GPS信号格式和导航电文

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]。
参
数
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