GNSS课件-卫星导航电文及卫星信号

JJF1471- 2014《全球导航卫星系统(GNSS)信号模拟器校准规范》解读

【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2015-1-10 23:24:22

一、规范制定背景及目的

1.GNSS信号模拟器

在和卫星导航相关的科研、应用等过程中，仅依靠全球导航卫星系统(GNSS)接收机(以下简称“接收机”)来接收导航卫星信号的方式，会受到(如可视卫星数、天气、电磁环境等)诸多不可控因素影响科研、验证工作的进度和效率，并且受条件限制，无法得到多样化的导航卫星状态场景来满足需求。因此，利用GNSS信号模拟器来模拟各种导航卫星信号就成为首选项。GNSS信号模拟器(以下简称“模拟器”)是GNSS系统信号发生器，能够根据运动载体的状况，提供全球导航卫星系统信号仿真，精确模拟产生载体能够收到的GNSS卫星信号。卫星星座包括GPS、GALILEO、GLONASS、BDS等，可用在GNSS接收机的研发、生产和计量过程的各个环节，可对接收机的捕获、跟踪和测量准确度进行测量鉴定， 是GNSS接收机校准过程中的关键计量器具。

图1为信号模拟器的基本结构和工作原理。数学仿真控制软件对导航卫星、信号传输环境和接收用户进行建模，模拟导航系统全星座的运行和用户的运动状态，运算产生信号模型参数，通过这些信号模型参数控制生成真实的动态导航射频信号。射频信号生成模块根据仿真计算得到的电文与各模拟通道的模型控制参数，按照各导航系统接口控制协议(ICD)要求，生成各种卫星导航射频信号。

图1 GNSS信号模拟器的基本结构和工作原理

目前，市场上的模拟器主要应用于进行接收机校准及其方法研究，并应用于日后各种接收机(包括高动态、高灵敏度接收机)的校准工作，在开发、资质审查、认证中对接收设备进行精确的测量和评估，减少或完全消除现场测试的高额费用， 摆脱在实际环境中应用的限制。同时兼顾应用于接收机内部延时的测量及其研究， 此项指标的测量是精密时间传递及其研究的基础。大部分模拟器产品为国外厂商生产(如Spirent等品牌)，其产品的各项指标较高、性能较先进。很多国内厂商已具备自主研发生产模拟器的能力，并且自主研发生产规模不断扩大，技术水平不断提高。

卫星系统卫星信号中心频率(MHz)伪码长度伪码速率(MHz)伪码时间(ms)

L1 C/A1575.4210231.0231

L2CM1227.6102300.511520

L2CL1227.67672500.51151500

L5I1176.451023010.231

L5Q1176.451023010.231

L1C_d1575.42102301.02310

L1C_p1575.42102301.02310

E1b1575.4240921.0234

E1c1575.4240921.0234

E5aI1176.451023010.231

E5aQ1176.451023010.231

E5bI1207.141023010.231

E5bQ1207.141023010.231

E6b1278.7551155.1151

E6c1278.7551155.1151

L116025110.5111

L212465110.5111

L1OCd1600.99510230.51152

L1OCp1600.99540920.51158

L2CSI1248.06???

L2OCp1248.06102300.511520

L3OCd1202.0251023010.231

L3OCp1202.0251023010.231

B1I1561.09820462.0461

B1Q1561.098long2.046-

B2I1207.1420462.0461

B2Q1207.14long10.23-

B3I1268.521023010.231

B3Q1268.52long10.23-

B1C_d1575.42102301.02310

B1C_p1575.42102301.02310

B2a_d1176.451023010.231

B2a_p1176.451023010.231

B2b_d1207.1410230/511510.231

B2b_p1207.1410230/511510.231

B3C_d1278.75/1268.521023010.231

一GNSS 测量原理及应用

（一）、GPS 基本原理 GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当 GPS 卫星正常工作时，会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。 GPS 系统使用的伪码一共有两种， 码。 分别是民用的 C/A 码和军用的 PY） C/A码频率 1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距 1 微秒，相当于 300m；P 码频率10.23MHz，重复周期 266.4 天，码间距 0.1 微秒，相当于 30m。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以 50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。前三帧各 10 个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在

WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。 可见 GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标 x、y、z 外，还要引进一个Δt 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到 4 个卫星的信号。 GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及 GPS 系统信息，如卫星状况等。 GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对 0A 码测得的伪距称为 UA 码伪距，精度约为 20

.

. GNSS信号频点综述

一、GPS系统的信号体质

GPS的所有信号分量都是基于同一个频率产生的：

MHzf23.100

两种载波，即：

MHzffL42.157515401 MHzffL60.122712002

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。

在1L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：

在2L载波上，只用P码进行双相调制，其信号结构为：

其信号图示如下[1]：

11111()()()cos()()()sin()LPiiLCiiLStAPtDttACtDtt222()()()cos()LPiiLStBPtDtt.

. 图1 GPS码率示意

图2 GPS各信号示意

其信号功率分配图如下[1]：

图3 GPS信号功率分配图

1999年1月25日由美国副总统发表了进行GPS现代化的文告，文告指出：一是要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；二是要阻扰地方的使用，事假干扰；三十要保持再有威胁地区以外的民用用户有更加精确更安全的使基本频率10.23MHz÷204560÷10×154×1201575042MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHz数据码或D码50BPS1227.60MHzP码10.23MHz数据码或D码50BPS2L1L.

. 用。

GPS现代化第一阶段：发射12颗改进型的GPS BLOCK ⅡR型卫星。在2L上加载CA码，在1L和2L上试验性的加载新军码（M码）。

下图为新增M码后的信号频点图示[2]：

图4 GPS新增M码后信号功率示意

GPS现代化第二阶段：发射6颗GPS BLOCK ⅡF型卫星。除上述功能外，在此还增加了5L频点，作为新的民用频点。

GPS现代化第三阶段：发射GPS BLOCK Ⅲ型卫星。计划用近20年的时间完成GPS Ⅲ计划，取代目前的GPSⅡ[3]。