第四章 GPS卫星信号

第四章 GPS卫星信号与导航电文
本章学习目标 • • • • • 熟悉卫星导航电文的内容； 了解GPS卫星信号的作用； 掌握GPS卫星信号码结构； 掌握GPS卫星位置的计算步骤； 熟悉GPS接收机的基本工作原理；
•
了解GPS数据通讯与常用数据格式。
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• 4.1 GPS卫星的导航电文
GPS卫星的时钟相对GPS时间系统存在着差值，需加以改正，这便 是卫星时钟改正。
首先对观测时间t’作卫星钟差改正：t=t’-△t
t a0 a1 (t t oc ) a 2 (t t oc )
' '
2
然后将观测时刻t归化到GPS时系
t k t t oe
GPS时 间系统
参考时刻
0 e oe e oe
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11、计算卫星在地固坐标系下的坐标
X x x cos k (t ) y cosi (t ) sin k (t ) Y RZ ( k (t )) Rx (i (t )) y x sin k (t ) y cosi (t ) cos k (t ) Z 0 y sin k (t )
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8、进行摄动改正
升交距角： 卫星矢径： 轨道倾角：
u (t ) k u (t ) r (t ) a (1 e cos Ek ) r (t ) i (t ) i0 i (t toe ) i (t )
卫星 升 交距 角 y 真 近点 角 近 地点 地心 近 地点 角距 升 交点
奇偶校验位用于发现并纠正个别错误，确保正确传输导航 电文。
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3、转换码
• 转换码(HOW—Hand Over Word），紧接着各子帧开头的遥 测字，主要是向用户提供用于捕获P码的Z计数。
• 转换码表示从每星期日零时至星期六24时，P码子码X1的 周期（1.5s）重复数。因此，知道Z计数，就知道观测时 刻P码在周期中的准确位置，便能较快的 捕获到P码。 • 通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的 准确位置，以便迅速地捕获P码。
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4、第一数据块
• 第1子帧的第3~10个字 • 含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编 号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。 • 主要内容： （1）标识码和时延差改正Tgd： 第7字码的第17—24比特表示载波L1、L2的电离层时延 差改正Tgd。当使用单频接收机时，用Tgd改正所观测 的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采 用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。
长半径 e 轨道偏心率
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1、计算卫星运行的平均角速度(n)
GM n0 3 a ( a )3 称为地球引力常数，在WGS 84系中定义为3.986005 1014 m3 s 2
n n0 n(电文给出摄动改正数)
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2、计算归化时间
• 4.2 GPS卫星位置的计算
• 4.3 GPS卫星信号
• 4.4 GPS接收机基本工作原理
• 4.5 GPS数据通讯与数据格式
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GPS卫星信号的内容

GPS卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的 信号来测定测站坐标的，那么究竟什么是GPS卫星信号呢?
L1载波 GPS载波信号 GPS 卫 星 信 号 GPS的测距码 P码
0：参考时刻升交点赤经( oe )与GPS周开始时格林尼治赤经(GASTW )之差 设e为地球自转角速度， k (t )为升交点经度，(t )为升交点赤经，则 0 oe GASTW (t ) oe (t toe )[参考时刻赤经 赤经的变化率] GAST (t ) GASTW e t[一周开周开始时刻格林恒星时 极移影响] k (t ) (t ) GAST (t ) [ oe (t toe )] [GASTW e t ] [ oe GASTW ] [ (t toe ) e (t toe ) e toe ] ( ) (t t ) t
• 第三数据块的内容每12.5分钟重复一次。
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GPS卫星广播星历预报参数及其定义
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§4.2 GPS卫星位置的计算
• 根据卫星电文所提供的轨道参数按一定公式计算： 计算思路： （1）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标 （2）然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋 y 转-k角，求出卫星在地固系下的坐标。 Z' (Z)
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卫星的星历 卫星工作状态 时间系统
L2载波
卫星钟运行状态 轨道摄动改正
大气折射改正
导航 电文
C/A码
§4.1 GPS卫星的导航电文
1、定义
• 就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行 状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码转换到P捕获码等导 航信息的数据码(或D码)。是用户用来定位和导航的数据基础。
卫星 近地点 轨道平面 r
t0 过 近 地 点 时 刻 f 真近点角 ω 近地点角距
卫星 升 交距 角 y 真 近点 角 近 地点 地心 近 地点 角距 升 交点
起始子午面
赤道面
地心 o
Y
春分点
Y' i 轨道倾角 G A ST 升交点 X' X Ω 升 交 点 赤 经 Ω k升 交 点 经 度 轨道椭圆中心 x
码元，周期为30秒。
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每个主帧又分为 5 个子帧，每个子帧都包含 300 个二
进制码，6秒钟传完。
次。
第 1、 2、3子帧每 30秒重复一次，内容每小时更新一
第 4 、 5 子帧各有 25 个页面，其内容仅在卫星注入新
的导航数据后才得到更新。
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9、计算卫星在轨道平面坐标系中的位置
x(t ) r (t ) cosu (t ) y (t ) r (t ) sin u (t )
x
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观测时刻的升交点经度=升交点赤径与 格林尼治视恒星时GAST之差
10、计算观测时刻升交点经度
k (t ) 0 ( e ) (t toe ) e toe
a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率
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5、第二数据块
• 第2和第3子帧共同 构成第二数据块， 它表示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，这是GPS定 位中最有用的电文。
M 0 , n, e, a , 0 , i0 , , , i , Cuc , Cus , Crc , Crs , Cic , Cis , toe , AODE
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3、计算t时刻卫星的平近点角 4、计算偏近点角
电文中参考时刻的 平近点角
M (k ) M 0 n (t toe )
E (k ) M (k ) e sin E (k )
5、计算真近点角
cosVk (cos Ek e) /(1 e cos Ek )
注入数据的状态。
遥测字开头的 8个比特可作为捕获导航信息的前导，其中
所含的同步信号，为各子帧提供了一个同步的起点，使用 户便于解调电文数据。
随后的 14 个比特是遥测码的电文，其内容包括控制站注
入数据时的状态、诊断信息和其他信息，以此指示用户是 否选用该颗卫星。
接下来是两个无信息意义的连接比特和 6个奇偶校验比特，
长半径 e 轨道偏心率
x
轨道平面坐标系
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轨道参数
y Z' (Z) 卫星 近地点
轨道平面 r
t0 过 近 地 点 时 刻 f 真近点角 ω 近地点角距
起始子午面
赤道面
地心 o
Y
Y' 春分点 i 轨道倾角 G A ST 升交点 X' X Ω 升 交 点 赤 经 Ω k升 交 点 经 度 轨道椭圆中心 x
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GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数
据基础。
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 转换到P码的的信息。
电文以二进制码的形式发送，码率为每秒 50比特，
每个二进制码为20ms。
电文按帧传送，每个主帧电文包含 1500个二进制
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4、第一数据块（内容）
（2）星期序号WN -GPS周 （3）星钟数据龄期AODC
AODC tOC t L
toc为第一数据块的参考时刻， tL是计算时钟参数所作测量的最后观测时间
（4）星钟改正参数：a0，a1，a2，计算任意时刻t的 钟改正数
t SV a0 a1 (t toc ) a2 (t toc ) 2
7、计算摄动改正项
升交距角摄动量： 卫星矢径摄动量： 轨道倾角摄动量：
u (t ) Cuc cos(2 k ) Cus sin(2 k ) r (t ) Crc cos(2 k ) Crs sin(2 k ) i (t ) Cic cos(2 k ) Cis sin(2 k )
• 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 f L1 154 f 0 1575.42MHz; L1 19.03cm f L 2 120 f 0 1227.60MHz; L 2 24.42 cm
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6、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。
• 第三数据块的作用：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。
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GPS卫星信号的内容
卫星的星历
卫星工作状态 GPS 卫 星 信 号 GPS载波信号 L2载波 L1载波
时间系统
导航 电文
卫星钟运行状态
C/A码
轨道摄动改正
GPS的测距码
P码
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大气折射改正
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一、GPS卫星信号
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1、GPS卫星的基准频率 f0
12、卫星在协议地球坐标系下的坐标
X Y Z
CTS
1 0 Xp
0 Yp
Xp 1
X Z
其中 X p , Yp 为地极瞬时坐标。
1 Yp Y
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§4.3 GPS卫星信号
• GPS卫星信号包括测距码信号(即P码和C/A码信 号)、导 航电文(或称D码，即数据码信号)和载波信号。 • GPS卫星信号的产生、调制和解调都非常复杂，涉及到 现代数字通讯理论和技术方面的若干高科技问题。作为 GPS信号用户，虽然可以不去深入钻研这些问题，但了解 其基本知识和概念，将有助于理解GPS卫星导航和定位测 量的 原理，因而显得十分必要。
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2、遥测码
• 遥测码(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一个同步的起点，使用户 便于解释电文数据。
同步码 遥测电文 连接码 奇偶检验码
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每个子帧的第一个字为遥测字（ TLM ），用来表明卫星
sin Vk ( 1 e 2 sin E k ) /(1 e cos E k )
Vk arctan ( 1 e 2 sin E k ) /(cos E k e)


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6、计算升交距角
k Vk w
是卫星电文中的近地 点角距
卫星与升交点的地心夹角，即真 近点角与近地点角距之和。