[工学]第二章：GPS卫星信号及其测量原理.ppt

GPS卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的信号来测 定测站坐标的，那么究竟什么是GPS卫星信号呢? 粗略地说，GPS卫星 信号包括测距码信号(即P码和C/A码信号)、导航电文(或称D码，即数 据码信号)和载波信号。 GPS卫星信号的产生、调制和解调都非常复杂，涉及到现代数字 通讯理论和技术方面的若干高科技问题。作为GPS信号用户，虽然可以 不去深入钻研这些问题，但了解其基本知识和概念，将有助于理解GPS 卫星导航和定位测量的原理，因而仍旧是十分必要的。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星信号构成示意图 GPS卫星信号及其测量原理 2.1 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理 GPS卫星信号及其测量原理 返回 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理码 （1）码：表达信息的二进制数及其组合。 如：控制测量一、二、三、四等。 一 二 三 四 01 1 0 11 100 u比特：二进制组合中的每一位二进制数，又叫码元。 u码长：一个码中二进制数的个数。 u数码率：每秒钟传播的码长的个数（bit/s或BPS）。 u码周期：传播一个二进制数所需要的时间。 码周期=1/数码率 （2）随机噪声码：每一时刻，码元是0或是1完全是随机的一组码序列，这 种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。它是一种非周期 序列，无法复制。但是，随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPS码信号测 距就是利用了GPS测距码的良好的自相关性才获得成功。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理随机噪声码 码是时间的函数。（0和1 为幅度） 对某一时刻而言，二进制数是1还是0，完全是随机的，这种码就称为随机 噪声码。 是一种非周期序列，无法复制。 有良好的自相关性。GPS码信号测 距就是利用了GPS码测距码的良好的 自相关性才获得成功。 自相关性是指两个结构相同的码序列的相关程度，它由自相关函数描述。 自相关函数： 在实用中，可通过自相关函数的取值判断两个随机噪声码序列的 相关性。很明显，当平移的码元个数k =0时，两个结构相同的码序列其 相应码元完全相同，这时Du=0， 而自相关函数R(t)=1；相反，当k0 时，且假定码序列中的码元总数充分大，那么由于码序列的随机性， 有Su=Du ，这时自相关函数R(t)0。由此，根据自相关函数R(t)的取值 ，即可确定两个随机噪声码序列是否已经“相关”，或者通俗地讲， 两个码序列的相应码元是否已完全“对齐”。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理随机噪声码 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理随机噪声码 假设GPS卫星发射一个随机序列u(t)，而GPS接收机在收到信号的 同时复制出结构与u(t)完全相同的随机序列(t),则这时由于信号传播时 间延迟的影响，(t)与u(t)之间产生平移，即码元已经错开，因而R(t)=0 。如果通过一个时间延迟器来调整(t)，使之与u(t)的码元相互完全对 齐，即R(t)=1,那么就可以从GPS接收机的时间延迟器中，测出卫星信 号到达用户接收机的准确传播时间，再乘以光速便可准确地确定由卫 星至观测站的距离。所以，随机噪声码的良好相关性，为GPS测距奠 定了基础。 基本方法： 卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过t 时的 传播到达GPS接收机。 接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。 通过时延器使之延迟时间，对两码进相关比较。 直至两码完全对齐，相关系数R（t）=max=1，则该时间延迟即为 传播时间t（ =t）。 距离= ct = c。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理随机噪声码 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理随机噪声码 (3)伪随机噪声码(Pseudo Random Noise-PRN ) 虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的码 序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此，为了 能够实际应用，GPS采用了一种伪随机噪声码( Pseudo Random Noise- PRN )，简称伪随机码或伪码。这种码序列的主要特点是:不仅具有类似 随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性 的、可人工复制的码序列。 伪随机噪声码的特点： 具有类似随机码的良好自相关特性； 具有某种确定的编码规则； 是可人工复制的码序列。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理伪随机噪声码 伪随机噪声码表面上看无规律，实际上有一定的规律和周期性， 且可以复制。 伪随机噪声码(Pseudo Random Noise-PRN )由多级反馈移位寄存 器产生。这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存 储单元只有“0”或“1”两种状态，并接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和 控制。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理伪随机噪声码 假定一由4个存储单元组成的四级反馈和移位寄存器，如下图所示 。在钟脉冲的驱动下，每个存储单元的内容，都按次序由上一单元转移 到下一单元，而最后一个存储单元的内容便输出。并且，其中某两个存 储单元，例如单元3和4的内容进行模二相加，再反馈输入给第一存储单 元。 伪随机噪声码的产生 （四级反馈移位寄存器） GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理伪随机噪声码 当移位寄存器开始工作时，置“1”脉冲使各级存储单元全处于“1”状态 ，此后在钟脉冲的驱动下，移位寄存器将经历15种不同的状态，然后再返回到 全“1”状态，从而完成了一个周期。在四级反馈移位寄存器经历上述15种状态 的同时，其最末级存储单元输出了一个具有15个码元，且周期为15的二进制数 码序列，称为m序列。 表示钟脉冲的时间间隔，也就是码元的宽度。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理伪随机噪声码 不难看出，四级反馈移位寄存器所产生的m序列，其一个周期可能 包含的最大码元个数恰好等于24-1个。因此，一般来说，一个r级移位 寄存器所产生的m序列，在一个周期内其码元的最大个数： 与此相应，这时m序列的最大周期： 式中：Nu也称为码长。 由于移位寄存器不容许出现全“0”状态，因此 2r -1个码元中， “1”的个数总比“0”的个数多1个。这样，当两个周期相同的m序列 其相应码元完全相齐时，自相关系数R(t)=1，而在其他情况则有： GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理伪随机噪声码 当级数r足够大时，就有R(t)0。所以，伪随机噪声码与随机噪 声码一样，具有良好的自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周 期性序列。用户接收机可方便地复制卫星所发射的伪随机噪声码信号 ，并通过和接收到的码信号比较(相关)，精确测定信号的传播时延， 进一步计算出某一时刻测站和卫星间的距离。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理伪随机噪声码 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理测距码 方波 伪随机噪声码 两种测距码： C/A码 - 粗码 码速：1.023MHz 码元长度：293m P(Y)码 - 精码 码速：10.23MHz 码元长度：29.3m GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理粗码C/A码 l码长：1023bit。 l周期：1ms。 l码宽：0.977517us （相当于293.05m) l测距误差：2.9329.3m l特点： 由于C/A码的码长较短，易于捕获，而通过捕获C/A码所得到的信 息，又可以方便的捕获到P码，所以，通常称C/A码为捕获码。 C/A码的码元宽度较大，假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度 的1/101/100，则这时相应的测距误差可达29.32.9 m。由于其精度较 低，所以C/A码也称为粗码 (Coarse Acguisiton Code) 。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理精码P(y)码 l码长：约为2.35*1014 bit。 l周期：七天。 l码宽：0.098us （相当于29.3m） l测距误差：0.33m l特点： 码元宽度较小，精度较高，专为军用。目前，只有极少数高档次测 地型接收机才能接 收P码，且价格昂贵。 由于C/A码单点定位较低，测量上采用相对定位（差分定位）的方法 进行数据处理。 实际上P码的一个整周期被分为38部分，每一部分周期7d，码长约 6.191012 bit。其中，5部分由地面监控站使用，32部分分配给不同的 卫星，1部分闲置。这样，每颗卫星所使用P码便具有不同的结构，但码长 和周期相同。 因为P码的码长约为6.191012 bit，所以如果仍采用搜索CA码的 办法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码 元时，那将是无法实现的(约需14155 d )。因此，一般都是先捕获C/A 码，然后根据导航电文中给出的有关信息，便可容易地捕获P码。 另外，由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，这时若取码元的相关精度 仍为码元宽度的1/10 1/100，则由此引起的相应距离误差约为2.93 0.29 m，仅为C/A码的1/10。所以P码可用于较精密的导航和定位，称为精 码(Precise Code)。目前，美国政府对P码保密，不提供民用，因此GPS信 号一般用户实际只能接收到C/A码。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理精码P(y)码 返回 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理测距码 v 作用 测距 v 性质 为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise ） 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 GPS卫星信号及其测量原理 2.2 GPS卫星的导航电文 返回 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的导航电文 GPS卫星的导航电文主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改 正、卫星工作状态信息 以及由C/A码转换到捕获P码的信息。导航电文同 样以二进制码的形式播送给用户，因此又叫数据码，或称D码。 l卫星星历：是一系列描述有关卫星运动及其轨道的参数。 l导航电文：包含有关卫星星历、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C/A码捕获P码等导航信息的 数据码（D码）。 导航电文格式及内容： GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的导航电文 码速：50bps 内容： 广播星历（导航信息） 卫星钟改正 历书（概略星历） 电离层信息 卫星健康状况 导航电文的组成格式 导航电文的基本单位叫帧。一帧导航电文长1500bit，含5个子帧。 而每个子帧又分别含有10个字，每个字含30bit，故每一子帧共含300bit 。导航电文的传播速率为每秒50bit，所以播送一帧电文的时间需要30s， 而一帧电文的持续播发时间为6s。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的导航电文导航电文的组成格式 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的导航电文导航电文的内容 各帧导航电文的内容 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的导航电文导航电文的内容 u遥测字（TLM Telemetry Word ） 每一子帧的第1 个字 用作捕获导航电文的前导 u交接字（HOW Hand Over Word ） 每一子帧的第2 个字 主要内容：Z 计数 u第一数据块 第1子帧的第310个字 内容： WN GPS周：自1980年1月6日起算得星期数。 L2所调制测距码标识符 “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码。 传输参数N URA（1-15）：表明使用该卫星进行定位可能达到的精度。 Tgd ： 信号在卫星内部的电离层时延改正。 星钟数据龄期AODC：代表了卫星钟改正数的置信度；时间越长，可信度越低。 星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）。 u 第二数据块 第2 、3 子帧的第310 个字 内容 该发送信号卫星的星历 广播星历 星历参数 1）参考历元瞬间的开普勒轨道6参数： l卫星轨道椭圆长半径的平方根 l卫星轨道椭圆离心率e l参考时刻t0的轨道平面倾角i0 l0为参考时刻t0的升交点赤经 l为近地点角距 lM0为参考时刻t0的平近点角 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的导航电文导航电文的内容 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的导航电文导航电文的内容 2）反映摄动力影响的9个参数： ln为平均角速度改正数。即卫星运动的平均角速度与计算值之差 l 为升交点赤经的变化率 li为卫星轨道平面倾角的变化率 lCus、Cuc为升交角距的正余弦调和改正项振幅 lCis、Cic为轨道平面的正余弦调和改正项振幅 lCrs、Crc为轨道平面的正余弦调和改正项振幅 3）时间2参数： lt0为由星期日子夜零时起算的星历参考时刻 lAODE为星历表数据龄期 u 第三数据块 第4 、5 子帧的第310 个字 内容：所有卫星历书（概略星历） 第三数据块的内容每12.5 分钟重复一次 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的导航电文导航电文的内容 1997年11月9日 2时0秒 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的导航电文 GPS卫星位置的计算 卫星 天球坐标系中的坐标 地面点 地固坐标系（WGS-84） 要想利用卫星的位置交会出地面点的位置，首先应将天球坐标转换 为地固坐标。有了卫星在地固坐标系中的坐标及卫星到接收机的距离， 就可求地面点的坐标（X,Y,Z）。卫星位置的计算是根据导航电文所提 供的轨道参数按一定的公式计算的。 GPS卫星信号及其测量原理 返回 2.3 GPS卫星星历 GPS卫星信号及其测量原理GPS卫星星历预报星历 GPS卫星星历是描述卫星运动轨道的信息。即一组对应某一时刻的轨道参数 及其变化率。GPS系统通过两种方式向用户提供卫星星历，一种方式是通过导航 电文中的数据块II直接发射给用户接收机，通常称为预报星历；另一种方式是由 GPS系统的地面监控站，通过磁带、网络、电传向用户提供，称为后处理星历。 预报星历：也叫广播星历，是指相对参考历元的外推星历。参考历元瞬间 的卫星星历(即参考星历)，由GPS系统的地面监控站根据大约一周的观测 资料计算而得，为参考历元瞬间卫星的轨道参数。 预报星历的内容包括：参考历元瞬间的kepler轨道6参数，反映摄动力影响 的9个参数，以及参考时刻参数和星历数据龄期，共计17个星历参数。用 户接收机在接收到卫星播发的导航电 文后，通过解码即可直接获得预报 星历。由于预报星历是以电文方式由卫星直接播送给用户 接收机，因此 又称为广播星历。目前广播星历的精度，估计约为20100m。 GPS卫星信号及其测量原理GPS卫星星历预报星历 GPS卫星向全球用户播发的星历是用两种波码进行传送的。一种 是用叫做CA码所传送的GPS卫星星历(简称C/A码星历)其星历精度为 数十米。1991年后，美国对GPS工作卫星实施了SA技木，C/A码星历精度 降低，使GPS单点定位精度由原来的几十米降低到近百米。另一种用P码 所传送的GPS卫星星历(简称P码星历)精度提高到5m左右，只有工作于P 码的接收机才能从P码中解译出精密的P码星历。精密的P码星历主要用 于军事目的导航定位。C/A码星历交付民用。目前绝大多数的商品接收 机，都是工作于CA码的，只能使用降低了精度的C/A码星历。C/A码星 历精度的人为降低，给用户的GPS定位引入相应误差。这是非特许用户 进行高精度的GPS测量时必须解决的一个问题。利用精密的后处理星历 能够解决这一问题。 GPS卫星信号及其测量原理GPS卫星星历精密星历（后处理星历） 后处理星历：后处理星历是不含外推误差的实测精密星历，它由地面跟踪站根 据精密观测资料计算而得，可向用户提供用户观测时刻的卫星精密星历，其精 度目前为米级，将来可望达到分米级。但是，用户不能实时通过卫星信号获得 后处理星历，只能在事后通过磁带、网络、电传等通讯媒体向用户传递。 优点： 轨道参数非常准确，也称精密星历 。 缺点： 不能做到实时。 如：在我国领土内，有一些高精度坐标的地面控制点，用地面点交 会出t时刻卫星的精确位置。这种星历不是通过GPS卫星的导航电文向用 户传递，而是利用磁带或通过电视、电传、卫星通讯等方式有偿的为所 需要的用户服务。 监测站 l定义 Standard Product #3 一种精密星历格式，IGS精密星历采用此格式 l历史 1985年美国NGS（National Geodetic Survey） 公布SP1、ECF1、SP2、ECF2 1989年加入EF13 （以上格式均未考虑卫星钟信息） 1989年提出SP3、ECF3和EF18，1991年正式发布 SP3格式精密星历 GPS卫星信号及其测量原理GPS卫星星历精密星历（后处理星历） GPS卫星信号及其测量原理GPS卫星星历精密星历（后处理星历） l存储方式 ASCII l内容 精密星历（每隔15分钟给出1个卫星的位置，有时还给出卫星的速度） l特点 提供精密星历 lIGS精密星历的类型 预报星历(IGU)：实时提供，精度25cm，每天更新2次 快速(IGR)星历：滞后17h，精度5cm，每天更新1次 最终(综合)星历（IGS）：滞后约13d，精度优于5cm，每周更新1次 GPS卫星信号及其测量原理GPS卫星星历精密星历（后处理星历） lIGS精密星历命名方法：8+3文件名 例：igs11065.sp3(.Z)，igr11065.sp3(.Z) l命名规则 tttwwwwd.sp3 精密星历的类型 GPS周 星期： 0：表星期日示 16：表示星期一至星期六 总为sp3 l下载网址： /components/prods_cb.html 返回 GPS卫星信号及其测量原理RINEX数据格式 GPS数据处理时采用的观测数据来自野外测量的GPS接收机。这些观测数据 往往记录在接收机内部存储器或可移动的存储介质中，在外业完成后，需要将数 据传输到计算机中进行处理。 在GPS测量中，往往需要不同品牌的多台GPS接收同时作业。由于GPS厂家 所定义的专业格式以二进制文件的形式储存。一般不同品牌GPS接收机所定义的 专有格式各不相同，即使相同厂家不同型号仪器的专有格式也不尽相同。专有格 式具有存储效率高，各类信息齐全的特点。但是，由于数据处理分析软件能够识 别的格式是有限的，这个数据处理带来了不便。鉴于此，1989年瑞士尼泊尔天文 学院提出了一种与GPS接收机无关的交换格式，即RINEX（Receiver Independent Exchange Format)数据格式。现在，RINEX格式已经成为了GPS测量应用等的标 准格式。几乎所有测量型GPS接收机厂商都提供了将其格式文件转换为RINEX格 式文件的工具，而且几乎所有的数据分析处理软件都能够直接读出RINEX格式数 据。 RINEX数据格式 GPS卫星信号及其测量原理RINEX数据格式 RINEX数据格式 RINEX格式的第2版定义了6种不同类型的数据文件： O文件观测值文件 N文件导航文件 M文件气象文件 H文件GEO导航文件 G文件GLONASS导航电文文件 C文件钟文件 对于大多数GPS测量用户来说，RINEX格式的观测数据、导航电文 和气象文件最为常见。观测文件和导航文件是进行处理分析时必需的，而 其它类型的数据则是可选的。 GPS卫星信号及其测量原理RINEX数据格式 RINEX数据格式 RINEX文件的命名规则如下： ssssdddf.yyt ssss： 4字符长度的测站代号 ddd：文件中第一个记录所对应的年积日 yy：年份 t： 文件类型 f： 一天中的文件序号，有时也称为时段号，取值为09，或AZ，当为 0时表示文件包含了当天的所有数据。 如：B0983380.08o B0983380.08n 返回 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 2.4 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号，其中C/A 码和P码的数码率分别为1.023 Mbit/s与10.23 Mbit/s，而D码(导航 电文，又称为数据码)的数码率仅为50 bit/s。GPS卫星离地面远达 2104km，其电能又非常紧张，因此很难将上述数码率很低的信号传 输到地面。解决这一难题的办法，就是另外发射一种高频信号，并将 低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上，构成一高 频的已调波发射给地面。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 l载波类型 目前 L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 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 l作用 搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移 载波信号 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 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） 调制波 GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的。 载波 + 调制信号 = 调制波 调制信号：将频率较低的信号，加载到频率较高的载波上，而这 时频率较低的信号称为调制信号。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 L1、 L2载波调制信号的区别： l在载波L1上，调制有C/A码、P码和数据码； l在载波L2上，只调制有P码和数据码，不含C/A码。 测距码的调制 实现码信号与载波信 号的调制，是通过码状态 与载波相乘实现的。 载波是一种电磁波，由GPS卫星上原子钟的振荡器产生，其数学表达 式为一正弦波。因此，当码状态1与载波相乘时，显然不会改变载波的 相位；而当码状态取-1与载波相乘时，载波相位改变180。这样，当码 值由0变为1，或由1变为0时，都会使调制后的载波相位改变180，称为 相位跃迁。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 相位跃迁 纯净的载波为一正弦波，在加载测距码信号或数据码信号后，在码 值由0变为1或由1变为0的交替处，调制后的载波出现相位跃迁。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 测距码的解调 在进行GPS卫星定位测量时，既然用户接收机收到的GPS卫星信号是一种 已调波，那么，随之产生的一个技术问题，就是怎样从接收到的已调波中分 离出测距码信号、导航电文信号以及纯净的载波信号，这项技术称为信号的 解调。当用户接收机收到GPS卫星信号后，通常可采用以下两种方法进行信号 的解调： （1）码相关解调技术 （2）平方解调技术 （3）互相关技术 （4） Z 跟踪技术 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 （1）码相关解调技术 由于调制波是以码状态与载波相乘实现的，当码状态由1变为-1，或由-1 变为1时，都会使调制后的载波改变相位，产生相位跃迁而形成已调波。因此 ，要想恢复载波，只需用接收机产生的复制码信号，在同步条件下与卫星信号 相乘就可以了。其原因是由于接收机产生的复制码信号，与GPS卫星发射的测距 码信号结构完全相同，在经过码相关清除时延差后，可实现完全同步。这样原 先因乘-1而被改变的相位，现在又因 再乘-1而得到恢复。 （2）平方解调技术 由于处于1状态的调制码信号，经平方后均为1，而1不改变载波相位 ，所以卫星信号经平方后即可达到解调的目的。当用户接收到GPS卫星信号后， 首先通过变频而得一中频信号，这时信号结构无任何变化，仅仅只降低了载波频 率。电路再将所获得的中频GPS卫星信号自乘，消去加载在载波上的测距码信号 和数据码信号，达到解调的目的。最后，电路输出经过解调后的纯净载波。平方 解调技术可不必知道调制码的结构，但它在解调时不仅消去了测距码信号，同时 也消去了数据码信号，因此不能用来恢复导航电文。 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 码信号的调制与解调过程码相关解调技术 平方解调技术电路示意图 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 假定卫星S发出的载波信号，在接收机M处的相位为M。那么卫星S至接收 机M间的距离就可以粗略地表示为： = （ S - M ） = （ S - M ） S S M 实际工作中，S无法测定， 代替的办法是由接收机的振荡器 产生一个频率和初相与卫星信号 完全相同的基准信号，使得在任 一瞬间接收机基准信号的相位就 等于卫星S处的射信号相位。因 此， (b)=(b)。如果接收机 接到载波相位为(a)，那么由卫 星S到接收机M的距离可表示为 ：= （(b)- (a) ） (a) MS =0=0 (a) (a)=(a) M S (b) (b) = （(b)- (a) ） F0( ) Fi() GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 在实际进行载波相位测量时，当 接收机跟踪上卫星信号，并在起始历 元t0瞬间进行首次载波相位测量时， 所测得的相位差应包括整周部分和不 足一整周部分F0()，相位差观测值 应为： 0(M)- 0(S)=N0+F0() 式中： 0(M)为t0时刻接收机基准信号 0(S)为t0时刻接收到的卫星信号 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 在进行载波相位测量时，GPS接收机中的鉴相器实际能测量的是不足一周 的部分。由于载波为不带任何识别标记的一种正（余）弦波，所以用户无法知 道正在量测的是第几周的信号。换句话说，N0实际不能直接测定，称为整周未 知数（或称整周模糊度）。 F0( ) Fi( ) 而接收机在t0瞬间所测得的仅仅是不 足一整周的相位差F0()。在t0时刻以后的 各次载波相位测量中，接收机电路中的计 数器会自动记录从t0至观测时刻的载波相位 观测量整周数变化值In（）和不足一整周 数F()。如果以符号 表示ti 时刻测得的 相位观测值，则 GPS卫星信号及其测量原理 GPS卫星的载波信号与相位测量原理 上式中，整周数Ini()在t0时刻的首次测量值为0，而在其余各次测量值中 为整数。 当接收机连续跟踪卫星信号时，所测得的每个相位观测量显然含有 同一整周未知数N0。因此，ti 时刻一个完整的载波相位观测量可表示为： 周跳：当卫星信号中断时，将丢失In()中的一部分整周数，称为整周跳变， 简称周跳。 技术难点2个： 整周未知数的确定 周跳的探测与修复 F0() Fi() 返回 GPS卫星信号及其测量原理美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策 2.5 美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策 返回 GPS卫星信号及其测量原理美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策 GPS卫星发射的无线电信号含有两种精度不同的测距码，即所谓P码（也 称精码）和C/A码（也称粗码）。相应两种测距码GPS将提供两种定位服务方 式，即精密定位服务（PPS)和标准定位服（SPS）。 精密定位服务的主要对象是美国军事部门和其他特许的部门。这类用户可 利用P码获得精度较高的观测量，且能通过卫星发射的两种频率的信号进行测 距，以消除电离层折射的影响。利用P码进行单点实时定位的精度可优于10m 。 标准定位服务的主要对象是广大的民间用户。利用SPS所得到的观测量精 度较低，且只能采用调制在一种频率上的CA码进行测距，无法利用双频技 术消除电离层折射的影响。其单点实时定位的精度约为20-30m。 美国为了防止未经许可的用户把GPS用于军事目的（进行高精度实时动 态定位），于1989年11月开始至1990年9月，进行“SA”和“AS”技术的实 验，并于1991年7月开始实施SA技术。 GPS卫星信号及其测量原理美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策 1、SA技术 SA(Selective Availability）技术称为有选择可用性技术，即人为 地将误差引入卫星钟和卫星数据中，故意降低GPS定位精度。使CA码定 位的精度从原来的20m降低到100m。 SA技术的主要内容： （1）技术:就是对GPS卫星的基准频率施加高频抖动噪声信号,而 这种信号是随机的,从而导致测量出的伪距误差增大。 （2）技术:导航电文上增加技术,人为的将卫星星历中轨道参数 的精度降低到100m左右。 GPS卫星信号及其测量原理美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策 3. 现状 2000年5月1日下午，美国宣布取消SA政策；之后，由于卫星钟和轨 道的人为误差消除，标准定位服务提供的定位精度回到30m左右的水平（ 单频单机实时定位的精度达到30m，双频单机的精度为25m) 。 随着GPS系统的增强，第二频率上将发播C/A码伪距，并增加第三频 率，卫星钟差和电离层延时的影响进一步减小，双频单机实时定位的精 度可望达到12m。 2AS技术 AS(Anti-Spoofing )技术称为反电子欺骗技术。其方法是：将P码与 保密的W码相加成Y码，Y码严格保密。其目的是：防止敌方使用P码进 行精密导航定位。当实施AS技术时，非特许用户不能接收到 P码。这项 技术仅在特殊情况下使用。 GPS卫星信号及其测量原理美国政府关于GPS卫星信号的限制使用政策 针对SA和AS技术 应用P-W技术和L1与L2交叉相关技术，使L2载波相位观测值得到恢 复，其精度与使用P码相同。 研制能同时接收GPS和GLONASS信号的接收机。 发展DGPS和WADGPS差分GPS系统。 建立独立的GPS卫星测轨系统。 建立独立的卫星导航与定位系统。 返回 返回 2.6 GPS信号接收机 GPS卫星信号及其测量原理 GPS信