GPS定位系统与信号

GPS定位系统与信号1-2-1GPS系统组成1-2-2卫星运行及卫星星历1-2-3GPS卫星信号及信号的接收复习：空间星座部分GPS空间星座的组成：GPS卫星星座24颗卫星（21颗工作卫星+3颗在轨备用卫星）；6个轨道面；轨道平均高度20200km（卫星距离地球表面高度）；轨道倾角55°，各轨道面之间相距60°；轨道周期约为12恒星时（11小时58分）；位于地平线以上卫星颗数4-11颗。1-2-1GPS系统的组成GPS定位系统的三大部分：

空间星座部分——GPS卫星星座

地面监控部分——地面监控系统

用户部分——GPS接收机和用户一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥•伽西亚(DiegoGarcia) 卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)地面监控站的分布组成1.1地面监控部分阿松森迭哥•伽西亚卡瓦加兰科罗拉多夏威夷一个主控站：科罗拉多•斯平士（ColoradoSprings）三个注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)

卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)GPS卫星作为一种动态已知点，其位置可通过卫星发送的“表述卫星运动及轨道参数”的卫星星历算出来，卫星星历时由地面监控系统提供。主控站主控站设在美国本土科罗拉多州斯平土（ColoradoSprings）作用：收集数据：收集各监测站监测获得的伪距和积分多普勒观测值、卫星时钟和工作状态数据、气象、监测站自身状态以及参考星历等数据。数据处理：根据收集的数据计算各卫星的星历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正等，将这些数据按一定格式编制成导航电文，并将导航电文传送给注入站。监测与协调：一是承担控制和协调各监测站和注入站的工作；二是监测整个地面监控系统是否正常，检查注入卫星的电文是否正确，监控卫星是否按预定状态将电文发送给用户。调度卫星：修正卫星的运行轨道，调用备用卫星去接替失效卫星的工作。主控站星历编算第一步：编算参考星历第二步：编算注入星历广播星历主控站根据监测站对每颗可见GPS卫星的轨道监测数据，编算参考星历。依靠参考星历，外推出26小时轨道弧段的全部数据这些数据由注入站注入到卫星，再由卫星发送给用户这些外推出的星历被称为广播星历，也叫做预报星历，精度一般为20~40m左右，有时为60~80m。精密星历（IGS星历）用于测定高精度数据官方精密星历:只提供给国内和国外特许用户；CIGNET国际定轨网：专门测量GPS卫星精密星历；全球GPS多用网例：GIG91网，建立全球近200个跟踪站，观测两星期后提供后处理IGS星历，其精度为5cm。IGS最终星历是一种易于获取并应用广泛的高精度后处理行李（精密星历）。监控站

监控站是无人值守的数据自动采集中心，其位置经精密测定其主要作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据。利用环境传感器测出当地的气象数据。数据平滑后，算出每2min间隔的观测值并传送给主控站。监控站的作用

监控站伪距导航数据气象数据卫星状态数据主控站测量传送监控站监控站设备：一台双频接收机；一台高精度原子钟；一台计算机；若干台环境数据传感器；地面监测站

注入站设有3.66m抛物面天线，1台C波段发射机和一台电子计算机。其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。

注入站是无人值守的工作站，整个地面监控部分，除主控站外均无人值守。监控系统工作程序

注入站注入站作用将导航电文注入卫星中每天注入一次每次为14天的卫星星历因此，即便是地面监控系统停止注入，卫星仍能继续发送导航电文14天，但时间越长，精度越低。地面监控系统工作流程

GPS卫星星座由空间运行的多颗卫星按一定的规则组成的GPS卫星星座。1.2空间卫星部分GPS卫星编号方式按卫星发射的先后顺序编号；根据GPS卫星所采用的伪随机噪声码PRN编号；根据美国和加拿大联合组成的北美空军指挥部给定的内部距离操作码IRON编号；根据美国航空航天局在其序列文件中编的NASA编号；根据卫星发射年代与该年代中的发射序列编的识别号。PRN编号用于导航定位识别码用于供用户查询卫星有关数据GPS卫星运行轨道GPS卫星运行轨道近于圆形，轨道平均高度20200km（卫星距离地球表面高度）；轨道倾角55°，各轨道面之间相距60°，轨道周期约为12恒星时（11小时58分）；GPS卫星升起地平线10°以后可用于定位测量，GPS实际观测弧段为132°。

思考：GPS卫星轨道的高度为什么在2万多KM？工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道，一方面是为了增大覆盖面积，另一方面是为了使覆盖均匀，从而达到信号强度均匀、接收时间也均匀的目的GPS卫星的主要作用：在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10cm波段）发送到卫星的导航电文和其他信号；接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，修正其在轨运行偏差及启用备用时钟等；用L波段两个无线载波(19cm波段和20cm波段)连续不断的向广大用户发送导航定位信息，并用导航电文的形式提供卫星自身的现势位置与其他在轨卫星的概略位置，以便用户接收使用。24GPS卫星主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置类型

试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡBlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率

改善卫星BlockⅢ（计划在2014年要发射

）25GPS卫星最根本的作用就是向用户发送用户所需要的信号和电文。既然如此，对卫星的寿命长短和时间的精确度就必须高度重视。GPS工作卫星的设计寿命是七年半，但从实验卫星的工作情况来看，使用寿命一般都会超过甚至远远超过设计寿命。GPS卫星改进GPS卫星（试验卫星）28BlockⅠ卫星BlockⅠ试验卫星也称原型卫星，卫星重774KG，设计寿命为5年。GPS卫星（工作卫星BLOCKⅡ,BLOCKⅡA,BLOCKⅡR,BLOCKⅡF）29BlockⅡ卫星BLOCKⅡ卫星重约1.5T，设计寿命为7.5年，平均使用时间预期为6年。观测条件GPS卫星的空间布局和运行速度决定了地面观测者具备下列观测条件：（1）同一卫星每天可提前四分钟出现，其在地平线以上的可见运行时间为五小时。（2）由于观测者所处的位置和时间的不同，可同时观测的卫星个数也各异，但最少能观测到4颗卫星，最多可观测到11颗。

（3）GPS定位精度与被观测卫星的位置分布有关。对于只能观测到4颗卫星的情况，因在这一时间段内别无选择，其定位精度一般较差，这个短暂的时间段称为“时间间隙段”。在时间间隙段内须用新型的GPS/GLONASS集成式接收机同时接收GPS信号和GLONASS信号才能消除“间隙段”的影响。“间隙段”仅出现在极少数地区，而广大范围内不会出现这种情况。1.3用户接收部分

用户设备部分用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。GPS信号接收机机内软件数据后处理软件GPS接收机一般包括主机、天线单元和电源。天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。电源:分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池。GPS接收机天线前置放大器GPS信号接收机射电部分微处理器电源部分数据存器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制GPS接收机GPS软件软件部分是构成现代GPS测量系统的重要组成部分之一。一般来说，软件包括内软件和外软件。内软件是指装在存储器内的自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件或固化在中央处理器中的自动操作程序等。这类软件已和接收机融为一体。而外软件主要是指GPS观测数据后处理软件包。GPS仪器厂家目前生产GPS测量仪器的厂家有几十家，产品有几百种，但拥有较为成熟产品的不外乎几家，在我国测绘市场占有份额较大的有Trimble（天宝）、Leica（莱卡）、Ashtech（阿什泰克）、Javad（Topcon）、Thales（DSNP）加拿大诺瓦太（NoVAteL）等。图片：Trimble接收机图片：徕卡(Leica)接收机图片：

Ashtech、JAVAD、Thales

接收机按用途按接收机结构分类

按接收机作业模式按载波频率

GPS接收机分类分体式接收机、整体式接收机、手持式接收机图片：大地型GPS接收机单频机L1双频机L1+L2图片：导航型GPS机手持型GPS机图片：GPS与GLONASS兼容的接收机46水上测量/导航用GPS系统47个人旅游休闲及户外运动用GPS产品48带电子地图的导航型GPS接收机知识点回顾GPS系统组成；GPS卫星的作用；GPS地面监控部分的组成；地面监控系统各部分的功能。1-2-2卫星运行及卫星星历2.1卫星的运行2.2卫星星历知识回顾GPS系统的组成部分地面监控部分的组成部分主控站的作用空间卫星部分的作用2.1卫星的运行主要内容：

理想情况下的卫星运动开普勒定律卫星运行的轨道参数

真近点角V的计算

卫星的受摄运动（摄动力对卫星的影响）概述问题的提出

①研究GPS轨道运动理论是运用GPS卫星定位的必须条件；

②描述卫星空间运行轨迹需要卫星轨道参数；

③轨道参数取决于卫星所受各种力的作用。

因此，研究卫星的受力是研究卫星运动轨迹的基础。GPS定位对轨道精度的要求：利用GPS卫星进行定位，要求达到目10-7的相对定位精度，则要求GPS卫星定轨的精度达到2m。交付民用的广播星历轨道误差为30m，对GPS基线测量的影响为1.2×10-6。对于高精度定位，必须提高卫星定轨精密。对于卫星的精密定位来说，在只考虑地球质心引力的情况下计算卫星的运动状态是不能满足精度要求的，必须考虑摄动力对卫星运动状态的影响。2.1.1理想情况下的卫星运动

所谓理想情况下的卫星运动是将地球视作匀质球体，且不顾其他摄动力的影响，卫星只是在地球质心引力作用下而运动。研究意义：

卫星运动的第一近似描述；唯一能得到严密分析解的运动；全部作用下的卫星运动更精确解的基础。2.1.2开普勒定律开普勒（JohannesKepler）国籍:

德国生卒日期:

1571.12.27－1630.11.15主要成就:

发现了行星运动三定律卫星在地球引力场中的无摄运动成为开普勒运动，其规律颗用开普勒三要素描述。

①开普勒第一定律卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆有固定的形状和大小，椭圆的一个焦点与地球质心重合。此定律阐明了卫星运行轨道的基本形态及其与地心的关系。由万有引力定律可得卫星绕地球质心运动的轨道方程。r为卫星的地心距离，a为开普勒椭圆的长半径，e为开普勒椭圆的偏心率；v为真近点角，它描述了任意时刻卫星在轨道上相对近地点的位置，是时间的函数。abMms近地点远地点Vr

②开普勒第二定律卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。

依据能量守恒定理，卫星运动过程中动能和势能为一常量，由此表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。近地点地心远地点③开普勒第三定律

卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，等于GM的倒数。假设卫星运动的平均角速度为n，则n=2/T，可得当开普勒椭圆的长半径确定后，卫星运行的平均角速度也随之确定，且保持不变。2.1.3卫星运动的轨道参数

a为轨道的长半径,e为轨道椭圆偏心率，这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。为升交点赤经：即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。i为轨道面倾角：即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。yxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道ivyxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道iv为近地点角距：即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。v为卫星的真近点角：即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函数，确定卫星在轨道上的瞬时位置。由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系，广泛用于描述卫星运动。真近点角V当卫星处于轨道上任一点m时，卫星的在轨位置便取决于mMP角，这个角就被称为真近点角，以V表示。偏近点角E

若以长半轴a做辅助圆，卫星m在该辅助圆上的相应点为m″，圆弧m″P所对的圆心角称为偏近点角，以E表示。平近点角M0按若卫星的平均角速度，则平近点角为622.1.4真近点角V的计算m″m′m

aMrab真近点角V的计算6个开普勒轨道参数中，只有真近点角V是时间的函数，其余参数均为常数。所以确定卫星的瞬时位置的关键是在于确定参数V。63根据开普勒方程，偏近点角与平近点角的关系为：

已知时，可以采用迭代法按上式计算。迭代计算时先令，因偏心率仅为0.01左右，所以迭代两次便可求得偏近点角。偏近点角E与平近点角有一下重要关系：其次，为了计算卫星的瞬时位置，还需要确定真近点角V与偏近点角之间的关系。于是将上式代入轨道方程（2.5），则得由式上可得真近点角V与偏近点角E之关系：

2.1.5卫星的受摄运动卫星的受力：卫星受到的各种具体作用力：地球对卫星的引力日月对卫星的引力大气阻力太阳光压地球潮汐力等可将作用力归纳分为两类：地球质心引力（中心引力）；地球非中心引力—摄动力（与地球质心引力相比，仅为10e-3量级）。卫星的运动：二体问题--仅考虑地球质心引力的卫星运动称为二体问题。受摄运动—考虑到摄动力的作用的卫星运动。二体运动求解卫星相对地球的位置基于万有引力的分析解卫星相对地球的真实位置考虑摄动力的影响卫星受到的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10-6量级。地球非球形引力的摄动北凸南凹的梨形地球

在地球引力场摄动力的作用下，升交点将沿地球赤道产生缓慢的运动，使升交点赤经产生周期性变化，设其变化速率为,t0时升交点赤经为Ω，对于任一时刻t的升交点位置表示为71

事实上，卫星的升交点还同时受到其他摄动力的影响，所以升交点赤经的变化率也不是常量。

地球非球形引力的摄动对卫星轨道的影响

在引力场摄动力的作用下，近地点将在轨道面内转动，使近地点角距发生缓慢变化。若取近距点角距的变率为，则任一时刻t的近距点角距为72同样在引力场摄动力的作用下，卫星轨道平近点角也随时间变化，任一时刻t的平近点角为若设，则对GPS卫星可得。地球非球形引力的摄动对卫星轨道的影响引起轨道面在空间的旋转使升交点沿地球赤道产生缓慢的移动，进而使升交点的赤经产生周期性变化。引起近地点在轨道面内旋转使得开普勒椭圆在轨道面内定向改变，引起轨道近地点角距的缓慢变化。引起平近点角的变化日月引力又称第三体引力不仅影响卫星的运行，而且影响地球自转，因此，日月引力摄动应为日月引力对卫星轨道及其对地球作用之差对卫星产生的摄动加速度约为510-6m/s2太阳引力的影响，仅约为月球引力的0.46倍日月引力的摄动太阳辐射压力太阳光压的影响入射作用力发射作用力反照压力（被地球反射的太阳光产生的压力，为辐射压力的1%，可忽略）太阳光压对卫星产生的加速度，约为10-7m/s2量级地球固体潮在日月引力作用下，地球产生的如潮汐般的变形。海潮大气潮地球潮汐摄动力地球潮汐摄动力，对于在36000km高度的卫星（GPS卫星高度为20200km），摄动量约为110-10，故常被忽略。对低轨道卫星影响较大对于GPS卫星（高度为20200km）的影响可忽略大气阻力摄动力对卫星的影响知识点回顾卫星运动轨道基本参数理想情况下的卫星运动卫星的有摄运动2.2卫星星历GPS卫星星历GPS卫星在轨道平面内位置的计算2.2.1GPS卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息。卫星星历描述某一时刻的卫星运动轨道参数及其变率。根据卫星星历，可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。精确的轨道信息是得到卫星瞬时位置的必要条件，也是精密定位的基础。81GPS卫星星历GPS卫星星历可以分为：预报星历（广播星历，broadcastephemeris）；实测星历（精密星历，preciseephemeris）。82预报星历预报星历，通过卫星发射的、含有轨道信息的导航电文传递给用户,用户使用接收机接收到信号后，经过解码便可获得所需要的卫星星历。包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动项改正参数。83参考历元的卫星开普勒轨道参数称为参考星历（或密切轨道参数），是根据GPS监测站约1周的监测资料推算的。参考星历只代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数。在摄动力的影响下，卫星的实际轨道将偏离其参考轨道。偏离的程度主要取决于:观测历元与所选参考历元间的时间差。一般来说，如果用轨道参数的摄动项对已知的卫星参考星历加以改正，可以外推出任意观测历元的卫星星历。如果观测历元与所选参考历元间的时间差很大（外推时间较长），为了保障外推轨道参数具有必要的精度，就必须采用更严密的摄动力模型和考虑更多的摄动因素，由此带来了建立更严格摄动力模型的困难，因而可能降低预报轨道参数的精度。只要保证外推时间间隔不太长，可以保证卫星预报星历的精度。为了保证卫星预报星历的必要精度，一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法。卫星导航电文的获取是通过地面的监控站时刻观测卫星的运行轨道、主控站每天更新卫星的参考星历、注入站每天向卫星注入新的参考星历。GPS跟踪站每天利用观测资料，更新用以确定卫星参考星历的数据，计算每天卫星轨道参数的更新值，每天按时将其注入相应的卫星并存储。据此GPS卫星发播的广播星历每小时更新一次。86如果将计算参考星历的参考历元toe选在两次更新星历的中央时刻，则外推时间间隔最大不会超过0.5小时，从而可以在采用同样摄动力模型的情况下，有效地保持外推轨道参数的精度。预报星历的精度，目前一般估计为20-40m。

由于预报星历每小时更新一次，在数据更新前后，各表达式之间将会产生小的跳跃，其值可达数分米，一般可利用适当的拟合技术（如切比雪夫多项式）予以平滑。GPS用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共17个，其中包括:2个参考时刻;6个相应参考时刻的开普勒轨道参数;9个反映摄动力影响的参数。GPS卫星的后处理星历后处理星历预报星历包含外推误差，且由于SA技术的影响，广播星历的精度被人为降低，其精度不能满足某些需要精密定位服务的用户要求。后处理星历，是根据地面跟踪站所获得的精密观测资料计算而得到的星历，是一种不包含外推误差的实测星历。可为用户提供观测时刻的精密卫星星历，精度可达米级，以后将达到分米级。89后处理星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。后处理星历不是通过卫星广播的。需要通过无线电、网络等通信方式向用户传递。是有偿服务。902.2.2GPS卫星位置的计算

-根据广播星历计算卫星位置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，求出卫星在地心系下的坐标卫星在其轨道平面内的位置计算

计算真近点角Vk计算卫星运行的平均角速度n计算归化时间tk计算升交距角u0计算经过摄动改正的升交距角、卫星的地心距离及轨道倾角计算卫星的轨道平面直角坐标计算轨道平面1：计算卫星运行的平均角速度n

计算过程计算卫星运行的平均角速度

〉GPS系统及其信号>GPS卫星在轨位置的计算轨道平面2：计算归化时刻tk

〉GPS系统及其信号>GPS卫星在轨位置的计算轨道平面3：计算观测时刻的平近点角Mk

4：计算偏近点角Ek

5：卫星向径r0计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角计算卫星向径（未加摄动改正）

〉GPS系统及其信号>GPS卫星在轨位置的计算轨道平面6：计算计算卫星真近点角Vk、升交点角距u07：计算摄动改正项δu、δr、δi

计算真近点角计算升交距角计算摄动改正项MωVkrk卫星k轨道平面9：计算经过摄动改正的升交距角Uk

、卫星的地心距离rk和轨道倾角ik

10：计算卫星在轨道平面上的位置进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置卫星在地心空间直角坐标系中的位置计算计算观测时刻的升交点经度ΩK计算卫星在地心空间直角坐标系中的坐标

计算地心坐标1：计算观测时刻的升交点经度k观测时刻的升交点经度k为该时刻升交点赤经（春分点和升交点间角距）与格林尼治恒星时GAST（春分点和格林尼治起始子午线间角距）之差，即：k=-GAST观测时刻t时的升交点赤经：=oe-（t-

toe）

由电文中可求式中，

oe

为toe的升交点赤经；为变率；电文中每小时更新一次toe和

〉GPS系统及其信号>GPS卫星在轨位置的计算地心坐标2：计算观测时刻的升交点经度k

〉GPS系统及其信号>GPS卫星在轨位置的计算

GAST随地球自转而增加，其增值速率为地球自转速率，设一个星期开始时刻的格林尼治恒星时为GAST，则导航电文给我们提供的不是时的升交点赤经，而是始于格林尼治起始子午线到升交点的准经度，它们之间的关系是将式（2.30）、（2.31）、（2.32）一并代入式（2.29），则得升交点的经度为：

地心坐标3：卫星在地心坐标系中的位置计算卫星在地心空间直角坐标系中的坐标由式（2.28）可求出卫星在其轨道平面直角坐标系中的坐标，在该坐标系统中卫星的空间位置可表示为：

此时轴过地心指向轨道平面的垂直方向。地心坐标3：卫星在地心坐标系中的位置续

〉GPS系统及其信号>GPS卫星在轨位置的计算

根据卫星在轨道平面上的直角坐标->地心坐标系：

沿地心—升交点轴旋转i角，使轨道平面与赤道平面重合。沿Z轴旋转k角，使升交点与格林尼治子午线重合。这样，便得到卫星在地心坐标系中的直角坐标（X、Y、Z）。其数学表达式如：作业1、试标出GPS卫星无摄运动轨道参数，并概述各参数的概念或含义2、GPS系统由哪几部分组成，简述各部分作用1-2-3GPS卫星信号及信号接收机GPS信号的内容、结构GPS测距码GPS的导航电文GPS信号接收机知识回顾理想情况下的卫星运动卫星运动轨道参数及含义卫星星历卫星星历包含哪两种，简述两种星历的区别内容引导GPS通过哪些信号进行定位？GPS信号包含哪几部分？GPS卫星信号的内容GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。GPS卫星发射的信号包含：载波信号、测距码、导航电文（数据码）。3.1载波信号

可运载调制信号的高频震荡波为载波GPS发射位于L波段的两种频率的载波信号：L1载波：fL1=154×f0=1575.42MHZ，波长λ1=19.032cm；L2载波：fL2=120×f0=1227.6MHZ，波长λ2=24.42cm；GPS卫星信号的调制将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程称为调制被加载的频率较低的信号称为调制信号GPS卫星的L1和L2载波上携带测距信号和导航电文GPS卫星的测距码和导航电文是采用调相技术调制到载波上的，由于伪随机码只有“1”和“0”两种状态。当码值取0时，对应的码状态为＋1，而码值取1时，对应的码状态为－1。在载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制，此时码信号被加载到载波上，经过播发可供用户接收。

当码的波型为”1”时，与载波相乘，不会改变载波的相位；当码的波型为”-1”时，与载波相乘，载波相位改变180度。当码值(调制信号)从1变成0，或从0变成1时，将使载波相位改变180度。调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发。载波信号的作用：携带测距信号和导航电文传送给用户；在载波相位测量中用作测距信号（其测距精度比伪距测量的精度高2~3数量级）；精确测定多普勒频移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延迟影响（电离层折射延迟与信号的频率有关）选择两个频率可以较好地消除信号的电离层延迟导航信息被调制在L1载波上发送，频率为50HZ用户利用导航信息计算某一时刻卫星在轨道上的位置，因此导航信息也被称为广播星历导航电文亦是二进制数码，依规定的格式组成，按帧向外播送，每帧电文的长度为1500bit，播送速率为50bit/s。

每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ)

两种载波(L1和L2)

两种码信号(C/A码和P码)

一组导航电文(信息码，D码)作用测距性质为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）特点确定的编码规则可复制性周期性自相关性3.2测距码产生若干多级反馈移位寄存器所产生的m序列经复杂处理后形成包含C/A码、P（Y）码测量原理随机码序列与复制的随机码序列通过平移码元素，相应码元素相互对其不同的码（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有关码的基本概念表达不同信息的二进制数（“0”和“1”）及其组合，称为码在二进制中，一位二进制数称为一个码元或比特（bit，被取为码的度量单位）将各种信息，如声音、文字和图像等，按某种预定的规则，表示为二进制数的组合形式，这个过程称为编码例如：两位二进制数的不同组合11,10,01,00，这些组合形式被称为码，其中每个码含有两个码元

伪随机噪声码又叫伪随机码或者伪噪声码，简称：PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。他不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。具有周期性、易被复制等特性。GPS信号中使用了伪随机码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。伪随机噪声码的产生方式很多。GPS技术采用m序列，即产生于最长线性反馈移位寄存器。4.2GPS卫星信号伪随机噪声码伪随机码的产生--M序列线性反馈移位寄存器M序列的特性:1.均衡性：一周中1与0基本相等。1比0多1个。不允许全0。2.游程分布：相同码元连在一起为一游程。左图4级M序列为8个游程：长度为1的4个，长度为2的2个，长度为3的1个，长度4的1个。3.移位相加特性：一个M序列与其移位后另一M序列相加仍是M序列。4级M序列的周期m=154.自相关特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m5.伪噪声特性：M序列为伪随机码或人工复制噪声码。a3a2a1a0初始10001100111011110111…………4级M序列的产生方框图输出M序列:000111101011001输出m序列伪随机噪声码的自相关特性对齐时：000111101011001未对齐时：000111101011001000111101011001100011110101100A=15,D=0,R=（A-D）/m=1A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15

3.2.1C/A码

定义粗捕获码，即用于进行粗略测距和捕获精码的测距码属于伪随机噪声码（PRN码）频率C/A码频率f1=1/10×f0=1.023MHZ，仅被调制在L1载波上特征公开明码、民用、测距精度±（2~3）mC/A码特征：C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生码长Nu=210-1=1023比特码元宽tu=1/f1≈0.977752μs

空间失距=293.1m（码元宽与C的乘积）

周期Tu=Nutu=1ms

数码率=1.023Mbit/sC/A码特性易于捕获C/A码码长较短(周期小于1ms)，对C/A码进行逐个搜索，用时短，易于捕获；通过捕获的C/A码得到的GPS卫星导航信息，又可方便的捕获P码，因此C/A码被通称为捕获码测距误差大C/A码的码元宽度和空间矢距较大，若两序列的码元对其误差为码元宽度的1/10~1/100，则对应的测距误差可达2.9~29.3m；

由于C/A码的测距精度低，因此也被称为粗捕获码3.2.2P码定义精码，即用于精确测定从GPS卫星至接收机距离的测距码属于伪随机噪声码（PRN码）频率C/A码频率f1=f0=10.23MHZ，被调制在L1和L2载波上特征保密Y码、军用、测距精度高P码特征：码长Nu≈2.35*1014比特码元宽度tu≈0.0977752μs

空间失距=29.3m

周期Tu=Nutu≈267d

数码率=10.23Mbit/sP码特性常规方法不易捕获，需借助于C/A码信息P码码长较长(周期小于1ms)，对P码进行逐个搜索，用时长，不易捕获；通过捕获的C/A码得到的GPS卫星导航信息，可方便的捕获P码。测距精度高C/A码的码元宽度较C/A码小，空间矢距较大，若两序列的码元对其误差为码元宽度的1/10~1/100，则对应的测距误差可达0.293~2.93m；P码的测距误差仅为C/A码的1/10。C/A码和P码主要特征指标特征指标C/A码P码产生物理单元10级反馈移位寄存器12级反馈移位寄存器码长Nu=2r-11023bit2.35×1014bit频率f0.1f0（1.023MHz）f0（10.23MHz）码宽tu=1/f0.97752μs0.097752μs周期=Nu×tu1ms267d码宽等效距离λ=c×tu293.1m29.3m测距误差(1/10-1/100码宽)29.3-2.9m2.93-0.29m特征粗码、开放、二值精码、保密、二值3.2.3L2C码L2C码称为城市码，被调制在L2载波上；包括2个PRN码，CM码和CL码；L2C码可以提供高质量（低相噪、高灵敏度）的数据来进行导航定位；增设L2C码可以用于解决C/A码只调制在L1载波，无法精确消除电离层延迟的问题。GPS卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。主要包括：卫星星历时钟改正卫星工作状态信息电离层延迟修正参数这些信息按照一定的数据帧格式播发给用户，成为数据码（D码）。3.3GPS导航电文（数据码）第一数据块第二数据块第三数据块3.3.1遥测码（telemetryword,TLW）遥测码位于每个子帧的开头，用于表明卫星注入数据的状态。第1～8bit是同步码（10001001），为各子帧编码脉冲提供一个同步起点。第9～22bit是遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息等。第22、24bit是连接码。第25～30bit是奇偶校验码。奇偶校验码一个字码（30bit）包含6bit奇偶校验码。每一个bit的奇偶校验码对应前面24bit的数据码。例如：111001011101000110111010101110数据码文校验码文1110101010110110001110111101003.3.2转换码（handoverword,HOW）转换码位于每个子帧的第二个子码。作用：提供用户从捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。Z计数位于转换码的第1～17bit，从每周六/周日零时起算的时间计数。通过Z计数，可以知道观测瞬间在P码周期中所处的准确位置，以便迅速捕获P码。转换码的第25～30bit为奇偶校验码。3.3.3第一数据块第一数据块位于第1子帧的第3～10字码。主要包括标识码、时延差改正、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期及卫星时钟改正系数等。时延差改正Tgd电离层会使GPS在L1、L2上的信号发生时延。Tgd改正观测结果，提高定位精度。数据龄期AODC数据龄期是时钟改正数的外推时间间隔，表明卫星时钟改正数的置信度。AODC=t0c-tt其中t0c是第一数据块的参考时刻，tt是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时刻。星期序号WNWN是从1980年1月6日子夜零时（UTC）起算的星期数，是GPS星期数。卫星时钟改正GPS时间系统以地面主控站的原子钟为基准。GPS时间和UTC时间存在差值，导航电文把差值播发给广大用户。3.3.4第二数据块导航电文的第2和第3子帧组成第二数据块，内容为GPS卫星星历。内容包括：开普勒轨道6参数；轨道摄动9参数；时间参数。GPS卫星轨道参数3.3.5第三数据块第三数据块包括4、5两个子帧，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卫星信号后，根据第三数据块提供的其它卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常、位置适当的卫星，并较快地捕获到所选择的卫星。GPS卫星信号的构成3.4GPS信号的接收机3.4.1信号接收设备的组成如果把GPS信号接收设备作为一个用户测量系统，按其结构和作用可以分为：（1）天线（带前置放大器）；（2）信号处理器，用于信号接收、识别和处理；（3）微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算；（4）用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存储器；（5）精密振荡器，用以产生标准频率；（6）电源。GPS信号接收系统如果按其构成部分的性质和功能又可分为：（1）硬件部分：主要指上述的接收机、天线和电源等硬件设备；（2）软件部分：软件部分是现代GPS测量系统的重要组成部分。它是支持接收机硬件实现其功能、完成各种导航和定位的重要条件。一个功能齐全、品质良好的软件不仅能为用户提供极大方便，而且对于提高定位作业效率和改善定位精度，满足用户多方面的需要，具有重要的意义。3.4.2天线单元

GPS信号接收机的天线单元为接收设备的前置部分。天线单元包含接收天线和前置放大器两部分。GPS信号接收天线必须具备以下特性：波束的半带宽大于70°的半球状天线方向图；电波右旋圆极化；精确和稳定的相位中心；能较好的抑制多路径效应；能接收GPS信号的多个载波频率；较小的重量和尺寸；机械稳定性能好。天线部分可能是全向振子天线、小型螺旋天、或微带天线，但从发展趋势来看，以微带天线用的最广、最有前途。

微带天线是在厚度为h（h≤λ）的介质基片的上下两面覆盖两块金属片构成。一块辐射金属片作为接地板，完全覆盖基片的底面；另一块辐射金属片作为辐射元置于基片顶面。这种天线把诸如放大器、震荡器、开关、可变衰减器、混频器、调相器、调制器等都一起敷设在一个介质基片上。优点是体积小，重量轻、成本低、有两种工作频率，有利于提高定位精度；缺点是增益较低。目前大部分测地型接收机天线都是微带天线。其更适用于飞机、火箭等高速飞行物上。前置放大器位置天线后端作用提高信号强度将有极微弱的GPS信号的电磁波能量转换成为弱电流放大种类外差式、高放式绝大多数测地型GPS接收机采用外差式天线单元3.4.3接收单元信号通道信号通道是一种软件和硬件相结合的复杂电子装置，是接收单元中的核心部分。其主要功能是跟踪、处理和量测卫星信号，以获得导航定位所需要的数据和信息，通道数目有1到24个不等，由接收机的类型而定。总的来讲，信号通道目前有相关型、平方型和相位型等三种。相关型通道新一代GPS信号接收机广泛采用相关型通道，它能迅速地从伪噪声码中解译出卫星电文，从而测得运动载体的实时位置。它主要由伪噪声跟踪环路和载波跟踪环路组成。信号通道

伪噪声跟踪环路的工作原理如右图的方框图所示。其主要作用是从C/A码或P码中提取伪距观测量，同时对卫星信号进行解调，以获得导航电文和载波。所谓跟踪，就是使本地噪声码与接收噪声码“对齐”。

“对齐”的功能是由环路滤波器和压控时钟构成的反馈环路等完成的。伪噪声码跟踪环路方框图信号通道平方型通道下图所示的平方型通道，在用户接收到GPS信号以后，经过变频而得到中频GPS信号。于是载波频率降低了，将中频GPS信号自乘，得

平方型波道原理图

中频信号U的调制波A是取值为±1的二进制信号波形，其自乘结果恒等于1。因此乘法器B的输出信号是一种纯净载波，但其频率却是中频的二倍，该信号称为重建载波。平方型波道压缩了频带宽度，但抑制数据码D（t），无法检译出GPS卫星发送的导航电文。

信号通道码相位通道它也是一种平方型通道，如右图所示，其区别是它所得到的信号不是重建载波，而是一种码率正弦波。图中，接收码（C/A码或P码）从A点输入，经延时（即二分之一码元宽度），经C点滤波得复合码，再经D点得码率正弦波，即接收机时钟所产生的秒脉冲启开时间间隔计数器后开始计数，遇到码率正弦波计数，计数，遇到码率码相位波道示意图正弦波，其正向过零点时关闭计数器。这样由开、关计数器的时间之差便可确定测站和卫星间的距离。这里要说明的是码相位波道只能测得不足一个码元宽度的时间间隔，因此存在多值解的问题，这可通过多普勒测量来解决。

目前使用的测量型GPS接收机，多为混合型接收机，其通道普遍采用了相关和平方技术的优点，它可以同时获得码相位和载波相位观测量，导航