第四章 卫星导航定位信号结构
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第四章 卫星导航定位信号结构
厦门理工学院空间信息科学与工程系
主 要 内 容
§4.1 载波与测距码 §4.2 导航电文 §4.3 卫星信号调制 §4.4 GPS卫星位置计算
学 习 要 求
掌握卫星信号的基本组成 掌握几种主要的载波频率，理解其间的关系 理解测距码产生的原理，理解并掌握二进制运算规 则，掌握C/A码、P码的周期、码元宽度等相关概念 了解导航电文总体结构，掌握卫星轨道6个基本参 数所表示的意义 理解卫星信号调制的过程 理解并掌握卫星位置计算的基本思路
4.4 卫星轨道位置计算
②计算观测瞬间卫星的偏近点角
E M e sin E
③计算观测瞬间卫星的真近点角
1 e2 sin E sin v 1 e cos E
cos E e cos v 1 e cos E
1 e 2 sin E v acr tan cos E e
4.4 卫星轨道位置计算
Z
轨道偏心率
e a
2
卫星
近地点
b a
2
轨道长半轴a
r
Mf
赤道平面 Ω X
ω
真近点角Mf
b
i Y 升交点
春分点
零子午面
近地点角距
升交点赤经Ω
轨道倾角i
4.4 卫星轨道位置计算
一、用广播星历计算卫星位置
地球坐标系下 卫星在轨道面坐标 卫星在天球坐标 系中的位置 系中的位置 变换公式 卫星的位置 变换公式
t SV a0 a1 (t toc ) a2 (t toc ) 2
4.2 导航电文
三、第2、3子帧（第二数据块） （一）卫星轨道表示方法(P63) 开普勒轨道根数及其变化率——广播星历(预报星历) 卫星空间位置及运动速度——IGS精密星历
4.2 导航电文
卫星星历
类型 广播星历 超快速星历 快速星历 最终星历 精度 100cm <3cm <2.5cm <2.5cm 延迟 实时 3-9小时 17-41小时 12-18天 更新周期 1-2小时 每天03，09， 15，21时 每天17时 每周四 采样率 —— 15分钟 15分钟 15分钟
第5子帧 （第3数据块） (300bits)
第1子帧 （第1数据块） (300bits)
...
第5子帧 （第3数据块） (300bits)
第1字 遥测字 (30bits)
第2字 交接字 (30bits)
...
第10字 (30bits)
第1字 遥测字 (30bits)
第2字 交接字 (30bits)
...
4.4 卫星轨道位置计算
④计算升交距角（未经改正的）
u' v
④计算卫星向径（未经改正的）
r ' a 1 ecosE
⑤计算摄动改正项
u Cuc cos 2u ' Cus sin 2u ' r Crc cos 2u ' Crs sin 2u ' i Cic cos 2u ' Cis sin 2u '
第10字 (30bits)
...
4.2 导航电文
一、总体结构
4.2 导航电文
捕获导航电 文前导
Z计数
4.2 导航电文
二、第1子帧（第一数据块）
– 第1子帧的第3~10个字 – 内容： • WN – GPS周 http://www.rvdi.com/freebies/gpscalendar.html • L2所调制测距码标识符 – “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码 • 用户测距精度N – URA • 卫星健康状况 • TGD – 信号在卫星内部的时延（平均群延差） • 星钟数据龄期AODC • 星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）
万有引力（1） 万有引力（2） 日月引力、大气阻力、太阳光压力 摄动力
地球引力场摄动力影响约为10-3量级，其他摄 动力影响大多小于或接近于10-5量级。
4.4 卫星轨道位置计算
研究卫星运动的步骤
研究卫星的 无摄运动 规律，描述 卫星轨道的基本特征 研究各种 摄动力 的影响，对卫星 的无摄轨道修正 确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征
x r cos u y r sin u
z0
轨道平面坐标系与天球坐标系
4.4 卫星轨道位置计算
⑧卫星在瞬时天球坐标系位置
4.2 导航电文
一、总体结构
导航电文
第1主帧 (1500bits)
第2主帧 (1500bits)
...
第25主帧 (1500bits)
第1子帧 （第1数据块） (300bits)
第2子帧 （第2数据块） (300bits)
第3子帧 （第2数据块） (300bits)
第4子帧 （第3数据块） (300bits)
GPS卫星信号结构
载波L1 相移90° C/A码
Gi (t )
D码 (导航电文)
Gi (t ) Di (t )
Di (t )
P码
Pi (t ) Di (t )
Pi (t )
载波L2
振荡器
模2加法器 调制器
信号合成器
4.4 卫星轨道位置计算
4.4 卫星轨道位置计算
作用在卫星上的外力
AS电子欺骗技术
4.2 导航电文
导航电文 一组反映卫星运行轨道、卫星钟改正参数、电离层 延迟修正参数及卫星工作状态等信息的二进制代码， 也称数据码（D码）
4.2 导航电文
导航电文传播过程
将导航电文注入到 卫星的存储系统 编制导航电文， 传送到注入站
地面主控站
地面注入站
解译导航电文，计算出测站 的三维位置、速度和时间
4.1 载波与测距码
一、载波 • 作用
搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移
19.03c m
L1
L2
24.42c m
பைடு நூலகம்
• 类型
L1 – 频率： 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 – 频率： 1227.60MHz；波长：24.42cm 增加L5 – 频率：1176.45MHz；波长：25.48cm
卫星轨道平面相对位置
卫星轨道形状参数 卫星轨道椭圆定向 卫星瞬时位置
4.2 导航电文
三、第2、3子帧（第二数据块）
– 第2、3子帧的第3~10个字 – 内容 • 发送信号卫星的星历 － 广播星历 – 星历参数
4.2 导航电文
4.2 导航电文
三、第2、3子帧（第二数据块） （二）人卫轨道理论 作用在卫星上的外力
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 码元、码元宽度、码速率
码元宽(时间或距离)
1
0
1
0
0
1
0
码速率：bit/每秒
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 随机噪声（随机码）（P48）
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。
• 目的：消除或削弱电离层误差
4.1 载波与测距码
二、测距码 • 定义 – 伪随机噪声（PRN － Pseudo Random Noise） 序列或PRN码的二进制码 • 作用 – 测距 • 形成方式：多级反馈移位寄存器产生的m序列
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 码 • 在现代数字化通信中，广泛使用二进制数（0和1） 及其组合来表示各种信息。这些二进制数及其组 合，称为码。 • 一位二进制数叫做一个码元或一比特。比特（bit)为 码的度量单位。 • 将各种信息量化，并按预定规则表示为二进制的组 合形式，则此过程称为编码。
人卫真实轨道
人卫轨道理论
4.2 导航电文
三、第2、3子帧（第二数据块） （三）第2、3子帧参数 参考时刻6个轨道参数 9个轨道摄动参数 其他参数
,i , Cuc , Cus , Crc , Crs , Cic , Cis , toe , AODE M 0 , n, e, a , 0 , i0 , ,
Cuc、Cus、Crc、Crs、Cic、Cis 为摄动参数
a ( A2 )
4.4 卫星轨道位置计算
⑥进行摄动改正
u u ' u r r ' r a 1 ecosE r di i i0 i (t t0 ) dt
⑦卫星在轨道面坐标系位置
卫星信号组成概述
• GPS卫星信号的组成部分
– 载波（Carrier） • L1 • L2 – 测距码（Ranging Code） • C/A码（目前只被调制在L1上） • P(Y)码（被分别调制在L1和L2上） – 卫星（导航）电文（Message）
卫星信号组成概述
GPS卫星信号的生成 关键设备 – 原子钟
万有引力（1） 万有引力（2） 日月引力、大气阻力、太阳光压力 摄动力
地球引力场摄动力影响约为10-3量级，其他摄 动力影响大多小于或接近于10-5量级。
4.2 导航电文
（二）人卫轨道理论 作用在卫星上的外力
作用在卫星上的力 地球引力（1）：地球正球（质点） 的引力 摄 动 力 地球引力（2）：形状摄动力 日、月引力 大气阻力 光压力 其它作用力 总和 卫星轨道 人卫正常轨道 轨道摄动 轨道理论 人卫正常轨道理 论（二体问题） 人卫正常摄动理 论
4.2 导航电文
（二）人卫轨道理论 人卫正常轨道
4.2 导航电文
Z 卫星轨道六要素（P64）
轨道偏心率
e a
2
卫星
近地点
b a
2
轨道长半轴a
r
Mf
赤道平面 Ω X
ω
真近点角Mf
b
i 升交点 Y
近地点张角
升交点赤经Ω
轨道倾角i
4.2 导航电文
开普勒轨道根数（轨道参数）
升交点赤经 轨道倾角 长半轴 偏心率 近地点角距 卫星过近地点 的时刻（真近 点角）
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 m序列（P48）
5.1 载波与测距码
（一）基本知识 基本规则
4.1 载波与测距码
（二）C/A码
4.1 载波与测距码
（二）C/A码 主要特征
1.023Mbit/s
主要作用
① 捕获卫星信号 ② 粗略测距
4.1 载波与测距码
二、测距码 （三）P码（Precise Code）→Y码 由两个伪随机码相乘构成； 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。 Y码=P码⊕W码
调 制 在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，将频率 较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调 制。载波携带着有用信号传送出去。
调制信号
数据码
载波信号
测距码
4.3 卫星信号调制
信号调制方式：
调频FM
调幅AM
调相
4.3 卫星信号调制
一、C/A码+导航电文
4.3 卫星信号调制
二、二进制信号的相位调制——C/A码+导航电文+载波
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 伪随机噪声（Pseudo Random Noise - PRN） 是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。 产生的基础：“移位寄存器” 特点： （1）具有随机码的良好自相关性； （2）具有某种确定的编码规则； （3）可以容易地复制 测距码（C/A码与P码）属于伪随机噪声码
极 移 改 正
协议地球坐标系 下卫星的位置
4.4 卫星轨道位置计算
①计算观测瞬间卫星的平近点角
M M 0 n(t t0 )
M 为观测瞬间卫星的平近地点角
GM n0 ( A )3
n0为参考时刻 t 0时的平均角速度
n n0 n
n 为摄动参数,n为观测瞬间卫星的平均角速度
GM 称为地球引力常数，在WGS 84系中定义为3.986005 1014 m3 s 2 A：轨道长半轴的平方根
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 基本规则 • 模二和 – 运算规则
1 1 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; 1 1 1; 1 1 1; 1 1 1
4.2 导航电文
四、第4、5子帧（第三数据块） 第4、5子帧的第3~10个字 内容：
（1）所有卫星历书（概略星历P66） （2）所有卫星健康状况 （3）所有卫星AS标识及卫星类型标识 （4）GPS时域UTC间关系参数 （5）电离层改正参数
第三数据块的内容每12.5分钟重复一次
4.3 卫星信号调制
厦门理工学院空间信息科学与工程系
主 要 内 容
§4.1 载波与测距码 §4.2 导航电文 §4.3 卫星信号调制 §4.4 GPS卫星位置计算
学 习 要 求
掌握卫星信号的基本组成 掌握几种主要的载波频率，理解其间的关系 理解测距码产生的原理，理解并掌握二进制运算规 则，掌握C/A码、P码的周期、码元宽度等相关概念 了解导航电文总体结构，掌握卫星轨道6个基本参 数所表示的意义 理解卫星信号调制的过程 理解并掌握卫星位置计算的基本思路
4.4 卫星轨道位置计算
②计算观测瞬间卫星的偏近点角
E M e sin E
③计算观测瞬间卫星的真近点角
1 e2 sin E sin v 1 e cos E
cos E e cos v 1 e cos E
1 e 2 sin E v acr tan cos E e
4.4 卫星轨道位置计算
Z
轨道偏心率
e a
2
卫星
近地点
b a
2
轨道长半轴a
r
Mf
赤道平面 Ω X
ω
真近点角Mf
b
i Y 升交点
春分点
零子午面
近地点角距
升交点赤经Ω
轨道倾角i
4.4 卫星轨道位置计算
一、用广播星历计算卫星位置
地球坐标系下 卫星在轨道面坐标 卫星在天球坐标 系中的位置 系中的位置 变换公式 卫星的位置 变换公式
t SV a0 a1 (t toc ) a2 (t toc ) 2
4.2 导航电文
三、第2、3子帧（第二数据块） （一）卫星轨道表示方法(P63) 开普勒轨道根数及其变化率——广播星历(预报星历) 卫星空间位置及运动速度——IGS精密星历
4.2 导航电文
卫星星历
类型 广播星历 超快速星历 快速星历 最终星历 精度 100cm <3cm <2.5cm <2.5cm 延迟 实时 3-9小时 17-41小时 12-18天 更新周期 1-2小时 每天03，09， 15，21时 每天17时 每周四 采样率 —— 15分钟 15分钟 15分钟
第5子帧 （第3数据块） (300bits)
第1子帧 （第1数据块） (300bits)
...
第5子帧 （第3数据块） (300bits)
第1字 遥测字 (30bits)
第2字 交接字 (30bits)
...
第10字 (30bits)
第1字 遥测字 (30bits)
第2字 交接字 (30bits)
...
4.4 卫星轨道位置计算
④计算升交距角（未经改正的）
u' v
④计算卫星向径（未经改正的）
r ' a 1 ecosE
⑤计算摄动改正项
u Cuc cos 2u ' Cus sin 2u ' r Crc cos 2u ' Crs sin 2u ' i Cic cos 2u ' Cis sin 2u '
第10字 (30bits)
...
4.2 导航电文
一、总体结构
4.2 导航电文
捕获导航电 文前导
Z计数
4.2 导航电文
二、第1子帧（第一数据块）
– 第1子帧的第3~10个字 – 内容： • WN – GPS周 http://www.rvdi.com/freebies/gpscalendar.html • L2所调制测距码标识符 – “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码 • 用户测距精度N – URA • 卫星健康状况 • TGD – 信号在卫星内部的时延（平均群延差） • 星钟数据龄期AODC • 星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）
万有引力（1） 万有引力（2） 日月引力、大气阻力、太阳光压力 摄动力
地球引力场摄动力影响约为10-3量级，其他摄 动力影响大多小于或接近于10-5量级。
4.4 卫星轨道位置计算
研究卫星运动的步骤
研究卫星的 无摄运动 规律，描述 卫星轨道的基本特征 研究各种 摄动力 的影响，对卫星 的无摄轨道修正 确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征
x r cos u y r sin u
z0
轨道平面坐标系与天球坐标系
4.4 卫星轨道位置计算
⑧卫星在瞬时天球坐标系位置
4.2 导航电文
一、总体结构
导航电文
第1主帧 (1500bits)
第2主帧 (1500bits)
...
第25主帧 (1500bits)
第1子帧 （第1数据块） (300bits)
第2子帧 （第2数据块） (300bits)
第3子帧 （第2数据块） (300bits)
第4子帧 （第3数据块） (300bits)
GPS卫星信号结构
载波L1 相移90° C/A码
Gi (t )
D码 (导航电文)
Gi (t ) Di (t )
Di (t )
P码
Pi (t ) Di (t )
Pi (t )
载波L2
振荡器
模2加法器 调制器
信号合成器
4.4 卫星轨道位置计算
4.4 卫星轨道位置计算
作用在卫星上的外力
AS电子欺骗技术
4.2 导航电文
导航电文 一组反映卫星运行轨道、卫星钟改正参数、电离层 延迟修正参数及卫星工作状态等信息的二进制代码， 也称数据码（D码）
4.2 导航电文
导航电文传播过程
将导航电文注入到 卫星的存储系统 编制导航电文， 传送到注入站
地面主控站
地面注入站
解译导航电文，计算出测站 的三维位置、速度和时间
4.1 载波与测距码
一、载波 • 作用
搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移
19.03c m
L1
L2
24.42c m
பைடு நூலகம்
• 类型
L1 – 频率： 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 – 频率： 1227.60MHz；波长：24.42cm 增加L5 – 频率：1176.45MHz；波长：25.48cm
卫星轨道平面相对位置
卫星轨道形状参数 卫星轨道椭圆定向 卫星瞬时位置
4.2 导航电文
三、第2、3子帧（第二数据块）
– 第2、3子帧的第3~10个字 – 内容 • 发送信号卫星的星历 － 广播星历 – 星历参数
4.2 导航电文
4.2 导航电文
三、第2、3子帧（第二数据块） （二）人卫轨道理论 作用在卫星上的外力
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 码元、码元宽度、码速率
码元宽(时间或距离)
1
0
1
0
0
1
0
码速率：bit/每秒
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 随机噪声（随机码）（P48）
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。
• 目的：消除或削弱电离层误差
4.1 载波与测距码
二、测距码 • 定义 – 伪随机噪声（PRN － Pseudo Random Noise） 序列或PRN码的二进制码 • 作用 – 测距 • 形成方式：多级反馈移位寄存器产生的m序列
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 码 • 在现代数字化通信中，广泛使用二进制数（0和1） 及其组合来表示各种信息。这些二进制数及其组 合，称为码。 • 一位二进制数叫做一个码元或一比特。比特（bit)为 码的度量单位。 • 将各种信息量化，并按预定规则表示为二进制的组 合形式，则此过程称为编码。
人卫真实轨道
人卫轨道理论
4.2 导航电文
三、第2、3子帧（第二数据块） （三）第2、3子帧参数 参考时刻6个轨道参数 9个轨道摄动参数 其他参数
,i , Cuc , Cus , Crc , Crs , Cic , Cis , toe , AODE M 0 , n, e, a , 0 , i0 , ,
Cuc、Cus、Crc、Crs、Cic、Cis 为摄动参数
a ( A2 )
4.4 卫星轨道位置计算
⑥进行摄动改正
u u ' u r r ' r a 1 ecosE r di i i0 i (t t0 ) dt
⑦卫星在轨道面坐标系位置
卫星信号组成概述
• GPS卫星信号的组成部分
– 载波（Carrier） • L1 • L2 – 测距码（Ranging Code） • C/A码（目前只被调制在L1上） • P(Y)码（被分别调制在L1和L2上） – 卫星（导航）电文（Message）
卫星信号组成概述
GPS卫星信号的生成 关键设备 – 原子钟
万有引力（1） 万有引力（2） 日月引力、大气阻力、太阳光压力 摄动力
地球引力场摄动力影响约为10-3量级，其他摄 动力影响大多小于或接近于10-5量级。
4.2 导航电文
（二）人卫轨道理论 作用在卫星上的外力
作用在卫星上的力 地球引力（1）：地球正球（质点） 的引力 摄 动 力 地球引力（2）：形状摄动力 日、月引力 大气阻力 光压力 其它作用力 总和 卫星轨道 人卫正常轨道 轨道摄动 轨道理论 人卫正常轨道理 论（二体问题） 人卫正常摄动理 论
4.2 导航电文
（二）人卫轨道理论 人卫正常轨道
4.2 导航电文
Z 卫星轨道六要素（P64）
轨道偏心率
e a
2
卫星
近地点
b a
2
轨道长半轴a
r
Mf
赤道平面 Ω X
ω
真近点角Mf
b
i 升交点 Y
近地点张角
升交点赤经Ω
轨道倾角i
4.2 导航电文
开普勒轨道根数（轨道参数）
升交点赤经 轨道倾角 长半轴 偏心率 近地点角距 卫星过近地点 的时刻（真近 点角）
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 m序列（P48）
5.1 载波与测距码
（一）基本知识 基本规则
4.1 载波与测距码
（二）C/A码
4.1 载波与测距码
（二）C/A码 主要特征
1.023Mbit/s
主要作用
① 捕获卫星信号 ② 粗略测距
4.1 载波与测距码
二、测距码 （三）P码（Precise Code）→Y码 由两个伪随机码相乘构成； 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。 Y码=P码⊕W码
调 制 在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，将频率 较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调 制。载波携带着有用信号传送出去。
调制信号
数据码
载波信号
测距码
4.3 卫星信号调制
信号调制方式：
调频FM
调幅AM
调相
4.3 卫星信号调制
一、C/A码+导航电文
4.3 卫星信号调制
二、二进制信号的相位调制——C/A码+导航电文+载波
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 伪随机噪声（Pseudo Random Noise - PRN） 是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。 产生的基础：“移位寄存器” 特点： （1）具有随机码的良好自相关性； （2）具有某种确定的编码规则； （3）可以容易地复制 测距码（C/A码与P码）属于伪随机噪声码
极 移 改 正
协议地球坐标系 下卫星的位置
4.4 卫星轨道位置计算
①计算观测瞬间卫星的平近点角
M M 0 n(t t0 )
M 为观测瞬间卫星的平近地点角
GM n0 ( A )3
n0为参考时刻 t 0时的平均角速度
n n0 n
n 为摄动参数,n为观测瞬间卫星的平均角速度
GM 称为地球引力常数，在WGS 84系中定义为3.986005 1014 m3 s 2 A：轨道长半轴的平方根
4.1 载波与测距码
（一）基本知识 基本规则 • 模二和 – 运算规则
1 1 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; 1 1 1; 1 1 1; 1 1 1
4.2 导航电文
四、第4、5子帧（第三数据块） 第4、5子帧的第3~10个字 内容：
（1）所有卫星历书（概略星历P66） （2）所有卫星健康状况 （3）所有卫星AS标识及卫星类型标识 （4）GPS时域UTC间关系参数 （5）电离层改正参数
第三数据块的内容每12.5分钟重复一次
4.3 卫星信号调制