GPS卫星的导航电文和卫星信号
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题库
一、填空（每空1分，共20分）1.自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证、论证、生产实验三个阶段。
总投资超过200亿美元。
2.按照《规范》规定，我国GPS测量按其精度依次划分为AA、A、B、C、D、E六级，其中C级网的相邻点之间的平均距离为15～10km，最大距离为 km。
3.协调世界时是综合了世界时与原子时的另一种记时方法，即秒长采用原子时的秒长，时刻采用时的时刻。
4.卫星钟采用的是时，它是由主控站按照美国海军天文台（USNO）的协调世界时（UTC）进行调整的。
在年1月6日零时对准，不随闰秒增加。
5.当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，速度会发生变化。
这种距离改正在天顶方向最大可达 m，在接近地平线方向可达150m。
6.在GPS定位测量中，观测值都是以接收机的相位中心位置为准的，所以天线的相位中心应该与其中心保持一致。
7.当使用的接收机，同时对同一组卫星所进行的观测称为同步观测。
8.按照GPS系统的设计方案，GPS定位系统应包括部分、部分和用户接收部分。
9.在接收机和卫星间求二次差，可消去两测站接收机的改正。
在实践中应用甚广。
10.GPS网的图形设计主要取决于用户的要求、、时间、人力以及所投入接收机的类型、和后勤保障条件等。
11.根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有式、式、网连式及边点混合连接四种基本方式。
选择什么方式组网，取决于工程所要求的精度、野外条件及GPS接收机台数等因素。
二、单项选择题（每小题1分，共10分）1.单频接收机只能接收经调制的L1信号。
但由于改正模型的不完善，误差较大，所以单频接收机主要用于（）的精密定位工作。
A、基线较短B、基线较长C、基线≥40kmD、基线≥30km2.GPS接收机天线的定向标志线应指向（）。
其中A与B级在顾及当地磁偏角修正后，定向误差不应大于±5°。
A、正东B、正西C、正南D、正北3.在GPS测量中，观测值都是以接收机的（）位置为准的，所以天线的相位中心应该与其几何中心保持一致。
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。
GPS导航定位原理以及定位解算算法
GPS导航定位原理以及定位解算算法GPS（全球定位系统）是一种基于卫星信号的导航系统，用于确定地球上任意点的位置和时间。
GPS导航定位的原理基于三个基本原则：距离测量、导航电文和定位解算。
首先，定位解算的基本原理是通过测量卫星与接收器之间的距离差异来确定接收器的位置。
GPS接收器接收卫星发射的信号，并测量信号从卫星到接收器的时间延迟。
通过已知卫星位置和测量时间延迟，可以计算出接收器与卫星之间的距离。
至少需要接收到4个卫星信号才能进行定位解算，因为每个卫星提供三个未知数（x、y、z三个坐标）和一个时间未知数。
其次，GPS导航系统通过导航电文提供的卫星轨道参数来计算卫星的精确位置。
每个卫星通过导航电文向接收器传递关于卫星识别码、卫星轨道和钟差等数据。
接收器使用这些参数来计算卫星的准确位置。
最后，通过定位解算算法，将接收器收到的卫星信号和导航电文中的轨道参数进行计算，可以确定接收器的位置。
定位解算算法主要有两种：三角测量法和最小二乘法。
三角测量法基于三角学原理，通过测量多个卫星与接收器之间的距离差异，然后根据这些距离差异以及卫星的位置信息来计算接收器的位置。
这种算法的优势是计算简单，但受到测量误差的影响较大。
最小二乘法是一种数学优化方法，通过最小化接收器位置与测量距离之间的误差平方和来求解接收器的位置。
该方法考虑到了测量误差的影响，并通过对多个卫星信号进行加权以提高解算的准确性。
除了上述的定位解算算法，GPS导航系统还使用了差分GPS和惯性导航等技术来提高定位精度和可靠性。
差分GPS通过接收器与参考站之间的信号比对，消除了大部分的误差，提高了定位精度。
惯性导航通过测量加速度和角速度来估计接收器的位移，可以在信号丢失或弱化的情况下提供连续的导航定位。
综上所述，GPS导航定位通过距离测量、导航电文和定位解算算法来确定接收器的位置。
通过接收到的卫星信号和导航电文中的轨道参数，定位解算算法能够计算出接收器的位置，并提供准确的导航信息。
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测量原理及应用各章知识点总结
GPS测量原理及应用各章知识点总结桂林理工大学测绘08-1 JL（纯手打）第一章绪论1、GPS系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。
能为各个用户提供三维坐标和时间。
2、GPS卫星位置采用WGS-84大地坐标系3、GPS经历了方案论证、系统论证、生产试验三个阶段。
整个系统包括卫星星座、地面监控部分、用户接收机部分。
4、GPS基本参数为：卫星颗数为21+3，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分，在地球表面任何时刻，在高度较为15度以上，平均可同时观测到6颗有效卫星，最多可以达到9颗。
5、应用双定位系统的优越性：能同时接收到GPS和GLONASS卫星信号的接收机，简称为双系统卫星接收机。
（1）增加接收卫星数。
这样有利于在山区和城市有障碍物遮挡的地区作业（2）提高效率。
观测卫星数增加，所以求解整周模糊度的时间缩短，从而减少野外作业时间，提高了生产效率。
（3）提高定位的可靠性和精度。
因观测的卫星数增加，用于定位计算的卫星数增加，卫星几何分布也更好，所以提高了定位的可靠性和精度。
6、在GPS信号导航的定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗（以上）卫星，称为定位星座。
7、PRN----------卫星所采用的伪随机噪声码8、在导航定位测量中，一般采用PRN编号。
9、用于捕获信号和粗略定位的为随机码叫做C/A码（又叫S码），用于精密定位的精密测距码叫P码10、GPS系统中各组成部分的作用：卫星星座1、向广大用户发送导航定位信息。
2、接收注入站发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号电路，适时的发送给广大用户。
3、接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时的改正运行偏差和启用备用时钟等。
地面监控系统地面监控系统包括1个主控站，3个注入站和5个监测站。
1、监测和控制卫星上的设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行。
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。）
第三、四章 GPS卫星定位基础要点
• •
卫星轨道运动
• 卫星轨道：卫星在空间绕地球飞行时的的 运行轨迹。 • 无摄运动：仅仅考虑地球的质心引力对卫 星的引力作用来研究卫星的运动。
• 受摄运动：卫星在各种引力作用下的运动， 或卫星在摄动力下的运动。
卫星轨道运动
• 1、卫星轨道 • ������ 在固定的轨道上运行，在地球引力场中运动。 • ������ 二体运动（无摄运动）：研究两个质点在万 有引力作用下的下的相对运动问题，在天体力学 中称为二体问题。 • ������ 二体运动是一种理想状态下的卫星运动： • （1）视地球为一理想的均质球体 • （2）在一理想的引力场中的运动（地球与卫星之 间） • 卫星受地球的引力为：
• 如果已知这6个轨道参数，就惟一地确定了二体 • 问题意义下卫星的运动状态。换句话说，只要已 知这6个轨道参数，就可以计算卫星的瞬时位置和 瞬时速度。 • 由这6个轨道参数所构成的坐标系统，称为轨道 • 坐标系统，它广泛用于描述卫星的运动。这6个轨 道参数的大小则由卫星的发射条件决定。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ星轨道运动
• ������ 受摄运动：受太阳引力、月亮引力、 地球潮汐、光辐射等的影响下卫星的运动。 • ������ 改正值：9个改正参数。
卫星轨道运动
卫星轨道运动
• 2、卫星星历 • ������ 广播星历：也叫预报星历，是指相对参考历元 的外推星历。参考历元瞬间的卫星星历(即参考星 历)，由GPS系统的地面监控站根据大约一周的观测 资料计算而得，为参考历元瞬间卫星的轨道参数。 • ������ • 预报星历的内容包括：参考历元瞬间的kepler轨道6 参数，反映摄动力影响的9个参数，以及参考时刻 参数和星历数据龄期，共计17个星历参数。用户接 收机在接收到卫星播发的导航电文后，通过解码即 可直接获得预报星历。由于预报星历是以电文方式 由卫星直接播送给用户接收机，因此又称为广播星 历。
第四章GPS卫星信号分解
第四章 GPS卫星信号
28
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
4 4
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
5 5
第四章 GPS卫星信号
6 6
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
13
GPS卫星广播星历预报参数及其定义
第四章 GPS卫星信号
14
§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
10
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
gps 卫星的导航电文名词解释
gps 卫星的导航电文名词解释1. 卫星位置信息：卫星的位置信息是GPS系统的基础。
每颗卫星都会不断发送自身的轨道参数和时间信息，这些信息被接收设备接收并计算出每颗卫星的具体位置。
2. 卫星时钟信息：卫星时钟信息用于确保GPS信号的时间准确性。
每颗卫星都配备有高精度的原子钟，它们会持续发送带有时间标签的信号，地面接收设备通过接收这些信号并解码时间标签，可以获得高精度的时钟信息。
3. 卫星健康状况信息：卫星健康状况信息包括每颗卫星的信号质量、工作状态等信息。
这些信息有助于地面接收设备判断哪些卫星是可靠的，以及它们的信号质量如何。
4. 地球中心导航数据：地球中心导航数据提供了地球的旋转信息以及其他与地球中心相关的导航数据。
这些数据可以帮助GPS接收设备确定其相对于地球中心的位置。
5. 星历参数：星历参数是描述每颗卫星轨道的参数集合。
这些参数描述了卫星在空间中的精确位置，以及其在轨道上的运动轨迹。
6. 卫星钟差参数：卫星钟差参数是用来修正卫星时钟与地面时间之间的差异。
由于卫星时钟的运行速度与地面时钟不完全一致，因此需要这些参数来确保时间的准确性。
7. 地球自转参数：地球自转参数描述了地球自转的速率和方向。
这些参数可以帮助GPS接收设备更准确地计算出其相对于地球表面的位置。
8. 大气校正参数：大气校正参数用于修正大气延迟对GPS信号的影响。
由于大气密度和大气中的电子含量会影响GPS信号的传播速度，因此需要这些参数来提高定位精度。
9. 广播信号参数：广播信号参数包括每颗卫星的信号频率、编码方式等信息。
这些参数是地面接收设备能够接收和解析卫星信号所必需的。
10. 加密与解密参数：加密与解密参数用于保护GPS信号的安全性。
为了防止未经授权的用户接收到GPS信号，GPS系统采用了加密技术。
只有拥有正确解密参数的用户才能接收到并解析出准确的GPS信号。
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2
§4.1
一．概述
1.
GPS卫星播发的信号
GPS是一种无线电导航系统
① ② 观测量是时间延迟或载波变化周数 GPS信号包含三种成分：数据码（D码）、 测距码（C/A码和P码）、载波信号（L1和 L2）
Global Positioning System
3
§4.1
一．概述
2.
GPS卫星播发的信号
导航电文
Global Positioning System 27
②
§4.5
GPS卫星的导航电文
二．导航电文内容
1. 遥测字
① ② 各子侦的第一个字，作为捕获导航电文的 前导 作用：协助用户快速解译导航电文，判定 卫星可用与否
Global Positioning System
28
§4.5
GPS卫星的导航电文
Global Positioning System
19
§4.4
GPS卫星信号的构成
一．卫星载波信号与调制
1. GPS信号的组成
① ② ③ 数据码（D码、导航电文编码） 测距码（C/A码和P码） 载波（L1和L2）
所有这三种信号分量都是在一个基本频率 f0=10.23MHz的控制下产生的。
Global Positioning System
二．导航电文内容
2. 交接字
① ② 各子侦的第二个字。向用户提供用于捕获P 码的Z计数 作用：快速捕获到P码
Global Positioning System
29
§4.5
3.
GPS卫星的导航电文
二．导航电文内容
第一数据块
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ WN——卫星时间计数器 调制码标识 URA——卫星测距精度 表示导航数据是否正常 TGD——电离层延迟改正参数 AODC——时钟数据龄期 toc——卫星时钟参数对应的参考时刻 卫星钟改正参数
Global Positioning System 17
§4.3
二．P码
1. 产生
C/A码与P码
由两组各有两个12级反馈移位寄存器 结合产生的。
Global Positioning System
18
§4.3
二．P码
2. 基本特性
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
C/A码与P码
是GPS卫星的军用码 码元宽度为C/A码的1/10 时间周期266天9小时45分55.5秒 是L1L2载波的调制信号 不同的卫星具有不同的P码 测距误差0.29~2.93m，精度较高（精码）
Global Positioning System
23
§4.4
GPS卫星信号的构成
一．卫星载波信号与调制
2. 调制
GPS卫星天线发射的信号，是将导航 电文经过两级调制后的信号。一级调制是 将低频D码分别调制高频C/A码和P码，实 现导航电文的伪随机码扩频；二级调制是 将一级调制的组合码再分别调制在两个载 波频率上。
课程名称：全球定位系统
第四章
GPS卫星的导航电文和卫星信号
遥感学院测绘工程系 2009
内容提要
一．GPS卫星播发的信号 二．伪随机码扩频与相关接收 三．C/A码与P码 四．GPS卫星信号的构成 五．GPS卫星的导航电文 六．GPS接收机基本工作原理
Global Positioning System
11
§4.2 伪随机码扩频与相关接收
二．伪码测距
2. 基本原理
利用一伪码延时锁相环路，使本地复 制的跟踪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 ning System
12
§4.2 伪随机码扩频与相关接收
三．码分多址
20
§4.4
GPS卫星信号的构成
一．卫星载波信号与调制
1.
基准频率
10.23 MHZ 154 120
GPS信号的组成
÷204600
÷10
L1 1575.42 MHZ L2 1227.60 MHZ C/A码 1.023MHZ P码 10.23 MHZ P码 10.23 MHZ GPS卫星信号示意图
2.
产生
C/A码是由两个10级移位寄存器相结 合而产生的
Global Positioning System
16
§4.3
二．C/A码
3. 基本特性
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
C/A码与P码
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）
二．伪随机码
2. 随机码
③
–
– –
随机码特点（良好的自相关特性）
随机码为非周期性码序列，不存在任何编码规 则，因此不能被复制 随机码序列中0和1出现的概率均为1/2 两随机码序列的模2和为0两码元相同；两随机 码序列的模2和为1两码元相异。自相关函数=1 时已对齐； 自相关函数≠1时没有对齐。
④
–
模2和运算
Global Positioning System
22
§4.4
GPS卫星信号的构成
一．卫星载波信号与调制
2. 调制
① ② ③ 调幅：载波振幅随调制信号的变化而变化 调频：载波频率随调制信号的变化而变化 调相：载波相位随调制信号的变化而变化 GPS卫星的伪随机码是利用调相技术 调制到载波上的（与+1相乘，相位不变； 与-1相乘，相位改变180度）
③
Global Positioning System
26
§4.5
GPS卫星的导航电文
一．导航电文及其格式
2. 格式
① 导航电文是二进制编码文件，按规定格式 组成数据侦，按侦向外播发。每侦电文 1500bit，播送速度为每秒50bit，所以， 一侦电文的传播时间是30秒。 每侦电文含有5个子侦，每个子侦含有5个 字，每个字为30bit；所以每一子侦共含 300bit，按上述比特率50bit/s速度播发， 每幅子侦需播发6s。
GPS接收机基本工作原理
一．GPS接收机的分类
1. 定义
GPS 接收机是能够接收、跟踪、变换 和测量GPS信号的卫星信号接收设备。
Global Positioning System
33
§4.6
GPS接收机基本工作原理
一．GPS接收机的分类
2. 接收机的分类
① ② ③ ④ 按用途分类：测地型、导航型、授时型 按所用载波频率多少分类：单频、双频 按接收机通道数分类：多通道接收机、序 贯通道接收机、多路多用通道接收机 按工作原理分类：码相关型接收机、平方 型接收机、混合型接收机
测距码是用于测定卫星至接收机间的距离 的二进制码。 GPS卫星采用两种测距码，即C/A码和P码， 它们均属于伪随机码。 C/A码也称粗码，P码也称精码。各卫星所 采用的测距码互不相同且互相正交
Global Positioning System
15
§4.3
二．C/A码
1. 定义
C/A码与P码
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
三．码分多址
2. 什么叫码分多址
① ② 所谓码分多址，就是针对不同的GPS卫星， 预先指定使用不同结构的伪随机码 特点：每颗卫星的伪噪声码不同，因此可 以按卫星所用伪噪声码不同对卫星进行编 号，即PRN编码
Global Positioning System
14
§4.3
一．概述
① ② ③
C/A码与P码
Global Positioning System 30
§4.5
GPS卫星的导航电文
二．导航电文内容
4. 第二数据块（核心部分，卫星星历）
① ② ③ 开普勒六参数 轨道摄动九参数 时间两参数 数据块包含了计算卫星运行位置的信 息，GPS接收机根据这些参数可以进行实时 的导航定位计算
Global Positioning System
Global Positioning System
24
§4.4
GPS卫星信号的构成
二．卫星信号的解调
重建载波
由于在GPS信号中已用二进制相位调 制的方法在载波上调制了测距码和导航电 文，因此接收到的卫星信号的相位已不再 连续。所以在进行载波相位测量前，首先 要进行解调工作，设法将调制在载波上的 测距码和导航电文去掉，重新恢复载波。 这一工作称为重建载波。
Global Positioning System
25
§4.5
GPS卫星的导航电文
一．导航电文及其格式
1. 定义
① ② 所谓导航电文，是指包含导航信息的数据 码。 导航信息指的是：卫星星历、卫星工作状 态、卫星历书、时间系统、星钟改正参数、 轨道摄动改正参数、大气折射改正参数、 遥测码以及由C/A码确定P码的交换码等。 它是用户利用GPS进行导航定位的数据基础
③ ④
Global Positioning System
9
§4.2 伪随机码扩频与相关接收
一．伪码扩频
1. 定义
将原拟发送几十比特速率的导航电文 变换成发送几兆甚至更高比特率的由导航 电文和伪噪声码组成的组合码，称之为伪 随机码扩频，简称伪码扩频
2.
优越性
① ② 保密性强：信号深埋在噪声中，抗干扰 耗电量少：降低了信噪比，节省卫星电能 可以很小的发射功率实现2万公里的定位
Global Positioning System 10
§4.2 伪随机码扩频与相关接收
二．伪码测距
1. 定义
在计算卫星发射信号由卫星到用户的 传播延时时，主要利用了卫星发射信号中 的伪随机码和地面GPS接收机中复制的跟 踪伪码的相关接收技术，故称为伪码测距