第二章 第二节GPS卫星信号 (2)

1、第二节第二节 GPS卫星运动和星历卫星运动和星历第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号 GPSGPS卫星定位是通过地面接收机通过接收卫星定位是通过地面接收机通过接收GPSGPS信号，并信号，并对其解译来获得数据进行定位和测量的。对其解译来获得数据进行定位和测量的。GPSGPS卫星信号是由卫星信号是由载波信号、测距码载波信号、测距码和和导航电文导航电文三部分组成的。三部分组成的。 它能满足多用它能满足多用户系统的导航、高精度定位的需要。户系统的导航、高精度定位的需要。载波信号载波信号测距码测距码导航电文导航电文L L1 1L L2 2L2CL2C码码第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号GPS卫星信

2、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L2CL2C码码第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号一、一、GPSGPS卫星的载波信号卫星的载波信号载波：载波：可运载调制信号的高频震荡波。可运载调制信号的高频震荡波。GPSGPS卫星发卫星发射两种频率的载波信号，由于它属于微波的射两种频率的载波信号，由于它属于微波的L L波段，波段，故

3、分别称为故分别称为L L1 1和和L L2 2载波。载波。在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是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。较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。GPSGPS使用的两种载波，都是由卫星上的原子钟所产生的基使用的两种载波，都是由卫星上的原子钟所产生的基准频率准频率 f f0 0=10.23MH=10.23MHZ Z倍频的倍频的154154倍和倍和120120倍产生。倍产生。 第三节第三节 G

4、PS卫星信号卫星信号L1载波载波：fL1=154f0=1575.42MHz,波长波长1=19.032cm, L2载波载波：fL2=120f0=1227.6MHz,波长波长2=24.42cm。载波还具有测距功能，在载波相位测量中可以进行载载波还具有测距功能，在载波相位测量中可以进行载波测距。波测距。 选择这两个载波的目的是：测量出或消除掉由于电离选择这两个载波的目的是：测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差。层而引起的延迟误差。 一、一、GPSGPS卫星的载波信号卫星的载波信号第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号“码码”的概念的概念 在现代数字通信中，广泛使用二进制数（在现代数字通信中，广泛使

5、用二进制数（0和和1）及其组）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为称为。一位二进制数叫一个码元或一比特（。一位二进制数叫一个码元或一比特（Bit）。比特为）。比特为码和信息量的度量单位。码和信息量的度量单位。 在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。二、二、GPSGPS的测距码信号的测距码信号第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号二、二、GPSGPS的测距码信号的测距码信号

6、测距码:是用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码。GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机噪声码。在信息理论中我们把一组不包含我们想要的有用信息的量称为噪声。 伪随机噪声码（Pseudo Random NoicePRN）简称伪随机码或伪码。像噪声一样随机分布，可准确复制的一组二进制数码序列。由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号（1）C/A码：又称粗捕获码，即用于进行粗略测距和捕获精码：又称粗捕获码，即用于进行粗略测距和捕获精码的测距码。码的测距码。 被被调制在调制在L1载波上载波上，是，是1.023MHz的伪随机噪声码（的

7、伪随机噪声码（PRN码）。由卫星上的原子钟所产生的基准频率码）。由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0降频降频10倍产生，倍产生，即：即：1.023MHz。C/A码码长码码长Nu=1023bit，码元宽为，码元宽为tu 0.97752 s,相应的距离为相应的距离为293.1m。周期为。周期为Tu= 1ms，数码率为，数码率为1.023Mbit/s。测距精度为。测距精度为（23）m。二、二、GPS的测距码信号的测距码信号第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号二、二、GPSGPS的测距码信号的测距码信号特性：特性：（1）C/A码的码长较短（周期小于码的码长较短（周期小于1ms），共），共1023个码元

8、，个码元，若以每秒若以每秒50码元的速度搜索，只需码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，易于捕获，称捕称捕获码。获码。（2）码元宽度大，为为）码元宽度大，为为0.97752 s（码元持续时间），相（码元持续时间），相应的距离应的距离(空间矢距空间矢距)较大较大（293.1m）。使得。使得相应的测距误相应的测距误差为差为2.9m。由于精度低，又称。由于精度低，又称粗码粗码。 由于每颗卫星的由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用码都不一样，因此，我们经常用它们的它们的PRN号来区分它们。号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测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。

9、站到卫星间的距离的一种主要的信号。第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号（2）P码码 P码又称码又称精码精码，即用于精确测定从，即用于精确测定从GPS卫星至接收机距离的卫星至接收机距离的测距码。测距码。 调制在调制在L1载波和载波和L2载波上载波上，是，是10.23MHz的伪随机噪声码，直的伪随机噪声码，直接使用原子钟基准频率。由于被同时调制在接使用原子钟基准频率。由于被同时调制在L1和和 L2两种载波上，两种载波上，可完善的消除电离层延迟，故用它测距可获得较精确结果。可完善的消除电离层延迟，故用它测距可获得较精确结果。 P码码长码码长Nu 2.35 1014比特，码元宽为比特，码元宽为tu=0

10、.097752 s，相应的，相应的距离为距离为29.3m。周期为。周期为Tu 267d，数码率为，数码率为10.23Mbit/s。 第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号 P P码的周期较长，码的周期较长，267267天重复一次，实际应用时天重复一次，实际应用时P P码的周码的周期被分成期被分成3838部分，（每一部分为部分，（每一部分为7 7天，码长约天，码长约6.19 6.19 10101212比比特），其中特），其中1 1部分闲置，部分闲置，5 5部分给地面监控站使用，部分给地面监控站使用，3232部分部分分配给不同卫星，每颗卫星使用分配给不同卫星，每颗卫星使用P P码的不同部分，都具有相

11、码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。同的码长和周期，但结构不同。 P P码的捕获一般是先捕获码的捕获一般是先捕获C/AC/A码，再根据导航电文信息，码，再根据导航电文信息，捕获捕获P P码。由于码。由于P P码的码元宽度为码的码元宽度为C/AC/A码的码的1/101/10，相应的距，相应的距离误差为离误差为0.29m0.29m，故，故P P码称为码称为精码精码。P码特性：码特性：第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号三、三、GPSGPS卫星的导航电文（数据码）卫星的导航电文（数据码） GPSGPS卫星的导航电文卫星的导航电文：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的：所谓导航电文，就是包

12、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、大气折射改正和由正、大气折射改正和由C/AC/A码捕获码等导航信息的数据码码捕获码等导航信息的数据码( (或或D D码码) )。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。被据基础。被调制在调制在L L1 1载波上载波上。 导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按“帧帧”向外播送。向外播送。每帧电文含有每帧电文含有15001500比特，播送速度比特，播送速度

13、50bit/s50bit/s，每帧播送时间，每帧播送时间30s30s。 每帧导航电文含每帧导航电文含5 5个子帧，每个子帧分别含有个子帧，每个子帧分别含有1010个字，每个字个字，每个字3030比特，故每个子帧共比特，故每个子帧共300300比特，播发时间比特，播发时间6s6s。为记载所有的卫。为记载所有的卫星，子帧星，子帧4 4、5 5各含有各含有2525页。子帧页。子帧1 1、2 2、3 3和子帧和子帧4 4、5 5的每一页构的每一页构成一个主帧。主帧中成一个主帧。主帧中1 1、2 2、3 3的内容每小时更新一次，的内容每小时更新一次，4 4、5 5的内的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才

14、得以更新。容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。包含包含5个子帧个子帧包含包含10个字个字30个个bit第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号（1 1）遥测码（）遥测码（TLMTelemetry WordTLMTelemetry Word） 位于各子帧的开头位于各子帧的开头，用来表明卫星注入数据的状态，也是作，用来表明卫星注入数据的状态，也是作为捕获导航电文的前导。接收机从该起点开始解译电文。为捕获导航电文的前导。接收机从该起点开始解译电文。（2 2）转换码（）转换码（HOWHand Over WordHOWHand Over Word） 紧接各子帧的遥测码，位于各子帧的第二个字码紧接各子帧

15、的遥测码，位于各子帧的第二个字码。主要向用。主要向用户提供用于捕获户提供用于捕获P P码的码的Z Z计数。所谓计数。所谓Z Z计数是从每个星期六计数是从每个星期六/ /星期日子夜零时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的星期日子夜零时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的GPSGPS时时。知道了。知道了Z Z计数，即知道了观测瞬间计数，即知道了观测瞬间P P码周期中所处的码周期中所处的正确位置，便可迅速捕获正确位置，便可迅速捕获P P码。码。三、三、GPSGPS卫星的导航电文（数据码）卫星的导航电文（数据码）第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号一帧导航电文的内容一帧导航电文的内容TLM HOW

16、第1数据块:时钟修正参数等TLM HOWTLM HOWTLM HOWTLM HOW12345一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特三、三、GPSGPS卫星的导航电文（数据码）卫星的导航电文（数据码）第二数据块：卫第二数据块：卫星星历星星历第三数据块：所第三数据块：所有卫星星历有卫星星历第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号（3 3）第一数据块：）第一数据块：位于第一子帧的第位于第一子帧的第310bit310bit，主要包括卫星钟，主要包括卫星钟改正参数及数据龄期改正参数及数据龄期AODCAODC、星期的周数编号、电离层改正参、星期的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等

17、信息。数、和卫星工作状态等信息。 卫星钟改正参数：卫星钟改正参数：a a0 0、a a1 1、a a2 2分别表示该卫星的钟差分别表示该卫星的钟差 、钟速和、钟速和钟速变化率。即卫星的适中相对钟速变化率。即卫星的适中相对GPSTGPST存在的差值。存在的差值。 数据龄期数据龄期AODAAODA：表示基准时间与最近一次更新星历的时间之差，：表示基准时间与最近一次更新星历的时间之差，主要用于评价钟改正数的可信程度。主要用于评价钟改正数的可信程度。 现时星期编号现时星期编号WNWN：表示从：表示从19801980年年1 1月月6 6日协调时零点起算的日协调时零点起算的GPSGPS时星期数。时星期数。

18、时延差改正：即载波时延差改正：即载波L L1 1和和L L2 2的电离层时延差。单频机需用，双频的电离层时延差。单频机需用，双频机不需要。机不需要。第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号一帧导航电文的内容一帧导航电文的内容TLM HOW第1数据块:时钟修正参数等TLM HOWTLM HOWTLM HOWTLM HOW12345一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特三、三、GPSGPS卫星的导航电文（数据码）卫星的导航电文（数据码）第二数据块：卫第二数据块：卫星星历星星历第三数据块：所第三数据块：所有卫星星历有卫星星历第三节第三节 GPS卫星信号卫星信号（4 4）第二数据块：导航电文的）第二数据块：导航电文的第二子帧和第三子帧第二子帧和第三子帧组成第组成第二数据块，其内容为二数据块，其内容为GPSGPS星历。即描述卫星运行及其轨道参星历。即描述卫星运行及其轨道参数的信息，提供有关计算卫星运行位置的数据，它是数的信息，提供有关计算卫星运行位置的数据，它是GPSGPS卫卫星向导航、定位用户播发的主要电文，描述卫星的运行及其星向导航、定位用户播发的主要电文，描述卫星的运行及其轨道参数包括以下三类：轨道参数包括以下三类： 开普勒轨道六