第三章的组成及信号结构详解

第三章的组成及信号结构详解演示文稿1第一页，共42页。优选第三章的组成及信号结构2第二页，共42页。概述3第三页，共42页。GPS卫星测距原理概述>测距原理卫星信号于“T”时刻发射GPS接收机于“T+Δt”收到信号站星距离

=信号传播时间×光速ThereceiverusesitsinternalclockandthecodedinformationfromeachGPSsatelliteto

determinethetimeittookthesignalstoreachthereceiver.4第四页，共42页。GPS卫星测距原理概述>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（时间延迟），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。ρ=v•Δt 卫星至观测站距离ρ=传播速度v×传播时间ΔtTwo-wayandone-wayranging5第五页，共42页。§1

GPS卫星信号的构成

6第六页，共42页。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42页。一、概述测距码信号>关于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定位的原理仍是必要的。 8第八页，共42页。一、概述测距码信号>关于GPS卫星信号

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设备来接收卫星播发的信号，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。 这种单程测距系统，不仅有利于简化地面的接收设备，而且，凡具有接收设备的用户，都可以利用GPS进行定位。

9第九页，共42页。一、概述测距码信号>关于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42页。一、概述测距码信号>关于GPS卫星信号

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，进行高精度测速的要求。

11第十一页，共42页。一、概述测距码信号>关于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42页。一、概述导航信号>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，可以用来 测量运动载体的七维状态参数，也可以用来测量载体的三维 姿态参数。13第十三页，共42页。二、卫星信号的结构导航信号>卫星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第十四页，共42页。二、卫星信号的结构导航信号>卫星信号的结构基准频率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

154

120÷204600÷10GPS卫星信号示意图15第十五页，共42页。§2GPS卫星的测距码信号16第十六页，共42页。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42页。一、码与码的产生测距码信号>码与码的产生

2、随机噪声码：码是用以表达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，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42页。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。随机码的特性是其自相关性好，而自相关性的好坏，对于提高利用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42页。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相关特性，但由于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。因此，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第二十页，共42页。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42页。一、码与码的产生测距码信号>码与码的产生22第二十二页，共42页。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，故不详细介绍，仅了解其性质、特点及作用。23第二十三页，共42页。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42页。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用户的另一个伪噪声码，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第二十五页，共42页。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：为用户传送导航电文。用作测量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42页。载波作用搭载其它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现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm27第二十七页，共42页。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（电离层折射延迟与信号的频率有关）28第二十八页，共42页。§3GPS卫星的导航电文29第二十九页，共42页。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卫星向用户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，共42页。二、导航电文的结构导航电文>导航电文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42页。四、导航电文的结构导航电文>导航电文的结构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转换码

每个子帧的第二个字码是转换码，它的主要作用是帮助用户从捕获的C/A码转换到P码的捕获。32第三十二页，共42页。四、导航电文的结构导航电文>导航电文的结构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）卫星时钟改正系数。

33第三十三页，共42页。四、导航电文的结构导航电文>导航电文的结构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。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） 星历参考时刻toe 星历龄期IODE34第三十四页，共42页。四、导航电文的结构导航电文>导航电文的结构5第三数据块

第4、5子帧的第3~10个字 内容：所有卫星历书（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分钟重复一次35第三十五页，共42页。§4

GPS接收机基本工作原理36第三十六页，共42页。一、GPS接收机及其分类GPS接收机>GPS接收机及其分类

前面已经介绍过，GPS主要包括空间卫星星座、地面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42页。一、GPS接收机及其分类GPS接收机>GPS接收机及