第三章GPS的组成及信号结构

第三章GPS的构成及信号构造1主要内容

回忆GPS系统的构成§1.GPS卫星信号的构成 §2.GPS卫星的测距码信号 §3.GPS卫星的导航电文 §4.GPS接受机基本工作原理2概述3GPS卫星测距原理概述>测距原理卫星信号于“T”时刻发射GPS接受机于“T+Δt”收到信号站星距离

=信号传播时间×光速ThereceiverusesitsinternalclockandthecodedinformationfromeachGPSsatelliteto

determinethetimeittookthesignalstoreachthereceiver.4GPS卫星测距原理概述>测距原理GPS定位的基本测量，是观察站至GPS卫星的距离，它是经过测定卫星信号在该途径上的传播时间（时间延迟），或者测定卫星载波信号相位在该途径上变化的周数（相位延迟）来导出的。ρ=v•Δt 卫星至观察站距离ρ=传播速度v×传播时间ΔtTwo-wayandone-wayranging5§1

GPS卫星信号的构成

6一、概述导航信号>概述卫星导航信号是一种由导航卫星发送的，可供无数顾客共享的空间信息资源。 GPS信号是一种多调制波、多信号格式和多用途的无线电信号。7一、概述测距码信号>有关GPS卫星信号 GPS卫星所发播的信号，涉及载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或称D码）等多种信号分量，而其中的P码和C/A码，统称为测距码。 GPS卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到当代数字通信理论和技术方面的复杂问题，虽然GPS的顾客一般能够不去进一步研究，但了解其基本概念，对了解GPS定位的原理仍是必要的。 8一、概述测距码信号>有关GPS卫星信号1、满足多顾客系统的要求：GPS是根据单程测距原理建立的，即顾客只需经过接受设备来接受卫星播发的信号，并测定信号传播的单程时间延迟或相位延迟，进而拟定从观察站至GPS卫星间的距离。 这种单程测距系统，不但有利于简化地面的接受设备，而且，凡具有接受设备的顾客，都能够利用GPS进行定位。 9一、概述测距码信号>有关GPS卫星信号2、满足实时定位的要求：利用GPS导航或实时定位的基本原理，类似于经典测量中的后方距离交会，即在同一观察站上，必须同步观察数颗瞬时位置已知的卫星，以拟定观察站至这些卫星的距离。GPS工作卫星的数量及分布，既保障了定位的全球性和连续性，同步还经过卫星发送的导航电文，给出了有关卫星瞬时位置的信息，这就满足了GPS顾客连续实时定位的要求。 10一、概述测距码信号>有关GPS卫星信号3、满足高精度定位的需要：因为卫星信号穿过电离层时，将受到电离层的折射影响，所以，GPS卫星发射了具有两种频率的电磁波信号，以便应用双频观察技术计算电离层影响的改正，提升定位的精度。另外，GPS卫星发射的电磁波还具有较高的频率，这么既提升了计算电离层折射修正量的精度，同步也满足了顾客经过测量电磁波的多普勒频移，进行高精度测速的要求。 11一、概述测距码信号>有关GPS卫星信号4、满足军事保密的要求：GPS是美国国防部门，主要为军事方面的需要，而建立的当代化导航系统，但为了兼顾民用部门的需要，卫星信号里涉及两种测距码，即C/A码和P码。其中，C/A码精度较低，但码的构造是公开的，可供具有GPS接受设备的广大顾客使用；而P码精度较高，是构造不公开的保密码，专供美国军方以及得到特许的顾客使用。 12一、概述导航信号>概述GPS信号的特点：多调制波：涉及D码、C/A码和P码三种码。多信号格式：D码是一种不归零的二进制码构成的编码脉冲串 C/A码和P码均为伪随机噪声码 载波是处于L波段的微波连续波 多用途：可军用、可民用，也可作静态定位、动态测量，能够用来 测量运动载体的七维状态参数，也能够用来测量载体的三维 姿态参数。13二、卫星信号的构造导航信号>卫星信号的构造前已指出，GPS卫星信号包具有三种信号分量，即载波、测距码和数据码。而全部这些信号分量，都是在同一种基本频率的控制下产生的。 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）14二、卫星信号的构造导航信号>卫星信号的构造基准频率10.23MHZ

C/A码

1.023MHZ

P码

10.23MHZL21227.60MHZL11575.42MHZP码

10.23MHZ数据码D码

50BPS数据码D码

50BPS

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120÷204600÷10GPS卫星信号示意图15§2GPS卫星的测距码信号16一、码与码的产生测距码信号>码与码的产生1、有关码的基本概念：在当代数字化通信中，广泛使用二进制数及其组合来表达多种信息。这些体现不同信息的二进制数及其组合，便称为码。 在二进制中，一位二进制数叫做一种码元或一比特。比特（binarydigit-bit）意为二进制数，被取为码的度量单位。17一、码与码的产生测距码信号>码与码的产生2、随机噪声码：码是用以体现某种信息的二进制数的集合,是一组二进制的数码序列。这一序列，又能够体现成以0和1为幅度的时间函数。假设，一组码序列u（t），对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但其出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，一般称为随机码序列，也叫做随机噪声码序列。 18一、码与码的产生测距码信号>码与码的产生随机码是一种非周期性序列，无法复制。随机码的特征是其自有关性好，而自有关性的好坏，对于提升利用GPS卫星码测距的精度，是极其主要的。自有关性：一种信号和自己本身的不同步延的信号的相同程度

19一、码与码的产生测距码信号>码与码的产生3、伪随机噪声码及其产生：pseudorandomnoisecode,PRN虽然随机码具有良好的自有关特征，但因为它是一种非周期性的序列，不服从任何编码规则，所以实际上无法复制和利用。所以，为了实际的应用，GPS采用了一种伪随机噪声码，简称伪随机码或伪码。 20一、码与码的产生测距码信号>码与码的产生伪随机码的主要特点是，不但具有类似随机码的良好自有关性，而且具有某种拟定的编码规则。它是周期性的，能够轻易地复制。 21一、码与码的产生测距码信号>码与码的产生22三、GPS的测距码测距码信号>GPS的测距码GPS卫星采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属伪随机码。 但因其构成的方式和规律更为复杂，故不详细简介，仅了解其性质、特点及作用。23三、GPS的测距码测距码信号>GPS的测距码1、C/A码：C/A码是一种用于辨认卫星、测量距离和向民间顾客传送导航电文的伪噪声码。特点： 码长很短，易于捕获（一般C/A码也称为捕获码） 码元宽度较大，精度较低（所以C/A码也称为粗码）24三、GPS的测距码测距码信号>GPS的测距码2、P码：P码是由两个载波发送给GPS顾客的另一种伪噪声码，是美国军方严格控制使用的保密军用码。特点： 保密性高，是GPS卫星的军用码 码长很长，难以捕获 码元宽度为C/A码的1/10，可用于较精密的定位25三、GPS的测距码测距码信号>GPS的测距码3、C/A码和P码的作用：为顾客传送导航电文。用作测量GPS信号接受天线和GPS卫星之间距离的测距信号，以实现导航定位的实时解算。用于辨认来自不同GPS卫星而同步到达GPS信号接受天线的GPS信号。26载波作用搭载其他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当代化后增长L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm27载波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能够很好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟与信号的频率有关）28§3GPS卫星的导航电文29一、导航电文的定义导航电文>导航电文的定义所谓导航电文，就是GPS卫星向顾客播发的一组反应卫星在空间的运营轨道、卫星钟的改正参数、电离层延迟修正参数及卫星的工作状态等信息的二进制代码，也称数据码（D码）。导航电文是利用GPS进行定位的数据基础。30二、导航电文的构造导航电文>导航电文的构造导航电文基本构成（导航电文的内容涉及5部分）：

遥测码（TLW）转换码（HOW）第一数据块第二数据块第三数据块导航电文的格式是：主帧、子帧、字码和页码。每主帧电文长度为1500bit，播送速率为50bit/s，所以发播一帧电文需要30s时间。31四、导航电文的构造导航电文>导航电文的构造1遥测码 每个子帧的第一种字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导。 2转换码 每个子帧的第二个字码是转换码，它的主要作用是帮助顾客从捕获的C/A码转换到P码的捕获。32四、导航电文的构造导航电文>导航电文的构造3第一数据块

第一子帧的第3~10个字码为第一数据块。它的主要内容是：（1）标识码，指明载波L2的调制波类型(“10”表达C/A码，“01”表达P(Y)码)、星期序号(WN–GPS周)、卫星的健康情况等；（2）数据龄期(AODC)；（3）卫星时钟改正系数。 33四、导航电文的构造导航电文>导航电文的构造4第二数据块

第二和第三子帧共同构成第二数据块，它表达GPS卫星的星历。这是GPS定位中最有用的电文。 第2、3子帧的第3~10个字 星历参数开普勒轨道根数（6个）轨道摄动参数（9个） 星历参照时刻toe 星历龄期IODE34四、导航电文的构造导航电文>导航电文的构造5第三数据块

第4、5子帧的第3~10个字 内容：全部卫星历书（概略星历） 卫星健康状态GPS时间与UTC之间的关系的参数电离层改正参数 第三数据块的内容每12.5分钟反复一次35§4GPS接受机基本工作原理36一、GPS接受机及其分类GPS接受机>GPS接受机及其分类前面已经简介过，GPS主要涉及空间卫星星座、地面监控站和顾客接受设备三大部分。在顾客接受设备中，接受机是顾客利用GPS进行测量和导航的关键设备。

37一、GPS接受机及其分类GPS接受机>GPS接受机及其分类 GPS接受机是能够接受、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接受设备。 天线单元带前置放大器接受天线接受单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源38一、GPS接受机及其分类GPS接受机>GPS接受机及其分类GPS信号接受机能够分为下列类型： 1.按用途分类 （1）测地型接受机：厘米级精度，测后数据处理 （2）导航型接受机：米级精度，实时数据处理 （3）授时型接受机：专用于时间测定和频率控制39一、GPS接受机及其分类GPS接受机>GPS接受机及其分类GPS信号接受机能够分为下列类型： 2.按所用载波频率多少分类 （1）单频接受机：仅使用第一载涉及其调制波 （2）双频接受机：同步使用两个载涉及其调制波

40一、GPS接受机及其分类GPS接受机>GPS接受机及其分类GPS信号接受机能够分为下列类型： 3.