第 3 讲 GPS定位系统组成及导航电文结构分解

（ 第 3数 据 块 ）
(300bits)
(300bits)
(300bits)
(300bits)
(300bits)
(300bits)
第1字 遥测字
第2字 交接字
...
第10字
第1字
第2字
(30bits) 遥测字 交接字
...
第10字
(30bits)
...
(30bits) (30bits)
(30bits) (30bits)
铯原子钟
计算机
2块7m2的太阳能翼板
无线电收发两用机
导航荷载（接收数据，发 射测距和导航数据）
姿态控制和太阳能板指向 系统
GPS卫星结构
在星体两端面上 装有全向遥测遥 控天线，用于与 地面监控网通信。
双叶对日定向太阳能
电池帆板，全长 5.33m，接受日光面 积7.2m2。
多波束定向天线，这是一种由12个单元构成 的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段 的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。
（5）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫 星的姿态和启用备用卫星。
2、地面监控部分
科罗拉多•斯必灵 司
55
夏威夷
阿松森
迭哥•伽西亚
卡瓦加兰
地面监控部分主要包括：一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein)
第二节、GPS卫星信号
导航电文
第1主帧
第2主帧
...
(1500bits)
(1500bits)
第25主帧 (1500bits)
第1子帧 （第1数据块）
(300bits)
第2子帧
第3子帧
第4子帧
第5子帧
第1子帧
...
第5子帧
（第2数据块） （第2数据块） （第3数据块） （第3数据块） （第1数据块）
➢第13、14、15页面为空闲页面。
第二节、GPS卫星信号
第5子帧内容：
➢第1-24页面提供1-24颗卫星的历书； ➢第25页面提供1-24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8bit是识别字符，且分成两种形式： 第1和第2bit为电文识别（DATA ID）； 第3-8bit为卫星识别（SV ID）。
第二节、GPS卫星信号
二、GPS卫星信号构成
下图为GPS卫星信号的构成示意图。图中说明所 有信号分量是根据同一基准频率（图中A点）产生的， 其中包括载波（B点），（C点），调制在载波上的 调相信号C/A码（D点），P码（F点）和数据码（G 点），经卫星发射天线（H点）发射的信号分量包括： C/A码信号（J点）， L1—P码信号（K点）和L2—P 码信号（L点）。
第二节、GPS卫星信号
第一数据块 第一数据块位于第1子帧的第3～10字码，它的主要内
容包括： a、时延差改正Tgd——信号在卫星内部的时延差。
b 、数据龄期AODC——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。
C、 星期序号WN——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。
小结
1、GPS系统的三大组成部分介绍； 2、GPS信号的构成：载波、PRN码、调制； 3、GPS导航电文的帧结构与含义。
作业
1、GPSjieshouji？
五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)
2、地面监控部分 地面主控站的作用
主控站的作用
收集数据 数据处理 监测与协调
控制卫星
2、地面监控部分
地面监控站的作用
伪距
监控站 测
导航数据 气象数据
卫星状态数据
注入站的作用
传送 主控站
注入站的主要作用是将主控站需传输给卫星的资 料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发 送。
3、用户接收部分
显示控制器
GPS信号接收
机 天线
前置放大器
信号
供电
射电部分
命令 数据
供电，控制
微处理器
信息
数据
控制
供电
电源部分
数据存器
3、用户接收部分
信
类
号 接
收
机
分
GPS
按用途 按携带形式 按工作原理 按载波频率
导航型、测地型和授时型 袖珍式、背负式、车载式、 舰用式、空（飞机）载式、 弹载式和星载式 码接收机和无码接收机
增加L5 – 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm
第二节、GPS卫星信号
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）
第二节、GPS卫星信号
第二节、GPS卫星信号
三、测距码的产生 C/A码码率为1.023MHz，周期为1ms，一
周期内有1023个码位。C/A码由两个1023bit 的伪随机码和的乘积构成的Gold码。相位选择 器的作用是对G2进行平移
C/A码形成方框图
第二节、GPS卫星信号
•四、导航电文
GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据 基础，主要包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、 工作状态和C/A码转换到捕获P码的信息。
模二和
运算规则
11 0; 1 0 1; 0 1 1; 0 0 0 二进制信号：“1”表示二 进制“0”，“-1”表示二 进制“1”，则
1 1 1; 11 1; 1 1 1; 11 1
第二节、GPS卫星信号 二进制信号的相位调制
第二节、GPS卫星信号
第三数据块 第三数据块包括第4和第5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地卫星。
第二节、GPS卫星信号
卫星将这些信息按规定格式以二进制码的形式向用户 发送，所以导航电文又称为数据码，即D码。D码的基本 单位是包含1500比特的一个主帧，如下页图所示，其传 播速率为50bit/s。一个主帧含5个子帧，其中第1、2、 3子帧各有10个字码，每个字码为30比特；第4、5子帧 各有25个页面，计37500比特。
单频接收机和双频接收机
第二节、GPS卫星信号
GPS卫星信号由载波、测距码和导航电文三部分组成
第二节、GPS卫星信号
一、GPS卫星信号的内容
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
导航 电文
GPS 卫 星 信 号
GPS载波信号 GPS的测距码
L1载波 L2载波 C/A码 P码
d 、卫星时钟改正－GPS时间是以地面主控站的主原子钟 为基准，因其不稳定性，使得GPS时间和UTC时间之间存在 差值。监控站监测确定这个差值，通过导航电文发送给用 户。时钟改正包括：钟偏、钟速和钟漂。
第二节、GPS卫星信号
第二数据块
第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星 的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三 类(P180)： a、开普勒六参数。 b 、轨道摄动九参数。 C、 时间二参数
第二节、GPS卫星信号
30s
1
2
3
10个字
4 6s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
30比特
0.6s 0.02s
5 25页
导航电文的基本构成
第二节、GPS卫星信号
导航电文的构成
每一个子帧都是以一个遥测码（TLM）开始。第一 个字主要是遥测码，其中第1～8比特是同步码，作为 识别电文内容的序文；第9～22比特为遥测电文，主 要是供地面监测站使用的信息；第23～24比特无意 义；第25～30比特为奇偶校验码。第二个字为转换 码 （ HOW ） ， 转 换 码 的 作 用 是 帮 助 用 户 从 捕 获 的 C/A码转换到对P码的捕获，并以同步进行锁定。第 一子帧第三到第十个字称为数据块和电文块，如下页 图所示，第一子帧内为数据块Ⅰ，第二、三子帧为数 据块Ⅱ，第四子帧为电文块，第五子帧为数据块Ⅲ。
第二节、GPS卫星信号
GPS信号的构 成
第二节、GPS卫星信号
载波①
作用
L1
搭载其它调制信号(导航电文) 测距（载波相位定位）
19.03c m
测定多普勒频移
L2
类型
目前
24.42c m
L1 – 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 – 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm 现代化后
第二节、GPS卫星信号
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 3 TLM HOW 数据块—2星历表继续 4 TLM HOW 数据块—3卫星历书等 5 TLM HOW 数据块—3卫星历书等
电文一主帧结构图
1帧
30s
1500 比特
GPS卫星星座的功能
主要包括： （1）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，
接收并执行监控站的控制指令； （2）卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据
处理工作； （3）通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号
和提供精密的时间标准；
GPS卫星星座的功能
（4）向用户发送导航定位信号。包括： 两种载 波（L1 和L2） 调制在L1上的伪噪声码C/A码 （Coarse Acquisition Code粗捕获码） 调制在L1和 L2上的伪噪声P码(Precise Code精码)
第 3 讲 GPS卫星定位系统
1、GPS系统的组成 2、GPS信号
第一节、GPS系统的组成
空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息
用户部分： 接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息
地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨
GPS定位系统
GPS卫星
（空间星座部分）
地面监控系统
（地面监控部卫星
1个主控站 3个注入站 5个监测站
各型GPS 接收机
1、空间星座部分
24颗卫星(21+3) 6个轨道平面 55º轨道倾角 2万km轨道高度(地面高度) 12小时(恒星时)轨道周期 5个多小时出现在地平线以上(每颗星)
第4子帧内容：
➢第2、3、4、5、7、8、9、10页面提供25-32颗卫星的历书； ➢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； ➢第25页面提供所有卫星的型号、防电子对抗特性符和卫星健
康状况；
➢第1、6、11、12、16、19、20、21、22、23、24页面作为
备用；