第四章GPS卫星信号

1、第四章 GPS卫星信号1第四章 GPS卫星信号与导航电文本章学习目标本章学习目标熟悉卫星导航电文的内容；熟悉卫星导航电文的内容；了解了解GPS卫星信号的作用；卫星信号的作用；掌握掌握GPS卫星信号码结构；卫星信号码结构；掌握掌握GPS卫星位置的计算步骤；卫星位置的计算步骤；熟悉熟悉GPS接收机的基本工作原理；接收机的基本工作原理；了解了解GPS数据通讯与常用数据格式。数据通讯与常用数据格式。第四章 GPS卫星信号2 4.1 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文 4.2 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算 4.3 GPS卫星信号卫星信号 4.4 GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理 4.5

2、GPS数据通讯与数据格式数据通讯与数据格式第四章 GPS卫星信号3nGPS卫星定位测量是通过用户接收机接收卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的卫星发射的信号来测定测站坐标的，那么究竟什么是信号来测定测站坐标的，那么究竟什么是GPS卫星信号呢卫星信号呢?GPS卫星信号的内容 GPSGPS载波信号载波信号L L1 1载波载波GPSGPS的测距码的测距码C/AC/A码码P P码码导航导航电文电文卫星的星历卫星的星历卫星工作状态卫星工作状态时间系统时间系统卫星钟运行状态卫星钟运行状态轨道摄动改正轨道摄动改正大气折射改正大气折射改正L L2 2载波载波GPSGPS卫卫星星信信号号第四章 GP

3、S卫星信号44.1 GPS卫星的导航电文1、定义、定义就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码转换到码转换到P捕获码等导捕获码等导航信息的数据码航信息的数据码(或或D码码)。是用户用来定位和导航的数据基础。是用户用来定位和导航的数据基础。第四章 GPS卫星信号55u卫星导航电文包括卫星星历、时钟改正参数、电卫星导航电文包括卫星星历、时钟改正参数、电离层延迟改正参数、工作状态信息，以及由离层延迟改正参数、工作状态信息，以及由C/A码码转换

4、到转换到P码的的信息。码的的信息。uGPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。据基础。u电文以二进制码的形式发送，码率为每秒电文以二进制码的形式发送，码率为每秒50比特，比特，每个二进制码为每个二进制码为20ms。u电文按帧传送，每个主帧电文包含电文按帧传送，每个主帧电文包含1500个二进制个二进制码元，周期为码元，周期为30秒。秒。第四章 GPS卫星信号66u每个主帧又分为每个主帧又分为5个子帧，每个子帧都包含个子帧，每个子帧都包含300个二个二进制码，进制码，6秒钟传完。秒钟传完。u第第1、2、3子帧每子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一秒

5、重复一次，内容每小时更新一次。次。u第第4、5子帧各有子帧各有25个页面，其内容仅在卫星注入新个页面，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得到更新。的导航数据后才得到更新。第四章 GPS卫星信号77第四章 GPS卫星信号82、遥测码、遥测码 遥测码遥测码(TLMTelemetry Word)，位于各子帧的，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步的起点，使用户步信号为各子帧提供了一个同步的起点，使用户便于解释电文数据。便于解释电文数据。同步码同步码遥测电文遥测电文连接码连接码奇偶检验码奇偶检验码第四章 GPS卫星

6、信号99u每个子帧的第一个字为遥测字（每个子帧的第一个字为遥测字（TLM），用来表明卫星），用来表明卫星注入数据的状态。注入数据的状态。u遥测字开头的遥测字开头的8个比特可作为捕获导航信息的前导，其中个比特可作为捕获导航信息的前导，其中所含的同步信号，为各子帧提供了一个同步的起点，使用所含的同步信号，为各子帧提供了一个同步的起点，使用户便于解调电文数据。户便于解调电文数据。u随后的随后的14个比特是遥测码的电文，其内容包括控制站注个比特是遥测码的电文，其内容包括控制站注入数据时的状态、诊断信息和其他信息，以此指示用户是入数据时的状态、诊断信息和其他信息，以此指示用户是否选用该颗卫星。否选用该颗

7、卫星。u接下来是两个无信息意义的连接比特和接下来是两个无信息意义的连接比特和6个奇偶校验比特，个奇偶校验比特，奇偶校验位用于发现并纠正个别错误，确保正确传输导航奇偶校验位用于发现并纠正个别错误，确保正确传输导航电文。电文。第四章 GPS卫星信号103 3、转换码、转换码 转换码转换码(HOWHand Over Word(HOWHand Over Word），紧接着各子帧开头的遥），紧接着各子帧开头的遥测字，主要是向用户提供用于捕获测字，主要是向用户提供用于捕获P P码的码的Z Z计数。计数。 转换码表示从每星期日零时至星期六转换码表示从每星期日零时至星期六2424时，时，P P码子码码子码X1

8、X1的的周期（周期（1.5s1.5s）重复数。因此，知道）重复数。因此，知道Z Z计数，就知道观测时计数，就知道观测时刻刻P P码在周期中的准确位置，便能较快的码在周期中的准确位置，便能较快的 捕获到捕获到P P码。码。 通过交接字可以实时地了解观测瞬时在通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P P码周期中所处的码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获准确位置，以便迅速地捕获P P码。码。第四章 GPS卫星信号114、第一数据块第一数据块 第第1子帧的第子帧的第310个字个字 含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工

9、作状态等信息。号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。 主要内容：主要内容：（1）标识码和时延差改正）标识码和时延差改正Tgd：第第7 7字码的第字码的第17241724比特表示载波比特表示载波L1L1、L2L2的电离层时延的电离层时延差改正差改正TgdTgd。当使用单频接收机时，用。当使用单频接收机时，用TgdTgd改正所观测改正所观测的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。第四章 GPS卫星信号12（2）星期序号）星期序号WN -GPS周周（3）星钟

10、数据龄期）星钟数据龄期AODC（4）星钟改正参数：）星钟改正参数：a0，a1，a2，计算任意时刻计算任意时刻t的的钟改正数钟改正数4、第一数据块（内容）第一数据块（内容） 2210)()(ococSVttattaatLOCttAODCa0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率 toc为第一数据块的参考时刻，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是计算时钟参数所作测量的最后观测时间 第四章 GPS卫星信号135、第二数据块 第第2和第和第3子帧共同子帧共同构成第二数据块，构成第二数据块，它表示它表示GPS卫星的卫

11、星的星历。这些数据为星历。这些数据为用户提供了有关计用户提供了有关计算卫星运动位置的算卫星运动位置的信息，这是信息，这是GPS定定位中最有用的电文。位中最有用的电文。 AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,000第四章 GPS卫星信号146、第三数据块 第三数据块包括第第三数据块包括第4和第和第5两个子帧，其内容包括了所有两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。卫星的历书数据。 第三数据块的作用：当接收机捕获到某颗第三数据块的作用：当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫据第三数据块提供的其他卫星的概略星历

12、、时钟改正、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的卫星。卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。 第三数据块的内容每第三数据块的内容每12.5分钟重复一次。分钟重复一次。第四章 GPS卫星信号15GPS卫星广播星历预报参数及其定义 第四章 GPS卫星信号16升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径t0 过近地点时刻e 轨道偏心率地心f 真近点角XY起始子午面 升交点经度kG AST xy4.2 GPS卫星位置的计算 根据卫星电文所提供的轨道参

13、数按一定公式计算：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：计算思路：（1 1）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标（2 2）然后将上述坐标分别绕）然后将上述坐标分别绕X X轴旋转轴旋转-i-i角、绕角、绕Z Z轴旋轴旋转转- - k k角，求出卫星在地固系下的坐标。角，求出卫星在地固系下的坐标。轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道参数轨道参数地心升交点xy近地点卫星近地点角距真近点角升交距角第四章 GPS卫星信号17升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径t0 过近地点时刻e 轨道偏

14、心率地心f 真近点角XY起始子午面 升交点经度kG AST xy第四章 GPS卫星信号181 1、计算卫星运行的平均角速度、计算卫星运行的平均角速度(n)(n)(10986005. 384)(02314330电文给出摄动改正数系中定义为称为地球引力常数，在nnnsmWGSaaGMn第四章 GPS卫星信号192 2、计算归化时间、计算归化时间首先对观测时间首先对观测时间tt作卫星钟差改正：作卫星钟差改正：t=t-t=t-t t2210)()(ococttattaat然后将观测时刻然后将观测时刻t t归化到归化到GPSGPS时系时系oekttt参考时刻参考时刻GPSGPS时时间系统间系统 GPS卫

15、星的时钟相对卫星的时钟相对GPS时间系统存在着差值，需加以改正，这便时间系统存在着差值，需加以改正，这便是卫星时钟改正。是卫星时钟改正。 第四章 GPS卫星信号203、计算、计算t时刻卫星的平近点角时刻卫星的平近点角4、计算偏近点角、计算偏近点角5、计算真近点角、计算真近点角)()(0oettnMkM)(sin)()(kEekMkE)cos1/()(coscoskkkEeeEV)cos1/()sin1(sin2kkkEeEeV)/(cos)sin1(arctan2eEEeVkkk电文中参考时刻的电文中参考时刻的平近点角平近点角第四章 GPS卫星信号216 6、计算升交距角、计算升交距角 wVk

16、k7 7、计算摄动改正项、计算摄动改正项是卫星电文中的近地是卫星电文中的近地点角距点角距升交距角摄动量：升交距角摄动量：卫星矢径摄动量：卫星矢径摄动量：轨道倾角摄动量：轨道倾角摄动量：)2sin()2cos()()2sin()2cos()()2sin()2cos()(kiskickrskrckuskucCCtiCCtrCCtu卫星与升交点的地心夹角，即真卫星与升交点的地心夹角，即真近点角与近地点角距之和。近点角与近地点角距之和。第四章 GPS卫星信号228 8、进行摄动改正、进行摄动改正升交距角：升交距角：卫星矢径：卫星矢径：轨道倾角：轨道倾角：)()()()()cos1 ()()()(0ti

17、ttiititrEeatrtutuoekk)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx9 9、计算卫星在轨道平面坐标系中的位置、计算卫星在轨道平面坐标系中的位置地心升交点xy近地点卫星近地点角距真近点角升交距角第四章 GPS卫星信号23oeeoeektttt)()()(01010、计算观测时刻升交点经度、计算观测时刻升交点经度观测时刻的升交点经度观测时刻的升交点经度= =升交点赤径与升交点赤径与格林尼治视恒星时格林尼治视恒星时GASTGAST之差之差oeeoeeoeeoeeoeWoeeWoeoekeWoeoeWoekeWoettttttttGASTtGASTtttGASTttt

18、GASTtGASTtttGASTttGASTGPS)()()()()()()()(恒星时一周开周开始时刻格林)()()()()()()(000极移影响赤经的变化率参考时刻赤经为升交点赤经，则为升交点经度，为地球自转角速度，设之差周开始时格林尼治赤经与：参考时刻升交点赤经第四章 GPS卫星信号24)(sin)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos0)()(tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZ1111、计算卫星在地固坐标系下的坐标、计算卫星在地固坐标系下的坐标1212、卫星在协议地球坐标系下的坐标、卫星在协议地球坐标系下的坐标ZYXYXYXZYXpp

19、ppCTS1 1 0 0 1 其中其中 为地极瞬时坐标。为地极瞬时坐标。ppYX , 第四章 GPS卫星信号2525第四章 GPS卫星信号264.3 GPS卫星信号 GPS卫星信号包括测距码信号卫星信号包括测距码信号(即即P码和码和C/A码信码信 号号)、导、导航电文航电文(或称或称D码，即数据码信号码，即数据码信号)和载波信号。和载波信号。 GPS卫星信号的产生、调制和解调都非常复杂，涉及到卫星信号的产生、调制和解调都非常复杂，涉及到现代数字通讯理论和技术方面的若干高科技问题。作为现代数字通讯理论和技术方面的若干高科技问题。作为 GPS信号用户，虽然可以不去深入钻研这些问题，但了解信号用户，

20、虽然可以不去深入钻研这些问题，但了解其基本知识和概念，将有助于理解其基本知识和概念，将有助于理解GPS卫星导航和定位测卫星导航和定位测量的量的 原理，因而显得十分必要。原理，因而显得十分必要。 第四章 GPS卫星信号27GPS卫星信号的内容 GPSGPS载波信号载波信号L L1 1载波载波GPSGPS的测距码的测距码C/AC/A码码P P码码导航导航电文电文卫星的星历卫星的星历卫星工作状态卫星工作状态时间系统时间系统卫星钟运行状态卫星钟运行状态轨道摄动改正轨道摄动改正大气折射改正大气折射改正L L2 2载波载波GPSGPS卫卫星星信信号号第四章 GPS卫星信号28一、GPS卫星信号 第四章 G

21、PS卫星信号291、GPS卫星的基准频率 f0 由卫星上的原子钟直接产生由卫星上的原子钟直接产生 频率为频率为10.23MHz 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频频1012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffC AfPffHz码码率码码率卫星（导航）电文码率第四章 GPS卫星信号302、GPS信号的组成 载波（载波（L1，L2两个民用频率）两个民用频率） 测距码（测距码（C/A码和码和P码（码（Y码）码） 导

22、航电文（数据码，导航电文（数据码，D码）码） 第四章 GPS卫星信号313、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卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号 其中其中C/A码和码和P码的数码率分别为码的数码率分别为1.023 Mbit/s与与10.23Mbit/s， D码码(导航电文，又称为数据码导航电文，又称为数据码)的数码率仅为的数码率仅为50 bit/s。 GPS卫星离地面远达卫星离地面远达20000km，其电能又非常紧张，其电能又非常紧张， 因此很难将因此很难将上述数码率很低的信号传输到地面。上述数码率很低的信号传输到地面。 解决这一解决这一 难题的办法，

23、就是另外发射一种高频信号，并难题的办法，就是另外发射一种高频信号，并将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上，构成一高频的已调波发射给地面。上，构成一高频的已调波发射给地面。 第四章 GPS卫星信号32信号调制(补充)任何能量有限的信号都可以余弦波表示任何能量有限的信号都可以余弦波表示: :( )cos()c tAwt幅度频率相位第四章 GPS卫星信号334、载波 作用作用 搭载其它调制信号搭载其它调制信号 测距测距 类型类型 目前目前 L1 频率：频率： 154 f0 = 1575.43MHz；波长：；波长：19.03cm L2

24、频率：频率： 120 f0 = 1227.60MHz；波长：；波长：24.42cm 现代化后现代化后 增加增加L5 频率：频率：115 f0 = 1176.45MHz；波长：；波长：25.48cmL119.03c mL224.42c m第四章 GPS卫星信号344、载波 特点特点 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）（电离层折射延迟于信号的频率有关）第四章 GPS卫星信号35二、GPS测距码1、码：、码：表达信息

25、的二进制数及其组合。表达信息的二进制数及其组合。码元码元一位二进制数叫一个码元。一位二进制数叫一个码元。编码编码用二进制数表示信息的过程。用二进制数表示信息的过程。信息量信息量某种事物有某种事物有2 2r r种类型，可用种类型，可用r r位二进制数位二进制数表示，即含有表示，即含有r r比特的信息量。比特的信息量。信息的传输速度信息的传输速度单位时间内传输的比特数。单位时间内传输的比特数。码元宽度码元宽度传输一个码元所用时间传输一个码元所用时间。第四章 GPS卫星信号362、随机噪声码定义：每一时刻，码元是定义：每一时刻，码元是0 0或是或是1 1完全是随机的一组码完全是随机的一组码序列，这种

26、码元幅值是完全无规律的码序列，称为随序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列机噪声码序列。特性：特性：非周期性序列；自相关性好；无法复制非周期性序列；自相关性好；无法复制。应用：应用：随机噪声码序列却有良好的自相关性，随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPSGPS码码信号测距就是利用了信号测距就是利用了GPSGPS测距码的良好的自相关性才测距码的良好的自相关性才获得成功。获得成功。 第四章 GPS卫星信号37随机码自相关性自相关性是指两个结构相同的码序列的相关程度，它由自相关性是指两个结构相同的码序列的相关程度，它由自相关函数描述。自相关函数描述。自相关函数自相关函数将将U（

27、t）平移）平移k个码元，平移后与平移前个码元，平移后与平移前两序列相同码元个数两序列相同码元个数A，相异个数，相异个数D，用，用R（t）表示自相表示自相关系数关系数。R（t） =（A-D）/（A+D）自相关性好自相关性好原码与复制码对齐原码与复制码对齐R（t）=1，不对齐，不对齐0。 例子：自相关系数：例子：自相关系数：11101001110100 11101001110100R（t）=(6-6)/12=0。第四章 GPS卫星信号38 当平移的码元个数当平移的码元个数 k = 0 时，两个结构相同的码序列其相时，两个结构相同的码序列其相应码元完全相同，这时应码元完全相同，这时 D = 0 ，

28、而自相关函数而自相关函数 R(t) = 1； 当当 k 0 时，且假定码序列时，且假定码序列 中的码元总数充分大，那么由中的码元总数充分大，那么由于码序列的随机性，有于码序列的随机性，有 A D ，自相关函数，自相关函数R(t) 0。 由此，根据自相关函数由此，根据自相关函数 R(t) 的取值，即可确定两个随机噪的取值，即可确定两个随机噪声码序列是否已经声码序列是否已经相关相关，或者通俗地讲，两个码序列的，或者通俗地讲，两个码序列的相应码元是否已完全相应码元是否已完全对齐对齐。 第四章 GPS卫星信号393 伪随机噪声码(Pseudo Random Noise-PRN ) 虽然随机码具有良好的

29、自相关特性，但由于它是一种非周虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复期性的码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复制和利用。制和利用。 GPS采用了一种采用了一种 伪随机噪声码伪随机噪声码( Pseudo Random Noise-PRN )，简称伪随机码或伪码。，简称伪随机码或伪码。 这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机 码的良好码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的、可人工复制的码序列。的、可人工复制的码序列。

30、 第四章 GPS卫星信号403、伪随机噪声码 伪随机噪声码表面上看无规律，实际上有一定的规律伪随机噪声码表面上看无规律，实际上有一定的规律 和和周期性，且可以复制。周期性，且可以复制。 伪随机噪声码由多级反馈移位寄伪随机噪声码由多级反馈移位寄存器产生。存器产生。 这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有存储单元只有“0”或或“1”两种状态，并两种状态，并 接受钟脉冲和置接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制。脉冲的驱动和控制。 如：如：1111000100110101111000100110101a an-1n-12a an

31、-2n-2ra an-rn-r时钟脉冲信号第四章 GPS卫星信号41码序列的示意图码序列的示意图第四章 GPS卫星信号42GPS信号使用随机噪声码 当当r足够大时，就有足够大时，就有R(t) 0。所以伪随机噪声码与随机噪。所以伪随机噪声码与随机噪声码一样，具有良好的自相关性，又是一种结构确定，可声码一样，具有良好的自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。以复制的周期性序列。 用户接收机可方便地复制卫星所发射的伪随机噪声码信号，用户接收机可方便地复制卫星所发射的伪随机噪声码信号，并通过和接收到的码信号比较并通过和接收到的码信号比较(相关相关)，精确测定信号的传，精确测定信号的传播时延，

32、进一步计算出某一时刻测站和卫星间的距离。播时延，进一步计算出某一时刻测站和卫星间的距离。 第四章 GPS卫星信号43卫星测距原理卫星发射一个随机序列卫星发射一个随机序列U(t)U(t)GPSGPS接收机复制随机序列接收机复制随机序列U U(t)(t)由于信号传播时间延迟由于信号传播时间延迟R(t) 0;序列产生了平移序列产生了平移调整时间延迟调整时间延迟U(t)与与U(t)完全相同，完全相同，R(t) 1测出卫星信号到达用测出卫星信号到达用户传播时间户传播时间确定卫星至观测站的距离确定卫星至观测站的距离第四章 GPS卫星信号444、测距码 伪随机噪声码伪随机噪声码 两种测距码：两种测距码： C

33、/A码码 - 粗码粗码 码速：码速：1.023MHz 码元长度：码元长度：293m P(Y)码码 - 精码精码 码速：码速：10.23MHz 码元长度：码元长度：29.3m 第四章 GPS卫星信号45（1） C/A码 两个两个10级移位寄存器产生两个伪随机码级移位寄存器产生两个伪随机码G1、G2。特性：特性：码长码长NuNu=2 -1=1023=2 -1=1023比特比特码元宽码元宽t tu u= 1/f10.977752= 1/f10.977752s( (相应距离相应距离 为为293.1m)293.1m)周期周期Tu= NTu= Nu ut tu u = 1 = 1msms数码率数码率= =

34、1.023Mb/s1.023Mb/s10第四章 GPS卫星信号46C/A码特性C/A码的码长很短，易于捕获。在码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，导航和定位中， 为了捕获为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对对C/A 码逐个进行搜索。因为码逐个进行搜索。因为C/A码总共只有码总共只有1023个码个码元，所以若以元，所以若以 每秒每秒50码元的速度搜索，只需要约码元的速度搜索，只需要约20.5s便便可完成。可完成。由于由于CA码易于捕获，而且通过捕获的码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的码所提供的信信 息，又可以方便地捕获息，又可

35、以方便地捕获P码，所以通常码，所以通常CA码也称为码也称为捕获码。捕获码。C/A码的码元宽度较大。相应的测距误差可达码的码元宽度较大。相应的测距误差可达 29.32.9 m。由于其精度较低，所以。由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。码也称为粗码。 第四章 GPS卫星信号47 由于每颗卫星的由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经码都不一样，因此，我们经常用它们的常用它们的PRN号来区分它们。号来区分它们。C/A码是普通用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户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。号。第四章 GPS卫星信号48P码由两组各由两个码由两组各由两个12级

36、反馈移位寄存器的电路级反馈移位寄存器的电路发生，发生， 其基本原理与其基本原理与C/A码相似，但其线路设计码相似，但其线路设计细节远比细节远比C/A码码 复杂并且严格保密。每个移位寄复杂并且严格保密。每个移位寄存器产生的伪随机码的码长为：存器产生的伪随机码的码长为：212-1=4095bit，特征特征钟频：钟频：10.23MHz；码元宽度：码元宽度：0.097752s（相应长度（相应长度29.3m） 。码元数码元数N（码长）：（码长）：2.3510 14 bit周期周期T： 0.097752s2.3510 14 = 267天天被调制在被调制在L1和和L2上。上。（2）P码第四章 GPS卫星信号

37、49P码特性 P码一个整周期被分为码一个整周期被分为38部分，其中部分，其中1部分闲置，部分闲置，5部分给部分给地面监控站使用，地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星。部分分配给不同的卫星。每颗卫星所使用的每颗卫星所使用的P码不同部分，便都具有相同的码长和码不同部分，便都具有相同的码长和周期，但结构不同。周期，但结构不同。P码的码长较长，无法采用码的码长较长，无法采用C/A码逐个进行搜索。一般都码逐个进行搜索。一般都是先捕获是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，码，然后根据导航电文中给出的有关信息，捕获捕获P码。码。P码的码元宽度为码的码元宽度为C/A码的码的1/10，若取码元

38、的对齐精度仍，若取码元的对齐精度仍为码元宽度的为码元宽度的1/101/100，则由此引起的相应距离误差为，则由此引起的相应距离误差为0.29m，仅为，仅为C/A码的码的1/10。所以。所以P码定位精度高，故也称码定位精度高，故也称为精码。为精码。第四章 GPS卫星信号504.4 GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理一、接收机测距的基本原理一、接收机测距的基本原理（1）接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；）接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；（2）接收码比复制码滞后一段时间；）接收码比复制码滞后一段时间；（3）时延器将复制码延后（向后移位），直到与接收码对）时延器将复制

39、码延后（向后移位），直到与接收码对齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时间。间。 复制码复制码 接收码接收码第四章 GPS卫星信号511、数据接收第四章 GPS卫星信号522、GPS接收机工作原理GPSGPS接收机工作流程接收机工作流程（1 1）对天线接收到的信号进行捕获；）对天线接收到的信号进行捕获；（2 2）跟踪卫星信号以保证连续测距；）跟踪卫星信号以保证连续测距；（3 3）解调导航电文，进行定位解算。）解调导航电文，进行定位解算。 GPSGPS导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定与导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定与测距、电

40、文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是测距、电文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是由接收机内的微处理器（由接收机内的微处理器（CPUCPU）和部分存储器及相关软）和部分存储器及相关软件来完成的。件来完成的。第四章 GPS卫星信号532、GPS接收机工作原理GPS接收机基本功能结构图第四章 GPS卫星信号54二、二、GPS接收机的分类接收机的分类1、按接收机的用途分类可分为、按接收机的用途分类可分为导航型接收机导航型接收机车载型车载型用于车辆导航定位；用于车辆导航定位；航海型航海型用于船舶导航定位；用于船舶导航定位；航空型航空型用于飞机导航定位。用于飞机导航定位。星载型星载型用于卫星的导航

41、定位用于卫星的导航定位。 测地型接收机测地型接收机 授时型接收机授时型接收机第四章 GPS卫星信号55(1)导航型接收机导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低一般为25m,有SA影响时为100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。4.4.1 GPS4.4.1 GPS接收机的分类接收机的分类第四章 GPS卫星信号56(2) 测地型接收机测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。(3) 授时型接收机授时型接收

42、机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。第四章 GPS卫星信号572、按接收机的载波频率分类(1) (1) 单频接收机单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。(2) (2) 双频接收机双频接收机 双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。单频接收机双频接收机第四章 GPS卫星信号583、按接收机通道数分类 GPSGPS接收机能

43、同时接收多颗接收机能同时接收多颗GPSGPS卫星的信号，为了分离卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：根据接收机所具有的通道种类可分为：v 多通道接收机 v 序贯通道接收机v多路复用通道接收机第四章 GPS卫星信号594、按接收机工作原理分类码相关型接收机；码相关型接收机；码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。平方型接收机；平方型接收机；利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完

44、整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。混合型接收机；混合型接收机；综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值；第四章 GPS卫星信号60三、三、GPS信号接收机组成信号接收机组成天线单元带前置放大器带前置放大器接收天线接收天线接收单元信号通道信号通道存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源电源天线单元天线单元接收单元接收单元第四章 GPS卫星信号61本章结构GPSGPS卫星信号卫星信号载波载波测距码测距码导航电文导航电文GPSGPS接收机接收机接收接收类型类型组成组成计算卫星位置计算卫星位

45、置基本原理基本原理第四章 GPS卫星信号624.5 GPS数据通讯与数据格式数据通讯与数据格式 NMEA协议是为了在不同的协议是为了在不同的GPS（全球定位系统）导航设（全球定位系统）导航设备中建立统一的备中建立统一的BTCM（海事无线电技术委员会）标准，（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（由美国国家海洋电子协会（NMEA-The National Marine Electronics Association）制定的一套通讯协议。）制定的一套通讯协议。GPS接收接收机根据机根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到息

46、通过串口传送到PC机、机、PDA等设备。等设备。 输出采用输出采用ASCII 码，其串行通信的参数为：波特率码，其串行通信的参数为：波特率4800bps，数据位，数据位8bit，开始位，开始位=1bit，停止位，停止位1bit，无，无奇偶校验。奇偶校验。GPS 通讯协议 NMEA介绍第四章 GPS卫星信号63 NMEA-0183协议是协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是接收机应当遵守的标准协议，也是目前目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼数据处理软件、导航软件都遵守或者至少

47、兼容这个协议。容这个协议。 NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。下面给出这些常用等。下面给出这些常用NMEA-0183语句的字段定义解释。语句的字段定义解释。第四章 GPS卫星信号64第四章 GPS卫星信号65$GPGGA例：$GPGGA,092204.999,4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,0000*1F字段0：$GPGGA，语句ID，表明该语句为Global

48、 Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息定位信息字段1：UTC 时间，hhmmss.sss，时分秒格式 字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0） 字段3：纬度N（北纬）或S（南纬） 字段4：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段5：经度E（东经）或W（西经） 字段6：GPS状态，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，3=无效PPS，6=正在估算 字段7：正在使用的卫星数量（00 - 12）（前导位数不足则补0） 字段8：HDOP水平精度因子（0.5 - 99.9） 字段9：海拔高度（-9999.9 - 99

49、999.9） 字段10：地球椭球面相对大地水准面的高度 字段11：差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空） 字段12：差分站ID号0000 - 1023（前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空） 字段13：校验值第四章 GPS卫星信号66$GPGSV例：$GPGSV,3,1,10,20,78,331,45,01,59,235,47,22,41,069,13,32,252,45*70字段0：$GPGSV，语句ID，表明该语句为GPS Satellites in View（GSV）可见卫星信息可见卫星信息字段1：本次GSV语句的总数目（1 - 3）字段2：本条GS

50、V语句是本次GSV语句的第几条（1 - 3）字段3：当前可见卫星总数（00 - 12）（前导位数不足则补0）字段4：PRN 码（伪随机噪声码）（01 - 32）（前导位数不足则补0）字段5：卫星仰角（00 - 90）度（前导位数不足则补0）字段6：卫星方位角（00 - 359）度（前导位数不足则补0）字段7：信噪比（0099）dbHz字段8：PRN 码（伪随机噪声码）（01 - 32）（前导位数不足则补0）字段9：卫星仰角（00 - 90）度（前导位数不足则补0）字段10：卫星方位角（00 - 359）度（前导位数不足则补0）字段11：信噪比（0099）dbHz字段12：PRN 码（伪随机噪声

51、码）（01 - 32）（前导位数不足则补0）字段13：卫星仰角（00 - 90）度（前导位数不足则补0）字段14：卫星方位角（00 - 359）度（前导位数不足则补0）字段15：信噪比（0099）dbHz字段16：校验值第四章 GPS卫星信号67 对于通常的情况，我们所关心的定位数据如经纬对于通常的情况，我们所关心的定位数据如经纬度、速度、时间等均可以从度、速度、时间等均可以从“$GPRMC”帧中获帧中获取得到。接收机不断地向主机发送各种数据帧，取得到。接收机不断地向主机发送各种数据帧，但在处理时一般先通过对帧头的判断对但在处理时一般先通过对帧头的判断对“$GPRMC”帧进行数据的提取处理。帧进行数据的提取处理。 该帧的结构及各字段释义如下：该帧的结构及各字段释义如下：第四章 GPS卫星信号68$GPRMC：Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐定位信息推荐定位信息 $GPRMC,*hh UTC时间，hhmmss（时分秒）格式 定位