强度大约为-130dBm/2MHz,
室温下的热噪声大约为-111dBm/2MHz,因此,信噪比S/N为-19dB。
另外一个表示信噪比的方法是载噪比C/N0(Carrier to Noise),其参考
带宽为1Hz。室温下的热噪声为-174dBm/Hz,C/N0=44dB(-130+174)
其中
G2序(t )列经过相位选择器,输入一个与平移
等价的m序列,然后 G1与(t) G2 (模t)2和相加,便
得到C/A码。
C / A(t) G1(t) G2 (t it0 )
C/A码发生器
P码发生器
4092 解码
重置
X1A 4092 基码
+
重置
X1B 4093 基码
X1 发生器
计数 3750 周期 并且 延迟 37基码
可以加密 反欺骗技术(A/S)
GPS信号
• 导航电文 1500bit播发速率50bit/s
• 数据 广播星历(S/A) 卫星时钟校正(S/A) 历书数据 电离层校正数据 卫星健康状况
GPS信号
• 选择可用性技术(S/A) 人为地引入干涉信号,显著地降低非特许用户用
GPS信号作实时导航定位测量时的精度。SA技术包括 对GPS卫星基准频率所采用的δ技术,对卫星导航电 文所采用的ε技术,对P码所采用的译密技术。
• 码元时间
t≈1μs →λ =300m →3m
• PRN码
t=1ms
→λ=300km →3km
• 数据位
t=20ms →λ=6E3km →60km
• 遥测字(TLM)
t=6s
→λ=2E6km →20 000km
时间基准源产生的10.23MHz脉冲与1.5s周期的脉
冲相互同步,以保证帧、子帧、C/A码、P码相互同步。
GPS卫星信号的两种信号分量:测距码和数据码 是采用调相技术调制到载波上的,且调制码的幅值只 取0或1。
自相关特性
• 复制信号 接收机产生与卫星相同的信号。
• 伪距测量基本原理 利用一伪码延时锁相环路,使本地复制的跟踪伪码和
接收到的伪码在码元上对齐,也即是在时间上对准,再将 跟踪伪码与本地的基准伪码进行比对,得到时间差。假如 驱动本地伪码的用户GPS接收机时钟(简称站钟)和卫星 中产生伪码的时钟(简称星钟)完全同步,则测得的时差 即为电波自卫星到用户的传播延时,相应于获得卫星与用 户之间的真实距离。若星钟与站钟不同步,则测得的距离 中含有时间误差导致的不精确成分,此时的距离称为伪距。
用户天线增益
自由空间传播损耗
总的大气损耗
极化失匹配损耗
所要卫星的EIRP
卫星天线增益@14.3º最差情况 BLOCKⅡ
离轴角
卫星天线所要求的最低输入功 率
L1(P)
-163dBW 3.0dB
184.4dB 2.0dB 3.4dB
+23.8dBW 13.5dB
+10.3dBW 10.72W
L1(C/A
• 反欺骗技术(A/S) 它是将更加保密的W码与P码模二相加形成Y
码。使得非特许用户无法接收 L2 载波上的P码。
更不能利用P码实行定位,也不能用P码和C/A码 的相位观测量进行联合测算。
伪距测量
• 如何将传送的信号进行编码 PRN码产生器 异或二进制函数 线性反馈寄存器 C/A码 P码
• 如何形成伪距测距 离散自相关技术
δ技术是将卫星的基准频率(10.23MHz)施加高频 抖动噪声信号。该信号使由基准频率派生出来的所有 信号都会出现高频抖动,从而造成测距误差和测速误 差。
ε技术是将卫星发送的GPS卫星轨道参数人为地施加 一个慢变偏移,使广播星历精度由原来的15m左右降到 75m以上;达到降低用户定位精度的目的。
GPS信号
GPS卫星天线增益
G

4r 2 2r r (1 cos )
21.3

29.28
14.7dB
GPS接收机接收功率
Pr

Pr Aeff
4Rs2u
(4PrRsu2)2
Aeff
2 4
最远的距离=25785×103,发射功率为(14.3dBW+14.7dBW),则
接收机接收到的功率为-157.8dBW,如果考虑大气损耗,接收机接收
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