GPS信号格式和导航电文

1、卫星导航原理及应用技术北京航空航天大学电子信息工程学院北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室教研室秦 红 磊电话：01082316491 Email: GPSGPS信号结构与导航电文信号结构与导航电文 5.1 GPS5.1 GPS信号结构信号结构 5.2 GPS5.2 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文 GPSGPS卫星信号示意图卫星信号示意图 5.2 GPS5.2 GPS信号结构信号结构GPS信号信号 GPS GPS的所有信号分量都是基于同一个频率产生的：的所有信号分量都是基于同一个频率产生的： 两种载波，即：两种载波，即： GPSGPS卫星信号的两种信号分量：测距码和数据码是卫星信号

2、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采用调相技术调制到载波上的，且调制码的幅值只取0 0或或1 1。 010.23fMHz101541575.42LffMHz201201227.60LffMHz119.03cm224.42cm自相关特性自相关特性 复制信号复制信号 接收机产生与卫星相同的信号。接收机产生与卫星相同的信号。 伪距测量基本原理伪距测量基本原理 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

3、与本地的基准伪码进行比对，得到时间差。假如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驱动本地伪码的用户GPSGPS接收机时钟（简称站钟）和卫星接收机时钟（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。中含有时间误差导致的不精确成分，此时的距离称为伪距。

4、 GPS信号信号 粗测距码（粗测距码（C/AC/A码）码） 伪噪声码的长度周期伪噪声码的长度周期:1023bit:1023bit 码元宽度：码元宽度：约为约为293.1m293.1m 伪噪声码的重复周期伪噪声码的重复周期：1ms1ms 时钟脉冲速率：时钟脉冲速率：1.023Mbit/s1.023Mbit/s精码（精码（P P码）码） 伪噪声码的长度周期伪噪声码的长度周期:6.187bit:6.187bit bit bit 码元宽度：码元宽度：约为约为2929. .3m3m 伪噪声码的重复周期伪噪声码的重复周期：7d7d 时钟脉冲速率：时钟脉冲速率：1010. .23Mbit/s23Mbit/s

5、可以加密可以加密 反欺骗技术（反欺骗技术（A/SA/S） 1210GPS信号信号 导航电文导航电文 1500bit1500bit播发速率播发速率50bit/s50bit/s 数据数据 广播星历（广播星历（S/AS/A） 卫星时钟校正（卫星时钟校正（S/AS/A） 历书数据历书数据 电离层校正数据电离层校正数据 卫星健康状况卫星健康状况GPS信号 选择可用性技术（选择可用性技术（S/AS/A） 人为地引入干涉信号，显著地降低非特许用户用人为地引入干涉信号，显著地降低非特许用户用GPSGPS信号作实时导航定位测量时的精度。信号作实时导航定位测量时的精度。SASA技术包括技术包括对对GPSGPS卫星

6、基准频率所采用的卫星基准频率所采用的技术，对卫星导航电技术，对卫星导航电文所采用的文所采用的技术，对技术，对P P码所采用的译密技术。码所采用的译密技术。 技术是将卫星的基准频率（技术是将卫星的基准频率（1010.23MHz.23MHz）施加高频）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信号都会出现高频抖动，从而造成测距误差和测速误差。差。 技术是将卫星发送的技术是将卫星发送的GPSGPS卫星轨道参数人为地施加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一个慢变偏移，使广播星

7、历精度由原来的15m15m左右降到左右降到75m75m以上；达到降低用户定位精度的目的。以上；达到降低用户定位精度的目的。GPSGPS信号信号 反欺骗技术（反欺骗技术（A/SA/S） 它是将更加保密的它是将更加保密的W W码与码与P P码模二相加形成码模二相加形成Y Y码。使得非特许用户无法接收码。使得非特许用户无法接收 载波上的载波上的P P码。码。更不能利用更不能利用P P码实行定位，也不能用码实行定位，也不能用P P码和码和C/AC/A码码的相位观测量进行联合测算。的相位观测量进行联合测算。2L伪距测量伪距测量 如何将传送的信号进行编码如何将传送的信号进行编码 PRNPRN码产生器码产生

8、器 异或二进制函数异或二进制函数 线性反馈寄存器线性反馈寄存器 C/AC/A码码 P P码码 如何形成伪距测距如何形成伪距测距 离散自相关技术离散自相关技术 在在 载波上载波上, ,调制有调制有C/AC/A码、码、P P码（或码（或Y Y码）的数据码，码）的数据码，完整的信号结构为：完整的信号结构为： 在在 载波上，只用载波上，只用P P码进行双相调制，其信号结构为：码进行双相调制，其信号结构为： 11111( )( )( )cos()( )( )sin()LPiiLCiiLStA P t D ttA C t D tt2L1L222( )( )( )cos()LPiiLStB P t D tt

9、 最远的距离最远的距离257852578510103 3，发射功率为，发射功率为(14.3dBW(14.3dBW14.7dBW)14.7dBW)，则，则接收机接收到的功率为接收机接收到的功率为-157.8dBW-157.8dBW，如果考虑大气损耗，接收机接收，如果考虑大气损耗，接收机接收到的信号最小为到的信号最小为160dBW 160dBW 一般条件下，一般条件下，GPSGPS信号到达地面的强度大约为信号到达地面的强度大约为-130dBm/2MHz-130dBm/2MHz，室温下的热噪声大约为室温下的热噪声大约为-111dBm/2MHz-111dBm/2MHz，因此，信噪比，因此，信噪比S/N

10、S/N为为-19dB-19dB。另外一个表示信噪比的方法是载噪比另外一个表示信噪比的方法是载噪比C/N0(Carrier to Noise)C/N0(Carrier to Noise)，其参考，其参考带宽为带宽为1Hz1Hz。室温下的热噪声为。室温下的热噪声为-174dBm/Hz-174dBm/Hz，C/N0C/N044dB(-44dB(-130+174)130+174)。在这个强度下，信号很容易被处理。在这个强度下，信号很容易被处理。)Hz-dB()log(10/00LNkTGSNCfardB7 .1428.293 .21)cos1 (242rrrG22244）（sursueffrrRPRA

11、PPGPSGPS卫星天线增益卫星天线增益 GPSGPS接收机接收功率接收机接收功率 42effA表表 L L1 1和和L L2 2导航卫星信号的功率预算导航卫星信号的功率预算 下表列出了对于下表列出了对于BLOCKGPSBLOCKGPS卫星来说导航信号功率预算标，此表来自卫星来说导航信号功率预算标，此表来自Townsend,B-277-283Townsend,B-277-283 。参 数L1(P)L1(C/AL2(P)用户最低接收功率-163dBW-160dBW-166dBW用户天线增益3.0dB3.0dB3.0dB自由空间传播损耗184.4dB184.4dB182.3dB总的大气损耗2.0d

12、B2.0dB2.0dB极化失匹配损耗3.4dB3.4dB4.4dB所要卫星的EIRP+23.8dBW+26.8dBW+19.7dBW卫星天线增益14.3最差情况BLOCK13.5dB13.5dB11.5dB离轴角+10.3dBW+13.4dBW+8.2dBW卫星天线所要求的最低输入功率10.72W21.88W6.61WGPS测距法测距法 载波载波 f=1.5GHz =20cm 2mm 码元时间码元时间 t1s =300m =300m 3m PRN码码 t=1ms =300km 3km 数据位数据位 t=20ms =6E3km 60km 遥测字（遥测字（TLM） t=6s =2E6km 20 0

13、00kmGPS码发生器示意图 C/A C/A码是用于跟踪、锁定和测量的伪随机码。它的码率是码是用于跟踪、锁定和测量的伪随机码。它的码率是1.023MHz1.023MHz，周期为，周期为1ms1ms，因而在一个周期中有，因而在一个周期中有10231023个码位。它是个码位。它是由由m m序列优选对组合码形成的序列优选对组合码形成的GoldGold码（码（G G码）。码）。 在上图中在上图中, , 和和 分别为两个分别为两个1010级线性移位反馈寄存器。级线性移位反馈寄存器。两个移位寄存器于每星期日子夜零时，在置两个移位寄存器于每星期日子夜零时，在置“1 1”脉冲作用下全处脉冲作用下全处于于1 1

14、状态，同时在码率状态，同时在码率1.023MHz1.023MHz驱动下，两个移位寄存器分别产驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为生码长为 周期为周期为1ms1ms的两个的两个m m序列序列 和和 。 C/A码码 1G2G10211023N 2()G t1( )G t236891021Gxxxxxx 10311xxG 时间基准源产生的时间基准源产生的10.23MHz10.23MHz脉冲与脉冲与1.5s1.5s周期的脉周期的脉冲相互同步，以保证帧、子帧、冲相互同步，以保证帧、子帧、C/AC/A码、码、P P码相互同步。码相互同步。其中其中 序列经过相位选择器，输入一个与平移序列经过相位选择器，输入

15、一个与平移等价的等价的m m序列，然后序列，然后 与与 模模2 2和相加，便和相加，便得到得到C/AC/A码。码。 2( )G t1( )G t120/( )( )()C A tG tG tit2( )G tC/A码发生器码发生器P P码码 P P码的码率为码的码率为10.23Mb/s10.23Mb/s，周期约为，周期约为267267天。它是用天。它是用4 4个个1212位的移位寄存器的伪随机序列产生，这四个寄存器分别位的移位寄存器的伪随机序列产生，这四个寄存器分别为为 、 、 （图中简画为（图中简画为 ）。两级）。两级1212位移位寄存器构成一个伪随机码位移位寄存器构成一个伪随机码 ，两个移

16、位寄存器形，两个移位寄存器形成周期为成周期为1.5s1.5s的的m m序列序列 。一周期的码位数为。一周期的码位数为: : 1AX1BX22ABXX和12XX和1( )PN t1( )PN t66110.23 101.515.345 10N 68111225891011123457891011123489121 :11 :12:12:1X AXXXXX BXXXXXXXXX AXXXXXXXXXXX BXXXXXX 另两级另两级1212位移位寄存器构成伪随机码位移位寄存器构成伪随机码 ，两个移位，两个移位寄存器形成两个寄存器形成两个m m序列。码率与序列。码率与 相同，但码位比相同，但码位比

17、多多3737个码元，即码长为：个码元，即码长为： 因此因此P P码为：码为： 其相应的码元数为：其相应的码元数为： 相应的周期为：相应的周期为： 2( )PN t1( )PN t6215.345 1037N 12( )( )()iP tPN tPN tn036in14122.35 10NNN26738ppNTf天周 在在 中，可取中，可取0 0，1 1，2 2，3636。这样可得到。这样可得到3737种种P P码。码。在实际应用中，在实际应用中，P P码采用码采用7 7天的周期，即规定在每星期六午夜零点置天的周期，即规定在每星期六午夜零点置全全“1 1”状态作为起始点，然后从中截取一段周期为状

18、态作为起始点，然后从中截取一段周期为7 7天的码，作为天的码，作为P P码。一共取得码。一共取得3737个个P P码。码。3232个供个供GPSGPS卫星使用，卫星使用，5 5个供地面监测站使个供地面监测站使用。这样保证用。这样保证GPSGPS正常工作的唯一性。正常工作的唯一性。 因为因为P P码的码长过长，所以，如果仍采用搜索码的码长过长，所以，如果仍采用搜索C/AC/A码的办法，码的办法，来捕获来捕获P P码，即逐个个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒码，即逐个个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒5050码元时，那将是无法实现的（约需码元时，那将是无法实现的（约需 天）。因此，一般

19、天）。因此，一般先捕获先捕获C/AC/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，捕获码，然后根据导航电文中给出的有关信息，捕获P P码。所码。所以在不知道以在不知道P P码结构的情况下，是无法捕获码结构的情况下，是无法捕获P P码。码。( )P tin12619 10.P码发生器码发生器5.3 GPS5.3 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文 导航电文简介导航电文简介 导航电文包括计算卫星位置的有关数据（卫星星历）、导航电文包括计算卫星位置的有关数据（卫星星历）、系统时间、卫星钟参数、系统时间、卫星钟参数、C/AC/A码到码到P P码的转换字及卫星工作状码的转换字及卫星工作状态。卫星向用户提供，

20、用户将其应用于导航解算。这些数据态。卫星向用户提供，用户将其应用于导航解算。这些数据是以二进制码的形式发送给用户的，故卫星电文又称为数据是以二进制码的形式发送给用户的，故卫星电文又称为数据码，或称之为码，或称之为D D码。码。 电文的基本单位是长达电文的基本单位是长达1500bit1500bit的一个主帧，广播速率为的一个主帧，广播速率为50bit/s50bit/s。每一。每一主帧又分为五个子帧，每个子帧长度为主帧又分为五个子帧，每个子帧长度为6s6s，第，第1 1，2 2，3 3子帧各有子帧各有1010个字码，每个字码，每个字码为个字码为30bit30bit，第，第4 4，5 5子帧各有子帧

21、各有2525个页面，共有个页面，共有37500bit37500bit，长达，长达12.5min12.5min（如图（如图1 1所示）。它们不像第所示）。它们不像第1 1，2 2，3 3子帧那样，每子帧那样，每30s30s重复一次，而需要长达重复一次，而需要长达750s750s才能够传送完毕第才能够传送完毕第4 4，5 5子帧的全部信息量，亦即，第子帧的全部信息量，亦即，第4 4，5 5子帧是子帧是12.5min12.5min才重复一次。这表明，一台才重复一次。这表明，一台GPSGPS信号接收机获取一帧完整的卫星导航电文，需信号接收机获取一帧完整的卫星导航电文，需要要750s750s。GPS卫星

22、电文的基本内容卫星电文的基本内容子帧1子帧2子帧3标识码（如GPS星期序号等）、星钟数据龄期（AODC）、卫星时钟改正数等子帧4子帧5GPS卫星星历（轨道参数等）第2532颗GPS卫星的历书、UTC和电离层改正参数、第2532颗GPS卫星的健康状况第124颗GPS卫星的历书和健康状况GPSGPS导航电文的信息类别和形式导航电文的信息类别和形式 信息类别导航电文的提供形式 信号发射时刻卫星的精确位置 利用地心惯性坐标系中修正的开普勒模型表示的卫星星历，并且将它变换到地心地固坐标系 卫星信号发射时刻的精确位置 卫星时钟误差模型和相对论校正 以C/A码捕获P（Y）码 发送转换字HOW，使在一周内保持

23、对P（Y）码1.5秒周期所谓跟踪。这些数据用来辅助对P（Y）码的捕获。 在仰角受限条件下选取最好的一组卫星，以得到相应最小的GDOP（要求获知卫星的概位） 中等精度历书可以给出整个GPS星座的大致位置、时间以及卫星的健康状况。 时间传递信息 GPS时向协调世界时（UTC）的时间转换数据 单频用户的电离层标准 电离层与时间和用户位置之间关系的近似模型 卫星信号/数据的质量 用户测距精度（URA）发送URA指数N可为民间（非特许）用户提供关于可用卫星精度的定量测度。遥测字（遥测字（TLMTLM） 每一个子帧的第一个字码都是遥测字，作为捕获导航电每一个子帧的第一个字码都是遥测字，作为捕获导航电文的前

24、导。其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步起文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解释电文数据。具体码位如下：第点，使用户便于解释电文数据。具体码位如下：第1 18bit8bit为前导码（为前导码（1000101110001011）；第）；第9 922bit22bit为遥测电文，包括地面为遥测电文，包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息，以监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息，以此指示用户是否选用该卫星；第此指示用户是否选用该卫星；第2323、24bit24bit无意义；第无意义；第252530bit30bit为奇偶校验码（如下图所示

25、）。为奇偶校验码（如下图所示）。 转换字（转换字（HOWHOW） 每一个子帧的第二个字码是转换字，它的主要作用是在测每一个子帧的第二个字码是转换字，它的主要作用是在测距时向用户提供距时向用户提供P P码的子码自一星期开始的周期计数码的子码自一星期开始的周期计数Z Z，以便于，以便于任一任一6s6s子帧结束时自子帧结束时自C/AC/A码转至码转至P P码捕获。第码捕获。第1 117bit17bit表示表示Z Z计计数，它实质上是子帧计数，记录子帧数目；第数，它实质上是子帧计数，记录子帧数目；第18bit18bit是警示标是警示标记；第记；第19bit19bit是反欺骗标志（是反欺骗标志（ASAS

26、）；第）；第1818，1919位为位为0000；第；第202022bit22bit是子帧识别标记；第是子帧识别标记；第2323、24bit24bit无意义（无意义（0000）；第）；第252530bit30bit为奇偶校验码。为奇偶校验码。第一数据块第一数据块 第一子帧的第第一子帧的第3-103-10个字码为第一数据块。它的主要内个字码为第一数据块。它的主要内容是：载波的调制波类型、星期序号、卫星的健康状况、容是：载波的调制波类型、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期、卫星时钟改正参数等。数据龄期、卫星时钟改正参数等。 字码字码3:3:周数周数WNWN（1-10bit1-10bit）：为：为Z

27、Z计数的前十位，记录周数，从周计数的前十位，记录周数，从周期开始的期开始的19801980年年1 1月月6 6日零点开始计数。日零点开始计数。 用户测距精度用户测距精度URAURA（13-16bit13-16bit）：该颗卫星提供给未被授权用户：该颗卫星提供给未被授权用户的测距精度（的测距精度（m m）。这是为非特许用户设置的。）。这是为非特许用户设置的。 卫星的健康标记卫星的健康标记 (17-22bit)(17-22bit)：如果：如果1717位位“=0=0”，表示所有的卫星，表示所有的卫星数据都是好的。如果数据都是好的。如果1717位位“=1=1”，表示一些或者全部卫星数据都，表示一些或者

28、全部卫星数据都不健康；其它不健康；其它5 5位（位（18-22bit18-22bit）是信号组成部分的健康标志位。）是信号组成部分的健康标志位。其意义如下表所示：其意义如下表所示：18 -22bit说明 0 0 0 0 0 所有的信号都健康 0 0 0 0 1所有的信号都弱0 0 0 1 0 所有的信号都不可用（dead）0 0 0 1 1所有的信号都没有数据调制0 0 1 0 0L1上的P信号弱0 0 1 0 1L1上的P信号不能用（dead）0 0 1 1 0L1上的P信号没有数据调制0 0 1 1 1L2上的P信号弱0 1 0 0 0 L2上的P信号不能用（dead）0 1 0 0 1L

29、2上的P信号没有数据调制0 1 0 1 0L1上的C信号弱0 1 0 1 1L1上的C信号不能用（dead）0 1 1 0 0L1上的C信号没有数据调制0 1 1 0 1L2上的C信号弱0 1 1 1 0L2上的C信号不能用（dead）0 1 1 1 1L2上的C信号没有数据调制18 -22bit说明1 0 0 0 0L2和L1上的P信号弱1 0 0 0 1L2和L1上的P信号不能用（dead）1 0 0 1 0L2和L1上的P信号没有数据调制1 0 0 1 1L2和L1上的C信号弱1 0 1 0 0L2和L1上的C信号不能用（dead）1 0 1 0 1L2和L1上的C信号没有数据调制1 0

30、 1 1 0L1上的信号弱1 0 1 1 1L1上的信号不能用（dead）1 1 0 0 0L1上的信号没有数据调制1 1 0 0 1L2上的信号弱1 1 0 1 0L2上的信号不能用（dead）1 1 0 1 1L2上的信号没有数据调制1 1 1 0 0临时输出的信号，不要使用当前的卫星（*）1 1 1 0 1卫星将要输出临时信号，谨慎使用（*）1 1 1 1 0备用（spare）1 1 1 1 1需要多种联合去描述这种不规则的变动（除了被*标记的） IODC IODC的的2MSBs2MSBs（23-2423-24）：与字码）：与字码8 8的前八位一起来表示时的前八位一起来表示时钟数据龄期。

31、钟数据龄期。GPSGPS试验卫星的试验卫星的IODCIODC只占只占8bit8bit，而，而GPSGPS工作卫星却工作卫星却扩展到了扩展到了10bit10bit。IODCIODC是时钟改正数的外推时间间隔，它向用是时钟改正数的外推时间间隔，它向用户指明了对卫星时钟改正数的置信度。且知：户指明了对卫星时钟改正数的置信度。且知： 式中，式中， 计算时钟参数所作测量的最后观测时间；计算时钟参数所作测量的最后观测时间； 第一数据块的参考时刻。第一数据块的参考时刻。 字码字码4: P4: P码数据标志位（码数据标志位（1bit1bit）。）。 ocIODC=tLtLtoct2L字码字码7：电离层延迟改正

32、参数 （1724bit）；字码字码8：时钟校正的基准时刻 （924bit），单位为秒；字码字码9：频率误差变化率的多项式校准系数 （18bit）； 频率误差的多项式校准系数 （924bit）；字码字码10：相位误差的多项式校准系数 （122bit）。GDToct2fa1fa0fa 卫星时钟校正是将每颗卫星上的时钟修正为统一的卫星时钟校正是将每颗卫星上的时钟修正为统一的GPSGPS时。时。GPSGPS是以时间差测量为基础的，其测量精度与卫星时钟的精度密是以时间差测量为基础的，其测量精度与卫星时钟的精度密切相关。卫星钟和接收机钟间的相对误差乘上光速就等于测距误切相关。卫星钟和接收机钟间的相对误差乘

33、上光速就等于测距误差，因此在差，因此在GPSGPS测量中必须十分小心地消除各种时钟误差。测量中必须十分小心地消除各种时钟误差。 卫星时钟按照美国海军天文台（卫星时钟按照美国海军天文台（USNOUSNO）所维持的）所维持的UTCUTC由主控由主控站进行遥控调整的（卫星钟的物理调整），可保证卫星钟与站进行遥控调整的（卫星钟的物理调整），可保证卫星钟与GPSGPS时之间的误差（物理同步误差）在时之间的误差（物理同步误差）在1ms1ms之内。显然卫星钟的物理之内。显然卫星钟的物理同步精度不能满足导航和定位的精度要求，所以，对卫星钟还需同步精度不能满足导航和定位的精度要求，所以，对卫星钟还需用卫星钟参数

34、进行改正（卫星钟的数学调整）。用卫星钟参数进行改正（卫星钟的数学调整）。 卫星时钟校正：卫星时钟校正： 由电文子帧由电文子帧1 1中得到了在发射数据间隔中表征钟差系数，以中得到了在发射数据间隔中表征钟差系数，以此求出卫星伪随机码相位参考于卫星天线相位中心的偏差与发射此求出卫星伪随机码相位参考于卫星天线相位中心的偏差与发射时刻的时刻的GPSGPS系统时的关系，解算用户位置所需要的系统时的关系，解算用户位置所需要的GPSGPS时间（时间（SVSV时时钟时间）钟时间） 式中，式中， 为电文发射时刻的卫星伪随机码相位时间为电文发射时刻的卫星伪随机码相位时间, ,可以很容易可以很容易地由地由GPSGPS

35、接收机确定；接收机确定； 为卫星伪随机码相位时间偏移。为卫星伪随机码相位时间偏移。 SVSVtttSVtSVt卫星伪随机码相位时间偏移确定：卫星伪随机码相位时间偏移确定： 是数据块是数据块1 1的参考时间，从全球定位系统时间的参考时间，从全球定位系统时间, ,每星期每星期历元开始度量，单位秒。历元开始度量，单位秒。GPSGPS系统每星期历元是指格林尼系统每星期历元是指格林尼治平太阳时星期六到星期日早上之间的子夜（治平太阳时星期六到星期日早上之间的子夜（0 0点点0 0分分0 0秒）。可见，数学调整必须配合物理调整才能保证卫星时秒）。可见，数学调整必须配合物理调整才能保证卫星时钟与钟与GPSGP

36、S标准时间之间保持较高的同步精度。标准时间之间保持较高的同步精度。 rocfocffSVtttattaat2210)()(卫星相对论效应改正卫星相对论效应改正 其中，（离心率）、（卫星轨道长半轴）、其中，（离心率）、（卫星轨道长半轴）、 （偏近点角）（偏近点角）都是卫星轨道参数都是卫星轨道参数。 krEAeFtsineAkE)/(10442807633. 42102msCF14323.986005 10/ms82.99792458 10/Cm s 第二数据块包括第二和第三子帧，它载有卫星的星历，提供第二数据块包括第二和第三子帧，它载有卫星的星历，提供375375位修正的开普勒模型信息，用这些数

37、据能估计出发射卫星的位修正的开普勒模型信息，用这些数据能估计出发射卫星的位置。位置。 以下是子帧以下是子帧2 2和和3 3的介绍。的介绍。 第二数据块第二数据块 子帧子帧2 2的介绍：的介绍： 字码字码3：星历的数据龄期IODE（18bit）：为广播星历的外推时间间隔。数据龄期IODE是子帧2和子帧3都要给出的一个信息，它们与子帧1中IODC项的8个最低有效位LSB进行比较。应当指出，子帧2和子帧3中的两个IODE必须相互符合，并且应与子帧1给出的IODC（低八位）相一致。 字码3、字码4、字码5分别给出了轨道半径正弦调和改正项振幅 ；平近地点角速度的修正项 ；平近点角 。 字码字码6：升交点

38、距的余弦摄动改正项之振幅 (116bit)；字码字码7：卫星轨道离心率 字码6（1724bit）和字码7（124bit） rsCn0MucCe字码字码8 8：升交点距的正弦摄动改正项之振幅：升交点距的正弦摄动改正项之振幅 （1 116bit)16bit)）；）；字码字码9 9：轨道长半轴的平方根：轨道长半轴的平方根 字码字码8 8（17-24bit17-24bit）和字码）和字码9 9（1-24bit1-24bit）；）；字码字码1010：GPSGPS卫星星历基准时间卫星星历基准时间 （1-16bit1-16bit）；）； 拟合区间标志位拟合区间标志位17bit17bit：它表明：它表明GPS

39、GPS主控是主控是 否采用了否采用了4 4小时或小时或6 6小时的最小二乘拟合。小时的最小二乘拟合。 usCAoet子帧子帧3 3的介绍：的介绍： 字码字码3：轨道倾角的余弦摄动改正项之振幅：轨道倾角的余弦摄动改正项之振幅 （116bit） 字码字码4：升交点赤经：升交点赤经 字码字码5：轨道倾角的正弦摄动改正项之振幅：轨道倾角的正弦摄动改正项之振幅 （116bit）轨道的倾角轨道的倾角 的的8位位MSBs（1724bit）。）。 icC0isC0i字码字码6：轨道的倾角：轨道的倾角 的的24位位LSBs（124bit）字码字码7：轨道半轴的余弦摄动改正项之振幅：轨道半轴的余弦摄动改正项之振幅

40、 （116bit）字码字码8： 近地点角距近地点角距 字码字码7（1724bit）和字码）和字码8（116bit）字码字码9： 升交点赤经变化率升交点赤经变化率 （124bit）字码字码10：星历的数据龄期：星历的数据龄期IODE（18bit）；）； 轨道的倾角的变化率轨道的倾角的变化率IDOT（Rate of Inclination Angle）（922bit） 0ircC.第三数据块第三数据块 第四和第五子帧共同构成第三数据块，为用户提供其第四和第五子帧共同构成第三数据块，为用户提供其他卫星的概略星历、时钟改正和卫星工作状态等信息。子他卫星的概略星历、时钟改正和卫星工作状态等信息。子帧帧4

41、 4还含有电离层模型和还含有电离层模型和GPSGPS时钟校正信息。历书数据使用时钟校正信息。历书数据使用户能选取一组配置最好的卫星，或者直接判定哪些卫星在户能选取一组配置最好的卫星，或者直接判定哪些卫星在视野内。用户利用码分址较快地捕获其他卫星信号及选择视野内。用户利用码分址较快地捕获其他卫星信号及选择最合适的卫星。最合适的卫星。 历书数据所提供的是一组截短的、精度较低的星历参数组。历书数据所提供的是一组截短的、精度较低的星历参数组。它不仅提供多达它不仅提供多达3232颗卫星的近似星历信息，而且还给出每颗卫颗卫星的近似星历信息，而且还给出每颗卫星的健康状态数据。对于无效卫星或卫星数据无效的情况

42、，该星的健康状态数据。对于无效卫星或卫星数据无效的情况，该子帧会交替地发送无意义的子帧会交替地发送无意义的“0 0”和和“1 1”，以帮助完成同步。，以帮助完成同步。 与子帧与子帧2 2和子帧和子帧3 3中的详细星历数据相比，历书数据的精度中的详细星历数据相比，历书数据的精度要低得多。然而，历书数据的有效期较长，不必频繁更新。自要低得多。然而，历书数据的有效期较长，不必频繁更新。自发射时刻起，发射时刻起，1 1的大致历书精度与时间的函数关系变化如下表：的大致历书精度与时间的函数关系变化如下表： 历书和星历的区别：他们虽都是表示卫星运行轨道的参数。历书和星历的区别：他们虽都是表示卫星运行轨道的参

43、数。但是前者包括全部卫星的概略位置，用于卫星预报；后者只包但是前者包括全部卫星的概略位置，用于卫星预报；后者只包括当前观测到的卫星的精确位置，用于定位。历书是从导航电括当前观测到的卫星的精确位置，用于定位。历书是从导航电文中提取的。收集完文中提取的。收集完12.512.5分钟的导航电文才获得一组完整的历分钟的导航电文才获得一组完整的历书。书。 自发射起数据时间的龄期历书精度1天1星期2星期900m1200m3600m子帧四、五内容的简介：子帧四、五内容的简介： 页面子帧4页面子帧52，3，4，5，7，8，9，10卫星2532的历书数据124卫星124的历书数据18电离层改正和UTC数据2532

44、颗卫星的反电子欺骗特征符，2532颗卫星的健康状况25卫星124的卫星健康状况、历书基准时间和基准星期数其它各页分别为保留页、专用电文页和备用页子帧子帧4 4的介绍：的介绍： 第第1 1，6 6，1111，1616和和2121页：保留；页：保留；第第2 2，3 3，4 4，5 5，7 7，8 8，9 9和和1010页：分别是页：分别是SV25SV25到到3232的历书数据。这的历书数据。这些页还可能有其他用处；每一页的格式和内容由此页的些页还可能有其他用处；每一页的格式和内容由此页的SV IDSV ID决决定。在这种情况下，第定。在这种情况下，第2525页的页的6 6位健康字全设置成位健康字全

45、设置成1 1那么此页的从那么此页的从2525到到3232的的SV IDSV ID将不会有值。将不会有值。第第1212，1919，2020，2222，2323和和2424页：保留；页：保留；第第1313页：页：NMCTNMCT（导航电文校正表）；（导航电文校正表）；第第1414和和1515页：保留为系统使用；页：保留为系统使用；第第1717页：特殊电文；页：特殊电文；第第1818页：电离层和页：电离层和UTCUTC数据；数据；第第2525页：页：SV 32SV 32颗星配置的颗星配置的A-SA-S特征符，还有特征符，还有SV25SV25到到3232的健康字。的健康字。第四子帧的第第四子帧的第1

46、1，6 6，1111，1616及及2121页页 字码字码3 3：数据识别（：数据识别（1-2bit1-2bit）：定义卫星的数据结构。它提）：定义卫星的数据结构。它提供两种意义：供两种意义： （1 1）对于那些指定包含一个特定卫星历书的页，数据识）对于那些指定包含一个特定卫星历书的页，数据识别码定义了此颗卫星（此卫星的历书包含在该页中）利用别码定义了此颗卫星（此卫星的历书包含在该页中）利用的数据结构，的数据结构， （2 2）对于其他的页，数据识别码定义了发射卫星的数据）对于其他的页，数据识别码定义了发射卫星的数据结构。数据结构。数据IDID“1 1”（二进制（二进制0000）在）在GPSGPS

47、计划的第一阶段使用，计划的第一阶段使用，现在已经不再使用。现在已经不再使用。 卫星标识字卫星标识字SV IDSV ID（3-8bit3-8bit）： 虽然子帧虽然子帧4 4，5 5的每一页都保留的每一页都保留有特定的有特定的IDID号，但是第号，但是第4 4子帧子帧2 2，3 3，4 4，5 5，7 7，8 8，9 9和和1010页中的每页中的每一页的一页的SV IDSV ID都可能发生变化当那页的内容发生变化。都可能发生变化当那页的内容发生变化。SV IDSV ID有两种有两种用途：（用途：（1 1）对于包含指定卫星历书的那些页的）对于包含指定卫星历书的那些页的SV IDSV ID，是与用户

48、跟，是与用户跟踪的那颗卫星的伪随机码（踪的那颗卫星的伪随机码（PRNPRN码）编号保持一致。规定了各个卫码）编号保持一致。规定了各个卫星的星的PRNPRN码，它用于识别卫星。（码，它用于识别卫星。（2 2）对于其它页的）对于其它页的SV IDSV ID用作用作“页页码码IDID”：数字（：数字（1-321-32）用来表示那些包含具体卫星的电文页（子）用来表示那些包含具体卫星的电文页（子帧帧4 4的的2 2，3 3，4 4，5 5，7 7，8 8，9 9，1010以及子帧以及子帧5 5的的1-241-24），），33-5033-50保保留，留，51-6351-63表示其它页，表示其它页，0 0用

49、来表示虚假的卫星。包含相同数据的用来表示虚假的卫星。包含相同数据的页用相同的页用相同的SV SV 页码页码IDID表示表示, , 例如：子帧例如：子帧4 4的的1 1，6 6，1111，1616，2121页用页用5757表示，第表示，第1212，2424页用页用6262表示。当表示。当SVIDSVID全为全为“0 0”时表示一个无用的时表示一个无用的卫星。卫星。 第四子帧的第第四子帧的第1212，1919，2020，2222及及2323页页 第四子帧的第第四子帧的第1313页页 字码字码3：有效性指示器（910），说明见下表： 有效性指示器NMCT可靠性00对于授权或未被授权的用户，修正表都是

50、可靠的01对于授权用户，修正表都是可靠的10对于授权或未被授权的用户，修正表都是不可靠的11保留第四子帧的第第四子帧的第1414，1515，及，及1717* * *页页 子帧子帧4的第的第14，15页被保留；页被保留； 第第17页为特殊信息所保留，它容纳页为特殊信息所保留，它容纳22个个8bit的的ASC字符。这字符。这176bit占用字码占用字码3的的924位，以及字码位，以及字码49的的124位，字码位，字码10的的116位。它由地面控制部分产生，用于向用位。它由地面控制部分产生，用于向用户发播字母、数字信息。如下表所示：户发播字母、数字信息。如下表所示：o o文字符号ASC字符八进制代码

51、AZAZ1011320909060071+053-055.(小数点).056(分钟标记)047（度标记）370/057Blankspace040:072“042第四子帧的第第四子帧的第1818页页 该页发送电离层改正参数，字码该页发送电离层改正参数，字码3 3、字码、字码4 4、字码、字码5 5给出给出电离层改正参数，主要用来计算单频接收机的电离层的延迟。电离层改正参数，主要用来计算单频接收机的电离层的延迟。当当CSCS可以上载数据到可以上载数据到SVSV上时，上时，CSCS至少每六天更新一次电离层至少每六天更新一次电离层改正参数，若改正参数，若CSCS不能上载数据时，不能上载数据时，SVSV

52、发送的电离层改正参数发送的电离层改正参数将不再精确。字码将不再精确。字码6 6、字码、字码7 7、字码、字码8 8、字码、字码9 9、字码、字码1010给出了给出了UTCUTC参数，当参数，当CSCS可以上载数据到可以上载数据到SVSV上时，上时，CSCS至少每六天更新一至少每六天更新一次次UTCUTC参数，若参数，若CSCS不能上载数据时，不能上载数据时，SVSV发送的发送的UTCUTC参数的精度参数的精度随着时间递减。随着时间递减。 第四子帧的第第四子帧的第2525页页 字码字码3的（的（924bit）、字码）、字码4、字码、字码5、字码、字码6、字、字码码7的（的（124bit）、字码）

53、、字码8的（的（116bit）：）：AS特征符：标识第一第三十二颗卫星AS特征。 字码字码8的（的（1924bit）、字码）、字码9的（的（124 bit）、字）、字码码10的（的（118bit）分别标示）分别标示 第2532颗卫星的健康状况。子帧子帧5 5的介绍：的介绍： l124页包括124颗卫星的历书数据；l第25页包含卫星124颗的健康字，历书参考时间，还有历书参考星期数。 子帧子帧5 5（1-241-24页）和子帧页）和子帧4 4（2 2，3 3，4 4，5 5，7 7，8 8，9 9，1010页）页） 字码字码3：卫星轨道偏心率 （924bit）字码字码4：子帧5历书数据校准参数

54、（18bit） 轨道倾角修正量 （924bit） 字码字码5：升交点赤径变化率 （116bit） 字码字码6：轨道长半轴的平方根 （124bit） 字码字码7：升交点赤径 （124bit）字码字码8：近地点角距 （124bit）字码字码9：基准时间的平近点角 （124bit）字码字码10：相位误差 （18bit和2022bit） 频率误差 （919bit） eoati.A000M0fa1fa第五子帧第第五子帧第2525页页 字码字码3：历书参考时间 （916bit） 历书参考星期 （1724bit） 字码字码(49):用6 bit的数据表示124颗卫星的健康状况。在子帧4和子帧5中，给出了两类

55、卫星健康状况数据：（1）在含有历书有关卫星钟和星历数据参数的32个页面（子帧5（124页）和子帧4（2，3，4，5，7，8，9，10页）中，每一页都有8位表明有关该颗标定卫星的“健康”状况；（2）子帧4的第25页和子帧5的第25页为32颗卫星的每一颗设置了6位“健康”状况字组成的卫星状况简报。8位状态字的前三个最高有效位MSB该颗卫星导航电文的健康状况如表下1，e.g.显示HOW中的Z-计数是否正常。8位状态字的后5位LSB加上第二类的6位“健康”状况字一起给出了卫星信号成分的健康状况如下表2。 oataWN表表1.1.卫星数据健康卫星数据健康 在子帧5第25页中的位置表示的意义1371381

56、39000所有的数据都是好的001全部或一些数据的奇偶性变坏010TLM/HOW的格式有问题011Z计数器有问题100子帧1，2，3（1个或更多子帧）中字码（310）的元素有问题101子帧4，5（1个或更多子帧）中字码（310）的元素有问题110任何子帧（1个或更多子帧）中的字码（310）的元素有问题111所有数据都是坏的TLM/HOW和其数据有问题表表2.2.卫星信号的组成健康状况表卫星信号的组成健康状况表 低五位表示的意义 0 0 0 0 0 所有的信号都健康 0 0 0 0 1所有的信号都弱 0 0 0 1 0 所有的信号都不可用（dead） 0 0 0 1 1所有的信号都没有数据调制

57、0 0 1 0 0L1上的P信号弱 0 0 1 0 1L1上的P信号不能用（dead） 0 0 1 1 0L1上的P信号没有数据调制 0 0 1 1 1L2上的P信号弱 0 1 0 0 0 L2上的P信号不能用（dead） 0 1 0 0 1L2上的P信号没有数据调制 0 1 0 1 0L1上的C信号弱 0 1 0 1 1L1上的C信号不能用（dead） 0 1 1 0 0L1上的C信号没有数据调制 0 1 1 0 1L2上的C信号弱 0 1 1 1 0L2上的C信号不能用（dead） 0 1 1 1 1L2上的C信号没有数据调制 1 0 0 0 0L2和L1上的P信号弱 1 0 0 0 1L2和L1上的P信号不能用（dead） 1 0 0 1 0L2和L1上的P信号没有数据调制 1 0 0 1 1L2和L1上的C信号弱 1 0 1 0 0L2和L1上的C信号不能用（dead 1 0 1 0 1L2和L1上的C信号没有数据调制 1 0 1 1 0L1上的信号弱 1 0 1 1