第四章 GPS卫星导航电文和卫星信号

1、第4章 GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1 GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）是用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。这些信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，卫星电文又叫数据码（D码）。他的基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit；第4,5子帧各有25个页面，共37500bit。第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一次。第4,5子帧的全部

2、信息则需要750s才能够传送完毕。即第4、5子帧是12.5min播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。4.1.1 遥测码 遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据状态。遥测码的第1-8bit是同步码，使用户便于解释导航电文；第9-23bit为遥测电文，其中包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。第23和第24bit是连接码；第25-30bit为奇偶检验码，它用于发现和纠正错误。4.1.2 转换码 转换码位于每个子帧的第二个字码。其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。Z计数实际上是一个时间计数，它以从每星期起始时刻开始

3、播发的D码子帧数为单位，给出了一个子帧开始瞬间的GPS时间。由于每一子帧持续时间为6s，所以下一个子帧开始的时间为6xZ s，用户可以据此将接收机时钟精确对准GPS时，并快速捕获P码。4.1.3 第一数据块第1子帧 第3-10字码，主要内容：标识码，时延差改正星期序号卫星的健康情况数据龄期卫星时钟改正系数等。4.1.4第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。描述卫星的运动及其轨道的参数包括下列三类：1.开普勒六参数 2.轨道摄动九参数 3.时间二参数4.1.5 第三数据块第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫

4、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的卫星。4.2 GPS卫星信号4.2.1 概述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，它包含有：载波、测距码和数据码。时钟基本频率为10.23MHz。GPS使用L波段的两种载频：L1载波：fL1=154*f0=1575.42MHz，波长1=19.032cmL2载波：fL2=120*f0=1227.6MHz，波长2=24.42cm码的基本概念：码是表达信息的二进制数及其组合。每一位二进制数称为1个码

5、元或叫1比特（bit）。如果将各种信息如：声音、图片以及文字通过量化并按某种规则表示为二进制数的组合形式，则这一过程就称为编码，也就是信息的数字化。在二进制数字化信息的传输中，每秒钟传输的比特数称为数码率，用以表示数字化信息的传输速度，其单位为bit/s或记做BPS。一组二进制数的码序列，又可以看作是以0和1为幅度的时间函数，用记号u（t）表示。如果一组码序列u（t），对某个时刻t，码元是0或1完全是随机的。但其出现的概率均为1/2.这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。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

6、好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相关程度，它由自相关函数描述。随机噪声码序列的良好自相关特性，为GPS测距奠定了基础伪随机噪声码及其产生：由于随机噪声码是非周期码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此提供了一种伪随机噪声码，不仅具有类似随机码的良好自相关性，而且有确定的编码规则，是周期性，可复制的。以4级反馈移位寄存器为例讲解伪随机码的产生和变化过程。GPS卫星发射两种测距码信号，即C/A码和P码，两者都是伪随机噪声码。C/A码由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生，在每星期日子夜零时，在置“1”脉冲的作用下全处于1的状态，同时在码率1.023MHz驱

7、动下，两个移位寄存器分别产生码长为，周期为1ms的两个序列和。序列经过相位选择器，输入一个与平移等价的m序列，然后与模2相加，便得到C/A码。 C/A码的码长、码元宽度、周期和数码率为：码长码元宽度，相应长度293.1m，周期；数码率BPS=1.023Mbit/s。各颗GPS卫星所使用的C/A码，其上述四项指标都相同，但结构相异。C/A码有如下2个特点：1） C/A码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C/A码逐个进行搜索。因为C/A码一共有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20.5s便可完成。由于C/A码易于捕

8、获，而且通过捕获的C/A码所提供的信息，又可以方便地捕获P码，所以通常C/A码也称为捕获码。2） C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差码元宽度的1/10-1/100，则这是相应的测距误差可达29.3-2.9m，由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。P码：P码由两组各有两个12级反馈移位寄存器电路发生，其基本原理与C/A码相似，但其线路设计细节远比C/A码复杂并且严格保密。P码特征：码长；码元宽度，相应长度29.3m；周期；数码率BPS=10.23Mbit/s.实际上P码的一个整周期被分为38部分，每一部分周期为7d，码长约为。其中，5部分由地面监控站使用，32部分分配给不同的卫

9、星，1部分闲置，这样，每颗卫星所使用的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，所以如果采用搜索C/A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），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。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，则由此引起的相应的距离误差约为2.93-0.29m，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。GPS信号的调制与解调：在无线电通信技术中，为了有效地传播信息都是将频率较低

10、的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波携带有用信号传送出去，到达用户接收机。将C/A码和P码调制到载波L上，L1载波上调制C/A码、P码以及导航电文；L2载波上仅调制P码与导航电文。GPS卫星的测距码和数据码信号又是怎样调制到载波上的呢？GPS测距码信号和数据码信号，都是以二进制数为码元的时间序列，它具有信号波形和信号序列两种表述形式。信号波形也称为码状态，通常以符号表示。信号序列通常以符号表示，信号序列中的每一个元素取值为0或者1，称为码值，约定，当码值为0时，对应码状态为+1，当码值取1时对应码状态为-1.实现码信号与载波信号的调制，只需要取码状态与载波相乘就可以了。相位跃

11、迁：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度。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。在加载测距码信号与数据码信号后，载波L1与L2的表达式分别为：，分别为调制于L1与L2上的P码振幅；为1状态的P码，为1状态的数据码；为调制于L1上的C/A码振幅，为1状态的C/A码，“i”为卫星编号；为载波的角频率（j=1,2）；为载波的初相（j=1,2）GPS卫星的各个信号分量都是由卫星原子钟振荡器的基准频

12、率产生，并且信号调制过程是通过电路中一系列混频、模二求和与叠加实现。GPS卫星信号的解调：1. 码相关解调技术：对已调波要想恢复载波，只需要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而改变的相位，现在又因在乘-1而得到恢复。主要是恢复数据码D(t)。2. 平方解调技术4.4 GPS接收机基本工作原理功能上分类：使用GPS和GLONASS，蓝牙设计，高度集成一体化，GNSS接收机，CORS接收机，网络RTK技术，网络RTK超长距离。4.4.

13、1 GPS接收机的分类1.用途分类（1）导航型（2）测地型（3）授时型接收机2.接收机的载波频率分类（1）单频接收机（2）双频接收机3.接收机按通道数进行分类4.按接收机工作原理分类4.4.2 GPS接收机工作原理组成：天线单元 接收机主机单元 电源接收机主机：变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。1.GPS接收机天线天线和前置放大器组成。天线将GPS卫星极弱的电磁波转化为相应的电流，放大器将电流放大。以便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测。对天线的要求如下：GPS接收机天下的类型：1.单板2.四螺旋形天线3.微带天线4.锥形天线（盘旋螺线型天线）2.接收机主机（1）变频器及中频放大

14、器（2）信号通道:GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。作用：搜索卫星，牵引并跟踪卫星。 实时解调出广播电文 进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量多普勒频移：他认为声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。在卫星移动通信中，当飞机移向卫星时，频率变高，远离卫星时，频率变低，而且由于飞机的速度十分快，所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒