GPS卫星的导航电文和卫星信号
GPS卫星的导航电文和卫星信号
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§4.6 GPS接收机基本工作原理
三．几种常见的GPS接收机
Ashtech系列GPS接收机（阿斯泰克）
国家：美国 公司：麦哲伦公司
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§4.6 GPS接收机基本工作原理
三．几种常见的GPS接收机
2. Trimble系列GPS接收机（天宝）
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§4.3 C/A码与P码
二．C/A码
定义
C/A码用于分址、搜捕卫星信号和粗 测距，是具有一定抗干扰能力的明码，提 供给民用
2. 产生
1.
C/A码是由两个10级移位寄存器
相结合而产生的
1
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§4.3 C/A码与P码
二．C/A码
3. 基本特性
是GPS卫星的民用伪噪声码 码长1023bit，很短，易于捕获（捕获码） 码元宽度977.517nsec 时间周期1ms，1sec对应长度293Km 不同的卫星具有不同的C/A码 是L1载波的调制信号 测距误差2.93~29.3m，精度较低（粗码）
1
8
§4.1 GPS卫星播发的信号
二．伪随机码
3. 伪随机码
产生原因：随机码序列没有周期性，无法 复制 定义：具有良好的自相关特性的有周期性 的序列称伪随机序列。由二进制码元组成 的伪随机序列称二进制伪随机码简称伪码 产生装置：“多级反馈移位寄存器” 分类：截短序列、复合序列等
1
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§4.2 伪随机码扩频与相关接收
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§4.6 GPS接收机基本工作原理
GPS接收机的分类
3. 接收机通道
定义：跟踪、处理、量测卫星信号的部件； （一个时刻一颗卫星一个频率）
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复习题(文字)
一、名词解释1.导航电文答：GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。
它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕捉P码的信息。
2.伪距答：GPS定位采用的是被动式单程测距。
它的信号发射时刻是卫星钟确定的，收到时刻则是由接收机钟确定的，这就在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地包含着两台钟不同步的误差影响，所以称其为伪距。
3.静态定位如果在定位时，接收机的天线在跟踪GPS卫星过程中，位置处于固定不动的静止状态，这种定位方式称为静态定位。
4.GPS全球定位系统GPS全球定位系统是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间获取一个通用参照系中的位置，速度和时间信息的要求。
5.岁差在日月引力和其他天体引力对地球隆起部分的作用下，地球自转轴方向不再保持不变，这使春分点在黄道上产生缓慢的西移现象，这种现象在天文学中称为岁差。
6.星历误差答：实际上就是卫星位置的确定误差。
星历误差是一种起始数据误差，其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。
7.SA技术答：其主要内容是：（1）在广播星历中有意地加入误差，使定位中的已知点（卫星）的位置精度大为降低；（2）有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟的频率产生快慢变化，导致测距精度大为降低。
8.差分GPS答：利用相距不太远的两个GPS测站在同一时间分别进行单点定位时所受到的卫星星历误差、大气延迟误差和卫星钟差等误差源的空间相关性较好的原理，利用基准站上的观测结果求得上述误差的影响并通过数据链将误差改正数发送给流动站从而提高流动站定位精度。
9.相对定位答：将两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，并同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置，这种定位模式称为相对定位。
10.相对论效应答：GPS卫星在高20200km的轨道上运行，卫星钟受狭义相对论效应和广义相对论效应的影响，其频率与地面静止钟相比，将发生频率偏移，这是精密定位中必须顾及的一种误差影响因素。
GNSS-第4讲 卫星导航电文及卫星信号
0.6s
1字含30bit
3、卫星导航电文——GPS
基本内容
12345
1帧
第1子帧
遥测字 交接字 表示码，时延改正，GPS周，数据龄期，星钟改正
第2子帧
遥测字 交接字
星历
第3子帧
遥测字 交接字
星历
第4子帧
遥测字 交接字 （多帧) 信息（每25帧中，每1帧的内容都不同）
第5子帧
遥测字 交接字 （多帧 )历书、健康状况等（每1帧的内容都不同）
第 4 章 卫星导航电文及卫星信号
GPS导航电文 GPS卫星信号 北斗导航电文 北斗卫星信号
1、GPS导航电文
作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数 、卫星状态信息及电离层改正等信息
组成结构
30s
1帧含5个子帧
123
45
1子帧含10个字
6s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
子帧4、5含25页
导航信息。MEO/IGSO的B1I播发 ✓ D2: 速率500bps，包含基本导航信息和增强服务信
息（系统完好性、差分信息、格网点电离层信息 ）。GEO的B1I播发
4、卫星信号的调制
第一步：首先将导航电文调制在测距码上 第二步：然后将组合码调制到载波上
导航电文调制到测距码上
第二步：将组合码调制到载波上
载波调制的一般方法： 如果调制前载波为 Acos(t 0 )
➢ 调幅：振幅 A 随调制信号的变化而变化 ➢ 调频：载波频率f 随调制信号的变化而变化
➢ 调相：相位 (t 随0 )调制信号的变化而变化
调幅 AM (Amplitude Modulation) 调频 FM (Frequency Modulation)
第四章 GPS卫星导航电文和卫星信号
第4章GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1 GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）是用户用来定位和导航的数据基础。
它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。
这些信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，卫星电文又叫数据码（D码）。
他的基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。
一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit；第4,5子帧各有25个页面，共37500bit。
第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一次。
第4,5子帧的全部信息则需要750s才能够传送完毕。
即第4、5子帧是12.5min播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。
4.1.1 遥测码遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据状态。
遥测码的第1-8bit 是同步码，使用户便于解释导航电文；第9-23bit为遥测电文，其中包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。
第23和第24bit是连接码；第25-30bit为奇偶检验码，它用于发现和纠正错误。
4.1.2 转换码转换码位于每个子帧的第二个字码。
其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。
Z计数实际上是一个时间计数，它以从每星期起始时刻开始播发的D码子帧数为单位，给出了一个子帧开始瞬间的GPS时间。
由于每一子帧持续时间为6s，所以下一个子帧开始的时间为6xZ s，用户可以据此将接收机时钟精确对准GPS时，并快速捕获P码。
4.1.3 第一数据块第1子帧第3-10字码，主要内容：①标识码，时延差改正②星期序号③卫星的健康情况④数据龄期⑤卫星时钟改正系数等。
4.1.4第二数据块包含第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运动位置的信息。
二、GPS系统的组成及信号结构
地面监控部分 通信和辅助系统 通信和辅助系统是指地面监控系统中负责数据传输以及提 供其他辅助服务的机构和设施，全球定位系统的通信系统 供其他辅助服务的机构和设施， 由地面通信线，海底电缆及卫星通信等联合组成，此外， 由地面通信线，海底电缆及卫星通信等联合组成，此外， 美国国防制图局将提供有关极移和地球自转的数据以及各 监测站的精确地心坐标， 监测站的精确地心坐标，美国海军天文台将提供精确的时 间信息。 间信息。
2、GPS卫星的信号结构 GPS卫星的信号结构 测距码 测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码,GPS 测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码,GPS 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码(PRN) 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码(PRN) 粗码（ C/A码 A 、粗码（ C/A码)
用户部分 接收机、 组成：GPS接收机 气象仪器、计算机、 组成：GPS接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器 设成。 设成。
接收机按用途分导航型、测量型、授时型。 接收机按用途分导航型、测量型、授时型。 按接收的卫星信号频率分单频型、双频型。 按接收的卫星信号频率分单频型、双频型。 按接收的卫星类型分单星、 按接收的卫星类型分单星、多星
用户部分
GPS接收机：天线单元，信号处理部分， GPS接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和电源 接收机 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高， 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰 性强。GPS天线分为单极天线 微带天线、锥型天线等。 天线分为单极天线、 性强。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。 信号处理部分： GPS接收机的核心部分， 信号处理部分：是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号 接收机的核心部分 处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文， 处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪 距定位结果。 距定位结果。 记录装置 : 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡 电源: 分为外接和内接电池（12V）， ），机内还有一锂电池 电源: 分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池
4第四章GPS卫星信号与导航电文
GNSS
P码－精码
• P码的产生原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的 是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu≈2.35×1014比 特，码元宽为tu=1/f0=0.097752μs，相应的距离为29.3m。 周期为Tu= Nutu≈ 267d，数码率为10.23Mbit/s。
• P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分 成38部分（每一部分为7天，码长约6.19 ×1012比特），其中 1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫 星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周 期，但结构不同。
• P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕 获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐 精度仍为码元宽度的1/10~1/100，则相应的距离误差为 2.93~ 0.29m，故P码称为精码(precision code)。
GNSS
GPS信号（示意）
测距码t
t + △t 数据码D(t)
载波L
GNSS
频率
GPS卫星时钟频率选用10.23MHz，利用频率综合器产生所需要
的频率。GPS信号的产生如下图：
基本频率ƒ0
10.23MHz
÷10
×154
L1
C/A码 P码
1575.42MHz 1.023MHz 10.23MHz
×120
模二加反馈 （e+f）
0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1
末级输出的二进制数
1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0
GPS(卫星信号)
GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用 GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用 卫星信号是GPS 于导航定位的调制波，它包含有： 于导航定位的调制波，它包含有： （1）测距码 数据码（导航电文） （2）数据码（导航电文） （3）载波 卫星时钟基本频率f 10.23MHz， 卫星时钟基本频率f0为10.23MHz，是产生上 述三种信号的基础。 述三种信号的基础。
—时间二参数 • 从星期日子夜零点开始度量的星历参 考时刻toe； • 星历表的数据龄期AODE toe −t1 星历表的数据龄期AODE = 为作预报星历测量的最后观测时间， 式中t1为作预报星历测量的最后观测时间， 因此AODE AODE就是预报星历的外推时间长 因此AODE就是预报星历的外推时间长 苏州科技学院空间信息与测绘工程系 度。
式中t1为最近一次更新卫星钟改正参数的时间。 式中t 为最近一次更新卫星钟改正参数的时间。 AODC是时钟改正数的外推时间间隔，由于基准时 AODC是时钟改正数的外推时间间隔， 是时钟改正数的外推时间间隔 间给出的卫星钟改正参数精度随时间的推移而下降， 间给出的卫星钟改正参数精度随时间的推移而下降， 因此该参数指明了卫星时钟改正数的置信度， 因此该参数指明了卫星时钟改正数的置信度，
苏州科技学院空间信息与测绘工程系 连达军
GPS卫星星历>卫星坐标计算① 计算修正平均角速度n （1）计算修正平均角速度n
——星历表参考历元 星历表参考历元（ toe ——星历表参考历元（秒）， IODE（AODE）——星历表数据龄 IODE（AODE）——星历表数据龄 期， ——按参考历元 M0 ——按参考历元toe计算的平近点 弧度）， 角（弧度）， ——由精密星历计算得到的卫星 ∆n ——由精密星历计算得到的卫星 平均角速度与按给定参数计算所得 的平均角速度之差（弧度）， 的平均角速度之差（弧度）， ——轨道第一偏心率 轨道第一偏心率（ ea ——轨道第一偏心率（N）， ——轨道长半径的平方根 ——轨道长半径的平方根
GPS考试名词解释简答
1卫星星历：是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。
根据卫星星历可以计算出任时刻的卫星位置及其速度，GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。
2广播星历：是定位卫星发播的无线电信号上载有预报一定时间内卫星根数的电文信息。
3导航电文：导航信息的二进制数据码。
包括卫星星历、时钟改正数、卫星工作状态、轨道摄动改正、大气折射改正等信息。
4无摄运动：仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。
5受摄运动：在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动。
6载波重建：重建载波相位是输入的（经多普勒位移的）GPS载波相位与接收仪产生的（名为固定的）参考频率相位，两者之的差。
7周跳：在GPS载波相位观测中，因卫星信号失锁引起的相位整周跳变。
8章动：指真北天极绕平北天极所做的顺时针椭圆运动。
9重复基线闭合差：当某条基线被两个或多个时段观测时，就构成了所谓的重复基线闭合差条件。
（不同观测时段，对于同一条基线的观测结果就是重复基线）10世界时：以平子夜为0时起算的格林威治平太阳时ＵＴ。
11岁差：地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢移动，春分点在黄道上随之缓慢移动的现象。
12黄道：地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面，它与天球相交的大圆称为黄道。
它就是当地球绕太阳公转时，观测者所看到的太阳在天球上运动的轨道。
13 伪距：GPS定位采用的是被动式单程测距。
它的信号发射时刻是卫星钟确定的，收到时刻则是由接收机钟确定的，这就在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地包含着两台钟不同步的误差影响，所以称其为伪距。
14整周未知数：指卫星信号从发射时刻到接收机接受时刻这个阶段载波的整个周数。
15升交点：指当卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角即轨道倾角不等于零时，轨道与赤道面有两个交点，卫星由南向北飞行时的交点称为升交点。
16升交点赤经：含地轴和春分点的子午面与含地轴和升交点的子午面之间的交角等。
17真近点角：天体从近点起沿轨道运动时其向径扫过的角度。
GPS 04_1 GPS卫星的导航电文和卫星信号
作用：
• 给用户传送导航电文（D码）
• 用于测量信号接收天线和GPS卫星之间的距离
• 用于识别来自不同GPS卫星而同时到达接收天 线的GPS信号
随机噪声码
码序列
一组码序列在某一时刻的码元为0或1完全是随机 的，这种码元取值完全无规律的码序列，称为随 机（噪声）码序列。 是一种非周期性序列，无法复制，但自相关性好。 根据码序列的自相关系数可判断两个随机码序列 的相应码元是否已对齐。
通用计算方法
连续 离散
R
A D A D A D LP
A : 相同码元个数 D : 不同码元个数 L : 周期，总码元个数 P
111101011001000 011110101100100
相关特性的应用
伪随机噪声码测距
原理——利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码
GPS原理及应用
讲授：沈蔚
上海海洋大学海洋学院 Email: wshen@
课程类别：海技专业基础课
第四章 GPS卫星的导航电文 和卫星信号
4.1 GPS的导航电文
GPS信号——卫星向 广大用户发送的用于 导航定位的调制波
卫星星历
导航电文包括：卫星 星历；时钟改正；电 离层时延改正；工作 状态信息；C/A码转 换捕获P吗的信息等。
越小，信号深埋在噪声之中，不易被他人捕获，具 有极强的保密性）。
扩频的目的：节省卫星的电能，增强信 号的抗干扰性，实现保密的信息传送。
GPS信号分量
将每颗卫星发送的两种已调波，分别叫 做第一导航定位信号和第二导航定位信 号，总称为GPS信号。
GPS信号的构成—总结
L1载波 L2载波
测距码
C/A码（粗码） P码（精测码）
第5章 GPS信号及其导航电文
至少需要18s， 才能定位
34
传统的GPS信号 载波 伪码 数据码 导航电文
L1和L2载波均被P码调制信息，C/A码只调制在载波L1上， 其载波相位与P码正交(即移相90°)。 调制方式：BPSK-R 设P码、C/A码和导航电文的二进制状态序列分别用P(t)、 C/A(t)和D(t)表示，则L1和L2上调制信号可表示为
L1 (t ) E1 P(t ) D(t ) cos(1t ) E1 C A (t ) D(t ) sin(1t ) L2 (t ) E2 P(t ) D(t ) cos(2t )
逐个相位搜索？NO 码长约为6.19*1012，码率10.23Mcps，7天 借助C/A码辅助：先搜索、捕获C/A码，然后从C/A码 中提取当前时间信息，并准确估算出当前P码的相位， 从而快速捕获P码。 P码直接捕获：需要知道当前GPS时间的大致信息，从 而估计P码的大致相位，在较小的相位区间内搜索，缩 短捕获时间。
◦ 由于每颗卫星的数据需占用一个子帧，所以24颗星需24个子帧才 能把数据送完， ◦ 全部24颗卫星的历书以25帧为一周期，第二十五帧标注工作卫星 的健康状况，共计需12.5min。
由于第4、5子帧的各页可以通过每颗卫星广播，所以用户 只需收到一颗卫星的信号，就可以粗略地知道其他卫星的 情况。
卫星健康状态字告诉用户该星是否正常，而卫星识别则是 指明用户跟踪的卫星的伪随机码编号。Fra bibliotek
X2序列产生：
◦ 与X1产生方式相同，由另两组生成多项式产生，截短输出15345037码片的X2序列； ◦ X2i序列是X2序列的等价平移序列，由X2向右平移i个码片后产生。
第4章 卫星信号
测距时可获得的测距精度统计值，是卫星导航数据中表示用
户测距误差一倍标准差的估计值。第3字的13～16 bit为URA
的指数N，N与卫星的URA间的关系如下表4-1所示。
N
URA（m）
N
URA（m）
0
0＜URA≤2.40
8
48.00＜URA≤96.00
（5）L1信号与L2信号的群延之差TGD
表示信号在卫星内部的时延差，即L1和L2载波信号从产生到
离开卫星发射天线所走时间的差异。占用第7字的第17～24 bit。
（6）时钟数据龄期（Age Of Data Clock, AODC）
时钟改正数的外推时间间隔，占用第3字的第23 bit和24 bit，
以及第8字的第1~8 bit。
R( ) 1
R( ) 0
R 1 / t
0
( )
0
t0
0
其中， 为将 u (t )平移码元的个数；0为码元宽度
图4-5
4.1 GPS信号
二进制随机码序列 u (t ) 的自相关函数为
R(t )
A D
A D
式中，A为 u (t ) 与 u (t ) 对应元素模2相加等于0的数目，D为
时间为6s；
一个主帧含有1500bit传输时间为30s。
第4、5子帧各有25页；
子帧1、2、3和子帧4、5的每一页，均构成一个
主帧。
4.1 GPS信号
4.1 GPS信号
第1、2、3子帧每30s重复一次，内容为该卫星的广播
星历和卫星钟修正参数，每小时更新一次。
GPS--卫星的导航电文解析
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 测距码
测距码②
• 类型
– 目前
• C/A码（Coarse/Acquisition Code） – 粗码/捕获码； 码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数： 1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上 • P（Y）码（Precise Code） – 精码；码率： 10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数： 6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和 L2上
GPS测量原理及应用 (四 )
主讲人：马福义
第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号 4.1 GPS卫星的导航电文
4.2 GPS卫星信号
4.3 GPS卫星位置的计算 4.4 GPS接收机基本工作原理
4.1 GPS卫星的导航电文 导航电文（卫星电文）
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。
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。
4.2 GPS卫星信号
• GPS卫星信号组成
– 卫星（导航）电文（Message）
信号分量的产生都是在同一个基本频率 f0=10.23MHz的控制下产生
基本频率 10.23MHz
GPS4第四章 GPS卫星的导航电文
四、精码P(y)码
码长：6.19﹡1012 bit。 周期：七天。 测距误差：0.3~3m 特点：码元宽度较小，精度较高，专为军用。 目前，只有极少数高档次测地型接收机才能接 收P(y)码，且价格昂贵。 由于C/A码单点定位较低，测量上采用非单点定 位，即采用相对定位（差分定位）。
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§4.3 GPS卫星位置的计算
第四章 GPS卫星的导航电文 和卫星信号 §4.1 §4.2 §4.3 §4.4 GPS卫星的导航电文 GPS卫星信号 GPS卫星位置的计算 GPS接收机基本工作原理
载波L1、L2
（相当于运载工具）
GPS卫星信号
测距码（C/A码、P码） 导航电文 （数据码、D码）
§4.1 GPS卫星的导航电文 一、导航电文的内容
时钟改正（卫星上的）：应以主控站的时钟（GPS 时间）为基准进行时钟改正。
∆t s = a 0 + a1 (t − t oc ) + a 2 (t − t oc )
2
a a 0 ：卫星的钟差； 1：卫星钟的频率偏差系数； a 2 ：卫星钟的频率飘移系数； t ：观测时刻；
t oc ：发送导航电文的参考时刻。
内容：卫星星历、时钟改正（指卫星钟的改正）、 电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码 转换到捕获P码的信息。导航电文是以二进 制码的形式，按规定格式组成，按帧向用户 传送的。又称数据码（D码）。 例：控制测量一、二、三、四等。 一 二 三 四 11 10 01 00 二进制数按一定的规则编制。
二、导航电文格式
（我们接收机收到的信号中时钟改正 ∆t s 为已知。）
电离层时延改正： 卫星信号可以告诉用户，单频接收 机需加此项改正，双频的不需要。 （电离层：距地面50—1000km，含有很多气体分子， 在阳光作用下产生电离。）
第五讲 GPS卫星的测距码信号和GPS卫星的导航电文
第五讲GPS卫星的测距码信号和GPS卫星的导航电文学习指南在这一章节中，主要讲述了GPS全球卫星定位系统的组成，简单地介绍了GPS 卫星信号、GPS卫星星历和卫星运动理论基础。
重点介绍了GPS卫星信号特点及其应用。
对本章的学习要重点突出GPS系统的组成、GPS卫星信号的应用，理解和掌握GPS卫星位置计算的各项参数物理意义和几何特点。
本单元教学重点和难点1、GPS编码的方法；2、导航电文的格式和内容。
教学目标1、了解GPS卫星信号的作用；2、熟悉GPS编码的方法；3、熟悉导航电文的格式；4、熟悉导航电文的内容。
一、GPS卫星信号1 GPS卫星信号构成及产生GPS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文三部分组成。
如图2—5所示：1.1 载波L1、、L1由卫星上的原于钟所产生的基准频率f0＝1.023MHz倍频154倍和120倍产生。
1.2 测距码1.2.1C/A码C/A码又称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1.023MHz的伪随机噪声码（PRN码），由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0降频10倍产生，即：f C/A＝f0／10＝1.023MHz。
由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。
C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。
1.2.1 P码P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10.23MHz的伪随机噪声码，直接使用由卫星上的原于钟所产生的基准频率，即：f p＝f0＝1.023MHz，其周期为七天。
在实施AS时，P 码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。
1.2.1 L2C码L2C码称为城市码，它被调制在L2载波上，L2C信号包括2个PRN码:即CM码和CL码。
2005年9月23日第一颗具有广播L2C信号功能的GPS卫星SLC-17A从CapeCanaveral, Florida（佛罗里达）发射升空。
10级地信专业GPS复习资料整理要点
10级地信专业GPS复习资料第一章绪论一、填空1.20世纪50年代末期，美国开始研制多普勒卫星定位技术进行测速、定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统。
2.GPS全球定位系统具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能。
能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。
3.GPS系统的空间部分由21颗工作卫星及 3 颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个轨道上，距地面的平均高度为20200 km，运行周期为11小时58分。
4. GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
5.按照GPS系统的设计方案，GPS定位系统应包括空间卫星部分、地面监控部分和用户接收部分。
6.子午卫星导航系统采用6颗卫星，并都通过地球的南北极运行。
7.自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证、系统论证、生产实验三个阶段。
总投资超过200亿美元。
8.1957 年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功，标志着人类进入了空间技术的新时代。
9.GPS工作卫星的主体呈圆柱形，整体在轨重量为843.68㎏，它的设计寿命为7.5 年，事实上所有GPS工作卫星均能超过该设计寿命而正常工作。
10.我国的GPS卫星跟踪网是由拉萨、乌鲁木齐、北京、武汉、上海、长春、昆明等七个跟踪站组成的。
11.当地球自转360°时，卫星绕地球运行两圈，环绕地球运行一圈的时间为11 小时58分。
地面的观测者每天可提前4min见到同一颗卫星，可见时间约为5 小时。
这样，观测者至少能观测到4颗卫星，最多可观测到11颗卫星。
12.VDOP代表垂直分量精度因子。
13.HDOP代表水平分量精度因子。
二、单项选择题1.在20世纪50年代我国建立的1954年北京坐标系，采用的是克拉索夫斯基椭球元素，其长半径和扁率分别为（B ）。
A、a=6378140、α=1/298.257B、a=6378245、α=1/298.3C、a=6378145、α=1/298.357D、a=6377245、α=1/298.02.GPS系统的空间部分由21颗工作卫星及3颗备用卫星组成，它们均匀分布在（ D ）相对与赤道的倾角为55°的近似圆形轨道上，它们距地面的平均高度为20200Km，运行周期为11小时58分。
第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号
GPS卫星的导航电文和卫星信号 卫星的导航电文和卫星信号
卫星信号的调制 GPS卫星的测距码和数据码是用调相技术调制到载波上的 卫星的测距码和数据码是用调相技术调制到载波上的 调制码幅值只取0或 。 如果当码值取0时 。 调制码幅值只取 或 1。如果当码值取 时 ， 对应的码状 态取为+1， 而码值取1， 对应的码状态为-1位 态取为 ， 而码值取 ， 对应的码状态为 位 ， 那么载波 和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制 这时， 码状态相乘后便实现了载波的调制。 和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载 波和相应的码状态+1相乘时 其相位不变， 相乘时， 波和相应的码状态 相乘时，其相位不变，而当与码状态 -1相乘时，其相位改变 相乘时， 相乘时 其相位改变180°。 ° 所以当码值从0变 或从 或从1变 所以当码值从 变1或从 变 为0时，都将使载波相位改 时 变180°。这时的载波信号 ° 实现了调制码的相位调制。 实现了调制码的相位调制。
GPS卫星的导航电文和卫星信号 卫星的导航电文和卫星信号
第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号 卫星的导航电文和卫星信号
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
GPS卫星的导航电文和卫星信号 卫星的导航电文和卫星信号
GPS信号包含有三种信号分量，即载波信号、测距码信号 信号包含有三种信号分量， 载波信号、 信号包含有三种信号分量 数据码信号(或称 或称D码 即导航电文)， 和 数据码信号 或称 码 ， 即导航电文 ， 在这三种分量中 载波和测距码用于测量卫星到地面接收机之间的距离； 载波和测距码用于测量卫星到地面接收机之间的距离；而 数据码则提供计算卫星坐标所需的参数， 数据码则提供计算卫星坐标所需的参数，由卫星坐标和卫 星到地面间的距离求得地面点的坐标。 星到地面间的距离求得地面点的坐标。
第四章GPS卫星信号分解
第四章 GPS卫星信号
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2、GPS信号的组成
• 载波（L1，L2两个民用频率） • 测距码（C/A码和P码（Y码）） • 导航电文（数据码，D码）
第四章 GPS卫星信号
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3、信号调制的原因
• GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号
– 其中C/A码和P码的数码率分别为1.023 Mbit/s与10.23Mbit/s， – D码(导航电文，又称为数据码)的数码率仅为50 bit/s。 – GPS卫星离地面远达20000km，其电能又非常紧张， 因此很难将
第四章 GPS卫星信号
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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。
第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一 次。
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。
第四章 GPS卫星信号
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第四章 GPS卫星信号
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2、遥测码
• 第三数据块的内容每12.5分钟重复一次。
第四章 GPS卫星信号
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GPS卫星广播星历预报参数及其定义
第四章 GPS卫星信号
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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
第四章 GPS卫星信号
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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
AOD tO CC tL
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