GPS信号与接收机课件

GPS信号与接收机GPS卫星信号结构

GPS卫星导航电文

GPS卫星位置和速度计算

GPS接收机

GPS信号与接收机GPS卫星信号结构GPS信号与接收机课件GPS卫星信号构成GPS卫星信号测距码数据码(导航电文）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段L1载波L2载波GPS卫星信号构成GPS卫星信号测距码P码（Y码）C/A码LGPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（RangingCode）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）GPS卫星信号的生成关键设备–原子钟GPS卫星信号的组成部分GPS卫星的基准频率f0由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频GPS卫星的基准频率f0由卫星上的原子钟直接产生基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。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，采用正交2PSK调制。GPS卫星信号的载波和调制基本频率L1载波L2载波C/A码P码P码数据码数据码154f0x120f0x154f0GPS载波信号基本频率控制产生三种信号分量TwoCarrierFrequencies（载波频率）L1is154xf0=1575.42MHz,whichhasawavelengthof0.19mL2is120xf0=1227.6MHz,whichhasawavelengthof0.24mf0x120f0x154f0GPS载波信号基本频率控GPS信号时域表示

SiL1(t)＝APPi(t)Di(t)cos(ω1t＋ψ1i)＋AcCi(t)Di(t)sin(ω1t＋ψ1i)SiL2(t)＝BPPi(t)Di(t)cos(ω2t＋ψ2i)GPS信号时域表示SiL1(t)＝APPi(t)Di(t)L1载波C/A码P码（Y码）数据码L2载波P码（Y码）数据码调制调制L1载波C/A码L2载波P码（Y码）调制调制载波①作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm载波①作用载波②特点所选择的频率有利于测定多普勒频移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（电离层折射延迟于信号的频率有关）载波②特点测距码①作用测距编码增益，抗干扰性质伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1测距码①作用测距码②类型目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–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（PreciseCode）–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上现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码测距码②类型GPS现代化实施之前2003年以后L2增加C/A码2005年以后增加L5,M码GPS现代化实施之前2003年以后2005年以后卫星信号的调制①模二和逻辑上：异或运算双极性乘法运算：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”卫星信号的调制①模二和卫星信号的调制②二进制信号的相位调制2PSK卫星信号的调制②二进制信号的相位调制2PSK

SiL1(t)＝AC(Pi(t)⊕Di(t))sin(ωL1t＋ψ1)＋Ac(Ci(t)⊕Di(t))cos(ωL1t＋ψ1)SiL2(t)＝AP(Pi(t)⊕Di(t))sin(ωL2t＋ψ2)AP、AC分别为载波L1(1575.42MHz)和载波L2(1227.6MHz)的振幅；Pi(t)、Ci(t)和Di(t)分别为第i颗GPS的P码、C/A码和D码；ωL1、ωL2分别为载L1、L2的角频率；ψ1、ψ2分别为第i颗GPS卫星的载波L1、L2的初相。SiL1(t)、SiL2(t)共用天馈发射卫星信号的调制③SiL1(t)＝AC(Pi(t)⊕Di(t))sin(ωGPS信号与接收机课件GPS信号与接收机课件 卫星信号的解调关键在于恢复相干载波（相位），可通过以下两种解调技术来恢复载波（相位）：（1）复制码与卫星信号相乘： 由于调制码的码值是用1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码信号完全相同的测距码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。 但此时恢复的载波尚含有数据码即导航电文。这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构，以便产生复制码。卫星信号的解调 卫星信号的解调关键在于恢复相干载波（相位），可通过以下两种（2）平方解调技术： 将接收到的卫星信号进行平方，由于处于+1、-1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。 采用这种方法，可不必知道调制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文。（2）平方解调技术：GPS伪随机码1．伪随机噪声码及其特点GPS信号都采用伪随机码序列编制或调制。采用伪随机码序列是因为伪随机码具有良好自相关性。伪随机码序列是GPS系统中采用伪码测距的基础。GPS系统中采用m序列伪随机码还可以截短和复合加长。例如一个码长为LPa伪随机序列码，和一个码长为LPa伪随机序列码，复合码后的复合码长便为：

LPX＝LPa·LPb复合码可大为改善自相关特性，缩短寻找自相关的时间。所以GPS系统信号码都采用复合形成的伪随机序列编码。GPS伪随机码1．伪随机噪声码及其特点GPS的测距码GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。C/A码：GOLD（哥尔德）码，是由两个10级反馈移位寄存器组合（模2和）而产生。GPS的测距码P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。①码周期很长，不易破译，利于保密。②每个卫星独用一个时区，可充分利用复合码自相关特性。③可进行无模糊测距。缺点：码很长，不易捕获，从而需利用C/A码进行捕获。C/A码与P码同步采用同一基准时钟，还在P码的每个历元时刻（初始时刻）使C/A码的两组移位寄存器全置1。采用统一时钟的优点还在于在捕获C/A码基础上便于捕获P码。P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时钟改正、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息。导航电文又称为数据码（或D码）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。GPS卫星导航电文GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。GPS导航电文卫星星历卫星工作状态时间系统卫星钟偏差校正参数轨道摄动改正参数大气折射改正参数子帧5子帧1子帧2子帧3子帧4子帧I遥测字+转换字+数据块I导航电文二进制码NavigationMessage导航电文卫星星历子帧5子帧1子帧2子帧3子帧4子每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。GPS卫星导航电文每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30导航电文的格式123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特按帧向外播送。每一数据帧长度为1500bit，每帧又分为5个子帧，每个子帧长300bit播送速度为50bit／s，每帧时长30s完整的导航信息由25帧数据组成，全部播完要12．5min。其内容仅在地面注入站．注人新的导航数据才更新。导航电文的格式123451234567891030s6s0.一帧导航电文的内容TLWHOW数据块—1时钟修正参数TLWHOW数据块—2星历表TLWHOW数据块—2星历表继续TLWHOW数据块—3卫星历书等TLWHOW数据块—3卫星历书等子帧1一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特子帧3子帧4子帧5子帧2一帧导航电文的内容TLWHOW数据块—1时钟修正参数TLWH1、遥测码（TLW—TelemetryWORD）位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。遥测码的第1～8比特是同步码，使用户便于解释导航电文；第9～22比特为遥测电文，其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息。第23和第24比特是连接码；第25～30比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。导航电文内容1、遥测码（TLW—TelemetryWORD）导航电文内导航电文内容2、转换码（HOW—HandOverWord）

紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从星期日零时起，P码子码X1的周期（1.5秒）的重复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获到P码。导航电文内容2、转换码（HOW—HandOverWord导航电文内容3、第一数据块

第一数据块位于第1子帧的第3～10字码，它的主要内容包括：

a、时延差改正Tgd－就是载波L1、L2的电离层时延差。b、数据龄期AODC－是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。C、星期序号WN－表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。d、卫星时钟改正－GPS时间和UTC时间之间存在的差值。导航电文内容3、第一数据块主要内容包括：标识码，时延差改正；星期序号；卫星健康状况；数据龄期；卫星时钟改正系数等L2所调制测距码标识符–“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码星钟数据龄期AODC：时钟改正数的外推时间间隔，指明卫星时钟改正数的置信度。星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）GPS信号与接收机课件导航电文内容4、第二数据块

第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类：

a、开普勒六参数。b、轨道摄动九参数。C、时间二参数导航电文内容4、第二数据块第二数据块第2、3子帧的第3~10个字表示GPS卫星的星历，为用户提供了和计算卫星运动的信息，描述卫星运行及轨道的参数发送该信号卫星的星历－广播星历星历参数：开普勒六参数轨道摄动九参数时间二参数：AODE——星历表数据龄期，表示广播星历外推时间间隔，它是星历参考时刻与最后一次观测数据取得时间之差。卫星星历参考时刻，它是从星期日零时开始度量。第二数据块星历参数详解①星历参数详解①星历参数详解②星历参数详解②星历参数详解③星历参数详解③星历参数详解④星历参数详解④导航电文内容5、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。导航电文内容5、第三数据块GPS卫星位置和速度计算位置计算卫星位置的确定是定位的一个必须过程，位置的确定即星历参数的计算。根据广播星历计算卫星在WGS－84坐标坐标。广播星历精度不高，此处卫星位置计算采用简略方法。GPS卫星位置和速度计算位置计算1）、首先按“二体问题”公式计算轨道参数；2）、根据导航电文给出的轨道摄动参数，进行摄动修正，计算修正后的轨道参数；3）、继而计算卫星在轨道坐标坐标；4）、最后，仅顾及地球自转的影响，将轨道坐标系转为WGS－84坐标系。1）、首先按“二体问题”公式计算轨道参数；GPS卫星位置的计算计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道参数根据广播星历计算卫星位置GPS卫星位置的计算计算思路轨道平面坐标系轨道参数根据广播星GPS信号与接收机课件根据广播星历计算卫星位置计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角根据广播星历计算卫星位置计算过程根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）精密星历 按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.342142383.670428根据精密星历计算卫星位置精密星历根据精密星历计算卫星位置任意时刻t卫星位置的计算原理：插值法方法：拉格朗日插值法等根据精密星历计算卫星位置任意时刻t卫星位置的计算根据精密星历计算卫星位置卫星运行速度计算根据导航电文所提供的GPS卫星星历，还可以计算出卫星运动速度的三个分量（Xk、Yk、Zk）。卫星运行速度计算GPS接收机的基本概念GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。GPS接收机GPS接收机的基本概念GPS接收机GPS用户设备（接收机）的功能是：接收GPS卫星发送的导航信号；恢复载波信号频率和卫星钟；解调出卫星星历、卫星钟校正参数等数据；通过测量本地时钟与恢复的卫星钟之间的时延来测量接收天线至卫星的距离（伪距）；通过测量恢复的载波频率变化（多普勒频率）来测量伪距变化率；根据获得的这些数据，计算出用户所在的地理经度、纬度、高度、速度、准确的时间等导航信息；将结果显示在显示屏幕上或通过输出端口输出。GPS用户设备（接收机）的功能是：GPS接收机的结构天线前置放大器信号处理器微处理器导航计算机震荡器用户信息传输数据存储器外部传输电源GPS接收机的结构天线前置放大器信号处理器微处理器震荡器用户GPS接收机的主要结构组成：•天线（带前置放大器）•信号处理器：用于信号识别与处理•微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算•用户信息传输：包括操作板、显示板等•精密震荡器：产生标准频率•电源GPS接收机的主要结构组成：GPS接收机类型（1）按工作原理划分：•码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。•平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结构，称无码接收机。•混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。GPS接收机类型（1）按工作原理划分：（2）根据接收机信号通道类型划分：•多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。•序贯通道接收机：只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大于20ms），对卫星信号的跟踪是不连续的。•多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较短（小于20ms），可保持对卫星信号的连续跟踪。GPS接收机类型（2）根据接收机信号通道类型划分：GPS接收机类型（3）根据所接收的卫星信号频率划分：•单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20km的短基线精密定位。•双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。GPS接收机类型（3）根据所接收的卫星信号频率划分：GPS接收机类型例：按所接收的卫星信号（L1、L2、C/A码、P码、Y码）和观测量（码伪距、L1相位、L2相位）可分为如下几种。①L1、C/A码伪距接收机；②L1、载波相位、C/A码接收机；③L1/L2、载波相位、C/A码、P码接收机；④L1/L2、载波相位、C/A码、P/Y码接收机；其中①、②两类用于标准定位服务③、④两类用于精密定位服务，只有美国军方和特许的非军方用户才能享受精密定位服务。而我国应用的主要是前两类GPS标准定位服务接收机。例：按所接收的卫星信号（L1、L2、C/A码、P码、Y码）（4）按接收机用途划分：•导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。•测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理（RTK），需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。•授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。GPS接收机类型（4）按接收机用途划分：GPS接收机类型RTK系统导航型接收机大地型接收机GPS接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型。RTK系统导航型接收机大地型接收机GPS接收机的基本类型：大GPS信号与接收机课件GPS信号与接收机课件GPS接收机工作原理当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。GPS接收机工作原理当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够GPS接收机的组成及工作原理GPS接收机的组成及工作原理GPS接收机-方框图LNAGPS接收机-方框图LNAGPS接收机-原理框图原理框图GPS接收机-原理框图原理框图GPS接收机天线天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测。GPS接收机天线天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为GPS接收机天线天线的基本要求：•天线与前置放大器应密封为一体，保障在恶劣气象环境下正常工作。•天线应呈全圆极化：要求天线的作用范围为整个上半球，天顶处不产生死角，保障能接收来自天空任何方向的卫星信号。•天线必须采取适当的防护与屏蔽措施：例如加一块基板，尽可能地减弱信号的多路径效应，防止信号干扰。•天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽量小，且保持稳定。GPS接收机天线天线的基本要求：GPS接收机天线基本类型GPS接收机天线基本类型天线单元特点单极天线单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线–单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线–双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称天线单元前置放大器由于GPS卫星高，GPS天线接收来的20000km高空的信号很弱，信号电平只有-50~-180dB；输入功率信噪比为-30dB，即信号源淹没在噪声中。为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大器对于双频接收机设有两路前置放大器以减少带宽．抑制外来信号干扰，也防止载波信号干扰。大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起也有些导航接收机为减少天线重量而将天线和前置放大器分开。前置放大器接收机主机变频器及中频放大器由GPS前置放大器来的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，采用了变频器。信号通道信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。

GPS信号通道的作用：搜索卫星，牵引并跟踪卫星；对基准信号，即广播电文数据信号实行解扩．解调得到广播电文；进行伪码反测量；载波相位测量及多普勒频移测量值。接收机主机相关通道电路原理相关通道电路原理存储器接收机内设有存贮器以存贮一小时一次的卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。在存贮器内还装有多种工作软件自测试软件；天空卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件等。存储器微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。工作步骤：接收机开机后首先对整个接收机工作状况进行自检，并测定、校正、存贮各通道的时延值；接收机对卫星进行搜索，捕捉卫星，当捕捉到卫星后即对信号进行跟踪，并将基准信号译码得到GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C／A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预置位置更新率计算新的位置；根据机内存贮的卫星星历书计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角；根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数；接收用户输入信号，如：测站名，测站号，作业员名称，天线高，气象参数。微处理器显示器、键盘电源：GPS接收机电源有两种一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于为RAM存贮器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常采用可充电的12v直流镉镍电池组，有的也可采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电流交换器。显示器、键盘1-GPS卫星星历分为哪几种？课堂练习1-GPS卫星星历分为哪几种？课堂练习GPS信号与接收机GPS卫星信号结构

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GPS接收机

GPS信号与接收机GPS卫星信号结构GPS信号与接收机课件GPS卫星信号构成GPS卫星信号测距码数据码(导航电文）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段L1载波L2载波GPS卫星信号构成GPS卫星信号测距码P码（Y码）C/A码LGPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（RangingCode）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）GPS卫星信号的生成关键设备–原子钟GPS卫星信号的组成部分GPS卫星的基准频率f0由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频GPS卫星的基准频率f0由卫星上的原子钟直接产生基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。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，采用正交2PSK调制。GPS卫星信号的载波和调制基本频率L1载波L2载波C/A码P码P码数据码数据码154f0x120f0x154f0GPS载波信号基本频率控制产生三种信号分量TwoCarrierFrequencies（载波频率）L1is154xf0=1575.42MHz,whichhasawavelengthof0.19mL2is120xf0=1227.6MHz,whichhasawavelengthof0.24mf0x120f0x154f0GPS载波信号基本频率控GPS信号时域表示

SiL1(t)＝APPi(t)Di(t)cos(ω1t＋ψ1i)＋AcCi(t)Di(t)sin(ω1t＋ψ1i)SiL2(t)＝BPPi(t)Di(t)cos(ω2t＋ψ2i)GPS信号时域表示SiL1(t)＝APPi(t)Di(t)L1载波C/A码P码（Y码）数据码L2载波P码（Y码）数据码调制调制L1载波C/A码L2载波P码（Y码）调制调制载波①作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm载波①作用载波②特点所选择的频率有利于测定多普勒频移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（电离层折射延迟于信号的频率有关）载波②特点测距码①作用测距编码增益，抗干扰性质伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1测距码①作用测距码②类型目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–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（PreciseCode）–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上现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码测距码②类型GPS现代化实施之前2003年以后L2增加C/A码2005年以后增加L5,M码GPS现代化实施之前2003年以后2005年以后卫星信号的调制①模二和逻辑上：异或运算双极性乘法运算：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”卫星信号的调制①模二和卫星信号的调制②二进制信号的相位调制2PSK卫星信号的调制②二进制信号的相位调制2PSK

SiL1(t)＝AC(Pi(t)⊕Di(t))sin(ωL1t＋ψ1)＋Ac(Ci(t)⊕Di(t))cos(ωL1t＋ψ1)SiL2(t)＝AP(Pi(t)⊕Di(t))sin(ωL2t＋ψ2)AP、AC分别为载波L1(1575.42MHz)和载波L2(1227.6MHz)的振幅；Pi(t)、Ci(t)和Di(t)分别为第i颗GPS的P码、C/A码和D码；ωL1、ωL2分别为载L1、L2的角频率；ψ1、ψ2分别为第i颗GPS卫星的载波L1、L2的初相。SiL1(t)、SiL2(t)共用天馈发射卫星信号的调制③SiL1(t)＝AC(Pi(t)⊕Di(t))sin(ωGPS信号与接收机课件GPS信号与接收机课件 卫星信号的解调关键在于恢复相干载波（相位），可通过以下两种解调技术来恢复载波（相位）：（1）复制码与卫星信号相乘： 由于调制码的码值是用1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复制码（结构与卫星测距码信号完全相同的测距码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。 但此时恢复的载波尚含有数据码即导航电文。这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构，以便产生复制码。卫星信号的解调 卫星信号的解调关键在于恢复相干载波（相位），可通过以下两种（2）平方解调技术： 将接收到的卫星信号进行平方，由于处于+1、-1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。 采用这种方法，可不必知道调制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文。（2）平方解调技术：GPS伪随机码1．伪随机噪声码及其特点GPS信号都采用伪随机码序列编制或调制。采用伪随机码序列是因为伪随机码具有良好自相关性。伪随机码序列是GPS系统中采用伪码测距的基础。GPS系统中采用m序列伪随机码还可以截短和复合加长。例如一个码长为LPa伪随机序列码，和一个码长为LPa伪随机序列码，复合码后的复合码长便为：

LPX＝LPa·LPb复合码可大为改善自相关特性，缩短寻找自相关的时间。所以GPS系统信号码都采用复合形成的伪随机序列编码。GPS伪随机码1．伪随机噪声码及其特点GPS的测距码GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。C/A码：GOLD（哥尔德）码，是由两个10级反馈移位寄存器组合（模2和）而产生。GPS的测距码P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。①码周期很长，不易破译，利于保密。②每个卫星独用一个时区，可充分利用复合码自相关特性。③可进行无模糊测距。缺点：码很长，不易捕获，从而需利用C/A码进行捕获。C/A码与P码同步采用同一基准时钟，还在P码的每个历元时刻（初始时刻）使C/A码的两组移位寄存器全置1。采用统一时钟的优点还在于在捕获C/A码基础上便于捕获P码。P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时钟改正、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息。导航电文又称为数据码（或D码）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。GPS卫星导航电文GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。GPS导航电文卫星星历卫星工作状态时间系统卫星钟偏差校正参数轨道摄动改正参数大气折射改正参数子帧5子帧1子帧2子帧3子帧4子帧I遥测字+转换字+数据块I导航电文二进制码NavigationMessage导航电文卫星星历子帧5子帧1子帧2子帧3子帧4子每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。GPS卫星导航电文每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30导航电文的格式123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特按帧向外播送。每一数据帧长度为1500bit，每帧又分为5个子帧，每个子帧长300bit播送速度为50bit／s，每帧时长30s完整的导航信息由25帧数据组成，全部播完要12．5min。其内容仅在地面注入站．注人新的导航数据才更新。导航电文的格式123451234567891030s6s0.一帧导航电文的内容TLWHOW数据块—1时钟修正参数TLWHOW数据块—2星历表TLWHOW数据块—2星历表继续TLWHOW数据块—3卫星历书等TLWHOW数据块—3卫星历书等子帧1一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特子帧3子帧4子帧5子帧2一帧导航电文的内容TLWHOW数据块—1时钟修正参数TLWH1、遥测码（TLW—TelemetryWORD）位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。遥测码的第1～8比特是同步码，使用户便于解释导航电文；第9～22比特为遥测电文，其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息。第23和第24比特是连接码；第25～30比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。导航电文内容1、遥测码（TLW—TelemetryWORD）导航电文内导航电文内容2、转换码（HOW—HandOverWord）

紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从星期日零时起，P码子码X1的周期（1.5秒）的重复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获到P码。导航电文内容2、转换码（HOW—HandOverWord导航电文内容3、第一数据块

第一数据块位于第1子帧的第3～10字码，它的主要内容包括：

a、时延差改正Tgd－就是载波L1、L2的电离层时延差。b、数据龄期AODC－是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。C、星期序号WN－表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。d、卫星时钟改正－GPS时间和UTC时间之间存在的差值。导航电文内容3、第一数据块主要内容包括：标识码，时延差改正；星期序号；卫星健康状况；数据龄期；卫星时钟改正系数等L2所调制测距码标识符–“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码星钟数据龄期AODC：时钟改正数的外推时间间隔，指明卫星时钟改正数的置信度。星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）GPS信号与接收机课件导航电文内容4、第二数据块

第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类：

a、开普勒六参数。b、轨道摄动九参数。C、时间二参数导航电文内容4、第二数据块第二数据块第2、3子帧的第3~10个字表示GPS卫星的星历，为用户提供了和计算卫星运动的信息，描述卫星运行及轨道的参数发送该信号卫星的星历－广播星历星历参数：开普勒六参数轨道摄动九参数时间二参数：AODE——星历表数据龄期，表示广播星历外推时间间隔，它是星历参考时刻与最后一次观测数据取得时间之差。卫星星历参考时刻，它是从星期日零时开始度量。第二数据块星历参数详解①星历参数详解①星历参数详解②星历参数详解②星历参数详解③星历参数详解③星历参数详解④星历参数详解④导航电文内容5、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。导航电文内容5、第三数据块GPS卫星位置和速度计算位置计算卫星位置的确定是定位的一个必须过程，位置的确定即星历参数的计算。根据广播星历计算卫星在WGS－84坐标坐标。广播星历精度不高，此处卫星位置计算采用简略方法。GPS卫星位置和速度计算位置计算1）、首先按“二体问题”公式计算轨道参数；2）、根据导航电文给出的轨道摄动参数，进行摄动修正，计算修正后的轨道参数；3）、继而计算卫星在轨道坐标坐标；4）、最后，仅顾及地球自转的影响，将轨道坐标系转为WGS－84坐标系。1）、首先按“二体问题”公式计算轨道参数；GPS卫星位置的计算计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标轨道平面坐标系轨道参数根据广播星历计算卫星位置GPS卫星位置的计算计算思路轨道平面坐标系轨道参数根据广播星GPS信号与接收机课件根据广播星历计算卫星位置计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角根据广播星历计算卫星位置计算过程根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）精密星历 按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.342142383.670428根据精密星历计算卫星位置精密星历根据精密星历计算卫星位置任意时刻t卫星位置的计算原理：插值法方法：拉格朗日插值法等根据精密星历计算卫星位置任意时刻t卫星位置的计算根据精密星历计算卫星位置卫星运行速度计算根据导航电文所提供的GPS卫星星历，还可以计算出卫星运动速度的三个分量（Xk、Yk、Zk）。卫星运行速度计算GPS接收机的基本概念GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。GPS接收机GPS接收机的基本概念GPS接收机GPS用户设备（接收机）的功能是：接收GPS卫星发送的导航信号；恢复载波信号频率和卫星钟；解调出卫星星历、卫星钟校正参数等数据；通过测量本地时钟与恢复的卫星钟之间的时延来测量接收天线至卫星的距离（伪距）；通过测量恢复的载波频率变化（多普勒频率）来测量伪距变化率；根据获得的这些数据，计算出用户所在的地理经度、纬度、高度、速度、准确的时间等导航信息；将结果显示在显示屏幕上或通过输出端口输出。GPS用户设备（接收机）的功能是：GPS接收机的结构天线前置放大器信号处理器微处理器导航计算机震荡器用户信息传输数据存储器外部传输电源GPS接收机的结构天线前置放大器信号处理器微处理器震荡器用户GPS接收机的主要结构组成：•天线（带前置放大器）•信号处理器：用于信号识别与处理•微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算•用户信息传输：包括操作板、显示板等•精密震荡器：产生标准频率•电源GPS接收机的主要结构组成：GPS接收机类型（1）按工作原理划分：•码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。•平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结构，称无码接收机。•混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。GPS接收机类型（1）按工作原理划分：（2）根据接收机信号通道类型划分：•多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。•序贯通道接收机：只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大于20ms），对卫星信号的跟踪是不连续的。•多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较短（小于20ms），可保持对卫星信号的连续跟踪。GPS接收机类型（2）根据接收机信号通道类型划分：GPS接收机类型（3）根据所接收的卫星信号频率划分：•单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20km的短基线精密定位。•双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。GPS接收机类型（3）根据所接收的卫星信号频率划分：GPS接收机类型例：按所接收的卫星信号（L1、L2、C/A码、P码、Y码）和观测量（码伪距、L1相位、L2相位）可分为如下几种。①L1、C/A码伪距接收机；②L1、载波相位、C/A码接收机；③L1/L2、载波相位、C/A码、P码接收机；④L1/L2、载波相位、C/A码、P/Y码接收机；其中①、②两类用于标准定位服务③、④两类用于精密定位服务，只有美国军方和特许的非军方用户才能享受精密定位服务。而我国应用的主要是前两类GPS标准定位服务接收机。例：按所接收的卫星信号（L1、L2、C/A码、P码、Y码）（4）按接收机用途划分：•导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。采用测码