第三章-GPS的组成及信号结构知识分享

1、Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系第三章第三章GPSGPS的组成的组成(z (z chn)chn)及信号结构及信号结构1第一页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系主要(zhyo)内容 回顾(hug) GPS系统的组成 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接收机基本工作原理2第二页，共47页。Global Positio

2、ning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系概 述3第三页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系GPSGPS卫星卫星(wixng)(wixng)测距原理测距原理概述(i sh)测距原理卫星信号于卫星信号于 “T”时刻时刻(shk)发射发射GPS接收机于接收机于 “T + t”收到信号收到信号站星距离站星距离 = 信号传播时间信号传播时间光速光速The receiver uses its internal clock

3、 and the coded information from each GPS satellite to determine the time it took the signals to reach the receiver.4第四页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系GPSGPS卫星卫星(wixng)(wixng)测距原理测距原理概述(i sh)测距原理 GPS定位的基本测量，是观测站至GPS卫星的距离，它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间(shjin)（时间(shji

4、n)延迟），或者测定卫星载波信号相位在该路径上变化的周数（相位延迟）来导出的。= v t卫星至观测站距离 = 传播速度v 传播时间(shjin)tTwo-way and one-way ranging5第五页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系1 GPS卫星(wixng)信号的构成 6第六页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、概述一、概述(i sh)(i sh)

5、导航信号(xnho)概述 卫星导航信号是一种由导航卫星发送(f sn)的，可供无数用户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第七页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、概述一、概述(i sh)(i sh)测距码信号关于(guny)GPS卫星信号GPS卫星所发播的信号，包括载波信号、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，都涉及到现代数字通信理论

6、和技术方面的复杂问题，虽然GPS的用户一般可以不去深入研究，但了解其基本概念，对理解GPS定位(dngwi)的原理仍是必要的。8第八页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、概述一、概述(i sh)(i sh)测距码信号(xnho)关于GPS卫星信号(xnho) 1、满足多用户系统的要求： GPS是根据单程测距原理建立的，即用户只需通过接收(jishu)设备来接收(jishu)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，进而确定从观测站至GPS卫星间的距离。 这种单程

7、测距系统，不仅有利于简化地面的接收(jishu)设备，而且，凡具有接收(jishu)设备的用户，都可以利用GPS进行定位。9第九页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、概述一、概述(i sh)(i sh)测距码信号(xnho)关于GPS卫星信号(xnho) 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(li s)于经典测量中的后方距离交会，即在同一观测站上，必须同时观测数颗瞬时位置已知的卫星，以确定观测站至这些卫星的距离。GPS工作卫星的数量及分布，既保障

8、了定位的全球性和连续性，同时还通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用户连续实时定位的要求。10第十页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、概述一、概述(i sh)(i sh)测距码信号(xnho)关于GPS卫星信号(xnho) 3、满足高精度定位的需要： 由于卫星信号穿过电离层时，将受到电离层的折射影响，因此，GPS卫星发射了具有两种频率的电磁波信号，以便应用双频观测技术计算电离层影响的改正，提高定位的精度。另外，GPS卫星发射的电磁波还具有较

9、高的频率，这样既提高了计算电离层折射修正量的精度，同时也满足了用户通过测量电磁波的多普勒频移，进行(jnxng)高精度测速的要求。11第十一页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、概述一、概述(i sh)(i sh)测距码信号(xnho)关于GPS卫星信号(xnho) 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(jinl)的现代化导航系统，但为了兼顾民用部门的需要，卫星信号里包含两种测距码，即C/A码和P码。其中，C/A码精度较低，但码的结构是

10、公开的，可供具有GPS接收设备的广大用户使用；而P码精度较高，是结构不公开的保密码，专供美国军方以及得到特许的用户使用。12第十二页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、概述一、概述(i sh)(i sh)导航信号(xnho)概述 GPS信号的特点： 多调制波：包括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组成的编码脉冲串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，可以(ky)用来测量运

11、动载体的七维状态参数，也可以(ky)用来测量载体的三维姿态参数。13第十三页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系二、卫星二、卫星(wixng)(wixng)信号的结构信号的结构导航信号卫星(wixng)信号的结构 前已指出，GPS卫星信号包含有三种信号分量，即载波、测距码和数据码。而所有这些信号分量，都是在同一个基本频率的控制(kngzh)下产生的。每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率） 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）MHz

12、f23.10014第十四页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系二、卫星二、卫星(wixng)(wixng)信号的结构信号的结构导航信号卫星(wixng)信号的结构基准频率基准频率10.23 MHZ C/A码码 1.023MHZ P码码 10.23 MHZL21227.60 MHZL11575.42 MHZP码码 10.23 MHZ数据码数据码D码码 50 BPS数据码数据码D码码 50 BPS 15412020460010GPS卫星信号示意图卫星信号示意图15第十五页，共47页。

13、Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系2 GPS卫星(wixng)的测距码信号16第十六页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、码与码的产生一、码与码的产生(chnshng)(chnshng)测距码信号(xnho)码与码的产生 1、有关(yugun)码的基本概念： 在现代数字化通信中，广泛使用二进制数及其组合来表示各种信息。这些表达不同信息的二进制数及其组合，便称为码。 在二进

14、制中，一位二进制数叫做一个码元或一比特。比特（binarydigit-bit）意为二进制数，被取为码的度量单位。17第十七页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、码与码的产生一、码与码的产生(chnshng)(chnshng)测距码信号(xnho)码与码的产生 2、随机噪声码： 码是用以表达(biod)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，又可以表达(biod)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，

15、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，通常称为随机码序列，也叫做随机噪声码序列。18第十八页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、码与码的产生一、码与码的产生(chnshng)(chnshng)测距码信号(xnho)码与码的产生 随机码是一种非周期性序列，无法复制。随机码的特性是其自相关性好，而自相关性的好坏，对于(duy)提高利用GPS卫星码测距的精度，是极其重要的。自相关性：一个信号和自己本身的不同时延的信号的相似程度19第十九页，共47页。Glo

16、bal Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、码与码的产生一、码与码的产生(chnshng)(chnshng)测距码信号(xnho)码与码的产生 3、伪随机噪声码及其产生：pseudo random noise code, PRN 虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种(y zhn)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。因此，为了实际的应用，GPS采用了一种(y zhn)伪随机噪声码，简称伪随机码或伪码。20第二十页，共47页。Global Positioning Sys

17、temGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、码与码的产生一、码与码的产生(chnshng)(chnshng)测距码信号(xnho)码与码的产生 伪随机码的主要特点(tdin)是，不仅具有类似随机码的良好自相关性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的，可以容易地复制。21第二十一页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、码与码的产生一、码与码的产生(chnshng)(chnshng)测距码信号(xnho)码与码的产生22第

18、二十二页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系三、三、GPSGPS的测距码的测距码测距码信号(xnho)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，故不详细介绍，仅了解其性质、特点(tdin)及作用。23第二十三页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系三、三、GPSGPS的测距码的测距码测距码信号

19、(xnho)GPS的测距码 1、C/A码： C/A码是一种用于识别卫星、测量距离和向民间用户传送导航电文的伪噪声码。特点： 码长很短，易于(yy)捕获（通常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第二十四页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系三、三、GPSGPS的测距码的测距码测距码信号(xnho)GPS的测距码 2、P码： P码是由两个载波发送给GPS用户(yngh)的另一个伪噪声码，是美国军方严格控制使用的保密军用码。特点： 保密性高，是G

20、PS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第二十五页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系三、三、GPSGPS的测距码的测距码测距码信号(xnho)GPS的测距码 3、C/A码和P码的作用： 为用户传送导航电文。 用作测量(cling)GPS信号接收天线和GPS卫星之间距离的测距信号，以实现导航定位的实时解算。 用于识别来自不同GPS卫星而同时到达GPS信号接收天线的GPS信号。26第二十六页，共47页。Global Position

21、ing SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系载波载波(zib)(zib)作用作用搭载其它调制信号搭载其它调制信号测距测距测定多普勒频移测定多普勒频移类型类型目前目前(mqin)L1 频率：频率： 154 f0 = 1575.43MHz；波长：；波长：19.03cmL2 频率：频率： 120 f0 = 1227.60MHz；波长：；波长：24.42cm现代化后现代化后增加增加L5 频率：频率：115 f0 = 1176.45MHz；波长：；波长：25.48cm27第二十七页，共47页。Global Positioning Syst

22、emGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系载波载波(zib)(zib)特点特点所选择的频率所选择的频率(pnl)有利于测定多普勒频移有利于测定多普勒频移所选择的频率所选择的频率(pnl)有利于减弱信号所受的电离层折有利于减弱信号所受的电离层折射影响射影响选择两个频率选择两个频率(pnl)可以较好地消除信号的电离层折可以较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射延迟（电离层折射延迟与信号的频率(pnl)有关）有关）28第二十八页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning

23、System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系3 GPS卫星的导航(dohng)电文29第二十九页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、导航电文一、导航电文(dinwn)(dinwn)的定义的定义导航电文(dinwn)导航电文(dinwn)的定义 所谓导航电文，就是GPS卫星向用户(yngh)播发的一组反映卫星在空间的运行轨道、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第三十页，

24、共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系二、导航电文二、导航电文(dinwn)(dinwn)的结构的结构导航电文(dinwn)导航电文(dinwn)的结构导航电文基本构成（导航电文的内容包括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(g shi)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第三十一页，共47页。Global Positioning SystemGl

25、obal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系四、导航四、导航(dohng)(dohng)电文的结构电文的结构导航(dohng)电文导航(dohng)电文的结构1 遥测码每个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导。2 转换(zhunhun)码每个子帧的第二个字码是转换(zhunhun)码，它的主要作用是帮助用户从捕获的C/A码转换(zhunhun)到P码的捕获。32第三十二页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系四、导航四、导航(

26、dohng)(dohng)电文的结构电文的结构导航(dohng)电文导航(dohng)电文的结构3 第一数据块第一子帧的第310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”表示C/A码，“01”表示P(Y)码)、星期序号(WN GPS周)、卫星的健康状况等；（2）数据龄期(AODC)；（3）卫星时钟(shzhng)改正系数。33第三十三页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系四、导航电文四、导航电文(dinwn)(dinwn)的结构的结构导

27、航(dohng)电文导航(dohng)电文的结构4 第二数据块第二和第三子帧共同构成第二数据块，它表示GPS卫星的星历(xn l)。这是GPS定位中最有用的电文。 第2、3子帧的第310个字星历(xn l)参数 开普勒轨道根数（6个） 轨道摄动参数（9个）星历(xn l)参考时刻toe星历(xn l)龄期IODE34第三十四页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系四、导航电文四、导航电文(dinwn)(dinwn)的结构的结构导航电文(dinwn)导航电文(dinwn)的结构5 第

28、三数据块第4、5子帧的第310个字内容：所有卫星历书（概略(gil)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分钟重复一次35第三十五页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系4 GPS接收机基本工作(gngzu)原理36第三十六页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、一、GPSGPS接收机及其分类接收机及其分类(

29、fn li)(fn li)GPS接收机GPS接收机及其分类(fn li) 前面已经介绍过，GPS主要包括空间卫星星座、地面(dmin)监控站和用户接收设备三大部分。在用户接收设备中，接收机是用户利用GPS进行测量和导航的关键设备。37第三十七页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、一、GPSGPS接收机及其分类接收机及其分类(fn li)(fn li)GPS接收机GPS接收机及其分类(fn li) GPS 接收(jishu)机是能够接收(jishu)、跟踪、变换和测量GPS信号

30、的卫星信号接收(jishu)设备。天线单元天线单元带前置放大器带前置放大器接收天线接收天线接收单元接收单元信号通道信号通道存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源电源38第三十八页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、一、GPSGPS接收机及其分类接收机及其分类(fn li)(fn li)GPS接收机GPS接收机及其分类(fn li) GPS信号接收机可以分为下列类型：1. 按用途分类 （1）测地型接收机：厘米级精度(jn d)，测后数据处理 （2）导航型接收机

31、：米级精度(jn d)，实时数据处理 （3）授时型接收机：专用于时间测定和频率控制39第三十九页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、一、GPSGPS接收机及其分类接收机及其分类(fn li)(fn li)GPS接收机GPS接收机及其分类(fn li) GPS信号接收机可以分为下列类型(lixng)：2. 按所用载波频率多少分类 （1）单频接收机：仅使用第一载波及其调制波 （2）双频接收机：同时使用两个载波及其调制波40第四十页，共47页。Global Positioning

32、SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、一、GPSGPS接收机及其分类接收机及其分类(fn li)(fn li)GPS接收机GPS接收机及其分类(fn li) GPS信号接收机可以分为下列(xili)类型：3. 按接收机通道数分类 （1）多通道接收机 （2）序贯通道接收机 （3）多路复用通道接收机41第四十一页，共47页。Global Positioning SystemGlobal Positioning System地理科学系地理科学系地理科学系地理科学系一、一、GPSGPS接收机及其分类接收机及其分类(fn li)(fn li)GPS接收