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GPS卫星的导航电文和卫星信号 遥感学院测绘工程系 2009 第四章 课程名称：全球定位系统 1Global Positioning System 内容提要 GPS卫星播发的信号 伪随机码扩频与相关接收 C/A码与P码 GPS卫星信号的构成 GPS卫星的导航电文 GPS接收机基本工作原理 2Global Positioning System 4.1 GPS卫星播发的信号 概述 GPS是一种无线电导航系统 观测量是时间延迟或载波变化周数 GPS信号包含三种成分：数据码（D码） 、测距码（C/A码和P码）、载波信号（L1 和L2） 3Global Positioning System 4.1 GPS卫星播发的信号 概述 导航电文 数据码中包含有多种与导航有关的信息。 这些信息是卫星的星历、卫星钟钟差改正 参数、测距时间标志及大气折射改正参数 ，以及由C/A码捕获P码等其他导航信息。 这些信息为GPS导航定位提供数据基础， 故又称为导航电文。 导航电文是一组二进制的数码序列，码值 取0对应脉冲状态（+1），码值取1对应脉 冲状态（-1） 4Global Positioning System 4.1 GPS卫星播发的信号 概述 GPS信号应满足的要求 GPS卫星广播信号能实现保密通讯，提高 抗干扰能力 能对各卫星发射的信号进行区分选择 实现精密定位和实时导航 5Global Positioning System 4.1 GPS卫星播发的信号 伪随机码 码的基本概念 码：二进制数组合构成的数码序列 码元（比特）：一位二进制数 编码：将某种信息通过量化，并按某种规 定的标准表示成二进制组合序列，这一过 程称为编码。 数码率（比特率）：每秒钟传输的码元数 。单位：bit/s或BPS或HZ 6Global Positioning System 4.1 GPS卫星播发的信号 伪随机码 随机码 GPS信号中的关键技术：采用了伪随机码 扩频技术 随机码扩频的优点：不仅能提高系统的导 航定位精度，而且可以使系统具有极高的 抗电子干扰能力和极强的保密性 7Global Positioning System 4.1 GPS卫星播发的信号 伪随机码 随机码 随机码特点（良好的自相关特性） 随机码为非周期性码序列，不存在任何编码规 则，因此不能被复制 随机码序列中0和1出现的概率均为1/2 两随机码序列的模2和为0两码元相同；两随机 码序列的模2和为1两码元相异。自相关函数=1 时已对齐； 自相关函数1时没有对齐。 模2和运算 1 1=0，1 0=1，0 1=1，0 0=0 8Global Positioning System 4.1 GPS卫星播发的信号 伪随机码 伪随机码 产生原因：随机码序列没有周期性，无法 复制 定义：具有良好的自相关特性的有周期性 的序列称伪随机序列。由二进制码元组成 的伪随机序列称二进制伪随机码简称伪码 产生装置：“多级反馈移位寄存器” 分类：截短序列、复合序列等 9Global Positioning System 4.2 伪随机码扩频与相关接收 伪码扩频 定义 将原拟发送几十比特速率的导航电文 变换成发送几兆甚至更高比特率的由导航 电文和伪噪声码组成的组合码，称之为伪 随机码扩频，简称伪码扩频 优越性 保密性强：信号深埋在噪声中，抗干扰 耗电量少：降低了信噪比，节省卫星电能 可以很小的发射功率实现2万公里的定位 10Global Positioning System 4.2 伪随机码扩频与相关接收 伪码测距 定义 在计算卫星发射信号由卫星到用户的 传播延时时，主要利用了卫星发射信号中 的伪随机码和地面GPS接收机中复制的跟 踪伪码的相关接收技术，故称为伪码测距 11Global Positioning System 4.2 伪随机码扩频与相关接收 伪码测距 基本原理 利用一伪码延时锁相环路，使本地复 制的跟踪码和接收到的伪码在码元上对齐 ，也即是在时间上对准，再将跟踪伪码与 本地的基准伪码进行比对，得到时间差 12Global Positioning System 4.2 伪随机码扩频与相关接收 码分多址 为什么用码分多址 类型：频分多址FDMA、时分多址TDMA 、空分多址SDMA、码分多址CDMA 原因：同时观测多颗卫星，只有两个载频 区别：GPS导航定位中采用码分多址， GLONASS采用频分多址 13Global Positioning System 4.2 伪随机码扩频与相关接收 码分多址 什么叫码分多址 所谓码分多址，就是针对不同的GPS卫星 ，预先指定使用不同结构的伪随机码 特点：每颗卫星的伪噪声码不同，因此可 以按卫星所用伪噪声码不同对卫星进行编 号，即PRN编码 14Global Positioning System 4.3 C/A码与P码 概述 测距码是用于测定卫星至接收机间的距离 的二进制码。 GPS卫星采用两种测距码，即C/A码和P码 ，它们均属于伪随机码。 C/A码也称粗码，P码也称精码。各卫星所 采用的测距码互不相同且互相正交 15Global Positioning System 4.3 C/A码与P码 C/A码 定义 C/A码用于分址、搜捕卫星信号和粗 测距，是具有一定抗干扰能力的明码，提 供给民用 产生 C/A码是由两个10级移位寄存器相结 合而产生的 16Global Positioning System 4.3 C/A码与P码 C/A码 基本特性 是GPS卫星的民用伪噪声码 码长1023bit，很短，易于捕获（捕获码） 码元宽度977.517nsec 时间周期1ms，1sec对应长度293Km 不同的卫星具有不同的C/A码 是L1载波的调制信号 测距误差2.9329.3m，精度较低（粗码） 17Global Positioning System 4.3 C/A码与P码 P码 产生 由两组各有两个12级反馈移位寄存器 结合产生的。 18Global Positioning System 4.3 C/A码与P码 P码 基本特性 是GPS卫星的军用码 码元宽度为C/A码的1/10 时间周期266天9小时45分55.5秒 是L1L2载波的调制信号 不同的卫星具有不同的P码 测距误差0.292.93m，精度较高（精码） 19Global Positioning System 4.4 GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制 GPS信号的组成 数据码（D码、导航电文编码） 测距码（C/A码和P码） 载波（L1和L2） 所有这三种信号分量都是在一个基本频率 f0=10.23MHz的控制下产生的。 20Global Positioning System 4.4 GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制 GPS信号的组成 基准频率 10.23 MHZ C/A码 1.023MHZ P码 10.23 MHZ L2 1227.60 MHZ L1 1575.42 MHZ P码 10.23 MHZ 数据码D码 50 BPS 数据码D码 50 BPS 154 120 204600 10 GPS卫星信号示意图 21Global Positioning System 4.4 GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制 两个载波频率 L1载波：频率1575.42MHz，波长19.03cm L2载波：频率1227.60MHz，波长24.42cm 目的：使用两个载波频率发射是为了对电 离层延迟进行双频改正 22Global Positioning System 4.4 GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制 调制 调幅：载波振幅随调制信号的变化而变化 调频：载波频率随调制信号的变化而变化 调相：载波相位随调制信号的变化而变化 GPS卫星的伪随机码是利用调相技术 调制到载波上的（与+1相乘，相位不变； 与-1相乘，相位改变180度） 23Global Positioning System 4.4 GPS卫星信号的构成 卫星载波信号与调制 调制 GPS卫星天线发射的信号，是将导航 电文经过两级调制后的信号。一级调制是 将低频D码分别调制高频C/A码和P码，实 现导航电文的伪随机码扩频；二级调制是 将一级调制的组合码再分别调制在两个载 波频率上。 24Global Positioning System 4.4 GPS卫星信号的构成 卫星信号的解调 重建载波 由于在GPS信号中已用二进制相位调 制的方法在载波上调制了测距码和导航电 文，因此接收到的卫星信号的相位已不再 连续。所以在进行载波相位测量前，首先 要进行解调工作，设法将调制在载波上的 测距码和导航电文去掉，重新恢复载波。 这一工作称为重建载波。 25Global Positioning System 4.5 GPS卫星的导航电文 导航电文及其格式 定义 所谓导航电文，是指包含导航信息的数据 码。 导航信息指的是：卫星星历、卫星工作状 态、卫星历书、时间系统、星钟改正参数 、轨道摄动改正参数、大气折射改正参数 、遥测码以及由C/A码确定P码的交换码等 。 它是用户利用GPS进行导航定位的数据基础 26Global Positioning System 4.5 GPS卫星的导航电文 导航电文及其格式 格式 导航电文是二进制编码文件，按规定格式 组成数据侦，按侦向外播发。每侦电文 1500bit，播送速度为每秒50bit，所以， 一侦电文的传播时间是30秒。 每侦电文含有5个子侦，每个子侦含有5个 字，每个字为30bit；所以每一子侦共含 300bit，按上述比特率50bit/s速度播发， 每幅子侦需播发6s。 27Global Positioning System 4.5 GPS卫星的导航电文 导航电文内容 遥测字 各子侦的第一个字，作为捕获导航电文的 前导 作用：协助用户快速解译导航电文，判定 卫星可用与否 28Global Positioning System 4.5 GPS卫星的导航电文 导航电文内容 交接字 各子侦的第二个字。向用户提供用于捕获P 码的Z计数 作用：快速捕获到P码 29Global Positioning System 4.5 GPS卫星的导航电文 导航电文内容 第一数据块 WN卫星时间计数器 调制码标识 URA卫星测距精度 表示导航数据是否正常 TGD电离层延迟改正参数 AODC时钟数据龄期 toc卫星时钟参数对应的参考时刻 卫星钟改正参数 30Global Positioning System 4.5 GPS卫星的导航电文 导航电文内容 第二数据块（核心部分，卫星星历） 开普勒六参数 轨道摄动九参数 时间两参数 数据块包含了计算卫星运行位置的信 息，GPS接收机根据这些参数可以进行实时 的导航定位计算 31Global Positioning System 4.5 GPS卫星的导航电文 导航电文内容 第三数据块（历书数据） 1-24颗卫星的历书（概略星历） 卫星健康状况和GPS星期编号 识别符 25-32颗卫星的历书 反电子欺骗的特征符 电离层延时改正模型 32Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的分类 定义 GPS 接收机是能够接收、跟踪、变换 和测量GPS信号的卫星信号接收设备。 33Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的分类 接收机的分类 按用途分类：测地型、导航型、授时型 按所用载波频率多少分类：单频、双频 按接收机通道数分类：多通道接收机、序 贯通道接收机、多路多用通道接收机 按工作原理分类：码相关型接收机、平方 型接收机、混合型接收机 34Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的分类 接收机通道 定义：跟踪、处理、量测卫星信号的部件 ；（一个时刻一颗卫星一个频率） 组成：是软硬件的结合体； 作用：主要用来跟踪、处理和量测卫星信 号，获取工作所需的数据和信息。 分类： 按跟踪方式：序贯通道、多路复用通道、多通 道 按工作原理：码相关型通道、平方型通道、码 相位型通道 35Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理 组成 天线单元 带前置放大器（卫星信号十分微弱，需放大） 接收天线（有单极、微带、锥形，常用微带） 接收单元 信号通道（跟踪、处理、量测卫星信号） 存储器（记录观测资料） 微处理器（计算、管理、控制、自检核） 输入输出设备（输入命令、设置参数；显示工 作状态） 电源（为接收机供电） 36Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理 GPS接收机天线 天线与前置放大器应密封为一体，以保障 其正常工作，减少信号损失 能接收到天空任何方向的卫星信号 应有防护与屏蔽多路径效应的措施 保持天线相位中心高度稳定，并与其几何 中心尽量一致 37Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理 GPS接收机信号通道 平方型通道 优点：无须掌握测距码的结构便能获得载波信 号 缺点：完全消除了信号的测距码和数据码，无 法解译出导航电文 38Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理 GPS接收机信号通道 码相位型通道 优点：无须知道伪噪声码的结构即可进行C/A码 和P码的测量，对非特许用户有很大的好处 缺点：需另外提供GPS星历，用以测后数据处理 39Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 GPS接收机的组成及工作原理 GPS接收机信号通道 相关型通道 优点：可以从伪噪声码中提取导航电文，实现 实时定位，并且具有良好的信噪比 缺点：要求用户掌握伪噪声码的结构，以便接 收机产生复制码信号 40Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 几种常见的GPS接收机 Ashtech系列GPS接收机（阿斯泰克） 国家：美国 公司：麦哲伦公司 41Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 几种常见的GPS接收机 Trimble系列GPS接收机（天宝） 国家：美国 公司：天宝导航公司 42Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工作原理 几种常见的GPS接收机 THALES系列GPS接收机（泰雷兹） 国家：法国 公司：THALES导航定位公司 43Global Positioning System 4.6 GPS接收机基本工