第四章 卫星的导航电文和卫星的信号

1. 第四章 卫星的导航电文和卫星的信号 • 基本概念： • 码：表达信息的二进制数及其组合，如01、11等均可被称作一个码。 • bit：一个二进制数称作一个bit，是码的单位，一个bit=一个码元； • 码元宽度：一个脉冲（bit）持续的时间。 • BPS又称码率或比特率（数）：每秒传输的比特数，bit/s

2. 随机噪声码：由码元（二进制数0、1；脉冲信号）组成的一组无序排列，形成的无规律排列码序列。其特点是无法复制。随机噪声码：由码元（二进制数0、1；脉冲信号）组成的一组无序排列，形成的无规律排列码序列。其特点是无法复制。 • 码序列的相关性：指随机噪声码间的相关程度指标，用公式表示：

3. S（u）--两组码中对应相同的码元数 • D（u）--两组码中对应不相同的码元数 • R（u）--相关系数，1表示相关；0表示无关；其它数值时表示程度。 • 伪随机噪声码（PRN）：由码元（二进制数0、1）有序排列，形成的有规律排列码序列。其特点是可以复制。GPS的测距码采用的就是伪随机噪声码。

4. 导 航 电 文 D 星历 载 波 L1 卫 星 信 号 时间参数toe AODE AODC Tgd a0 a1 a2 载 波 L2 粗码C/A码 测 距 码 精码 P码

5. 第一节 GPS卫星的导航电文 一、导航电文（D码）概述 1、导航电文定义 由卫星通过载波以二进制形式、按预先设计的格式发送给用户的定位和导航的基础数据，又称D码。 2、导航电文内容： 包括：卫星星历和时间信息。时间信息中包括：时钟改正、电离层时延改正、

6. 工作状态信息、C／A码和P码等测距码信息。 3、导航电文的格式： • 以电子电文中的主帧为基本单位 • 主帧长1 500bit，传输速率50bit/s，全部传送时间30s • 一个主帧包含5个子帧，每个子帧分别含10个字，每个字30bit，一个子帧共300bit。

7. 1、2、3子帧各有一页、4、5子帧各有25页 • 一个主帧由1、2、3子帧和4、5子帧中的各一页构成；每页播送时1、2、3 重复，4、5换页，一共循环25次，之后重复之。 • 循环25次需30s*25=750s，即12.5min。 • 1、2、3子帧每小时更新一次，4、5子帧仅在给卫星注入新导航电文时才更新。

8. 主帧与子帧关系图

9. 1 遥测字 遥测字 遥测字 遥测字 遥测字 交接字 交接字 交接字 交接字 交接字 数据块3 数据块3 数据块1 数据块2 数据块2 各 子 帧 内 容 子帧号 2 3 4 5 二、各子帧的内容

10. 遥测字（Telemetry Word-TLM)位于各子帧开头的第一字码，是捕获导航电文的前导信号，并含同步信号，为各子帧的同步起点 • 交接字又称转换码（Hand Over Word-HOW)位于遥测字后的第二字码，提供由C/A码捕获P码的信息（Z计数—时间计数）

11. Z计数 指从每星期天零时（GPST）起，发播的子帧数的计数值，因每一子帧持续的时间为6s，则下一子帧发播的开始时间为6*Z（s），主要作用使用户接收机钟精确对准GPST，并快速捕获P码。 • 第一数据块： • 位置：第一子帧的3~10字码。 • 主要内容包括：标识码，时延差改正；

12. GPS星期序号；卫星的健康状况；数据龄期；卫星时钟改正系数等 。 时延差改正Tgd：电离层时延改正。 2.卫星钟改正参数：共三个，分别是a 0 a 1 a 2，表示卫星钟差、钟速、钟速的变化率。任意时刻t的卫星钟改正数为：

13. 3. 钟数据龄期AODC：表示卫星钟改正参数的参考时刻toc与计算该改正参数所用的观测数据的最后一次观测时刻tL间的时间之差。 4. 星期序号WN（GPD）：第一轮中是指从UTC1980年1月6日起算的GPS星期数。 第二轮中是指从UTC1999年8月22日起算的GPS星期数。

14. 第二数据块 • 位置：位于第2、3子帧； • 内容：主要内容为GPS卫星的星历，是用户计算卫星运动位置的信息。 1、对应于参考历元的Kepler6根数。 2、轨道摄动九参数 3、时间二参数

15. (1)从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe；(1)从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe； (2)星历表的数据龄期AODE： AODE＝toe-tL 卫星星历的参考时刻toe与计算参考时刻星历所用的最后一次观测数据的观测时刻tL间的时间之差，即广播星历的外推时间间隔。

16. 第三数据块 • 位置：位于第4、5子帧； • 内容：主要内容为全部卫星的概略星历和卫星工作状态，又称卫星历书。 概略历书作用是：当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其它卫星的概略星历、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，并较快地捕获到所选择的卫星。

17. 第二节 载波与测距码 • 一、载波 • GPS目前使用的载波有两种，均属L波段，基本频率为f0=10.23MHz • 1、载波L1的基本参数： • 频率： 波长： 2、载波L1的基本参数： 频率：

18. 波长： • 以上两种频率是经科学计算后选择的， • 这两种频率配合使用，有利于消除电离 • 层引起的延迟误差。 • 二、测距码 • 1、测距码概述 • 测距码是一种专门用于被动式测距的脉冲 • 信号，有高频与低频两种状态。 • 一般使用伪随机脉冲码或称伪随机噪声码 • PRN作测距码。所谓伪随机码是这样一种

19. 脉冲码，这种脉冲码的码形由具有一定周期的0和1离散字符串构成，其生成过程具有随机性，其码形事先不可预见，但生成后的码又具有极好的自相关性，可利用这种特性，制造自相关设备---反馈移位存贮器，一方面用它来生成PRN，另一方面用来识别生成的PRN，进而测量测距码在空间传播的时间，实现测距。脉冲码，这种脉冲码的码形由具有一定周期的0和1离散字符串构成，其生成过程具有随机性，其码形事先不可预见，但生成后的码又具有极好的自相关性，可利用这种特性，制造自相关设备---反馈移位存贮器，一方面用它来生成PRN，另一方面用来识别生成的PRN，进而测量测距码在空间传播的时间，实现测距。 • GPS测距码采用的是PRN码中m序列码，共有两种：一种为短周期、宽码元的C/A或称粗码；另一种为长周期、窄码元的P码

20. 即精码。 • PRN码的m序列码之特性： • 均衡性：码中0和1的数目基本相等。 • 游程分布：相同的码元连在一起的叫一个游程，长度为1的占总数的一半，长度为2的游程占总数的1/4，如此类推。 • 连“1”的游程和连“0”的游程各占一半。 • 移位相加特性：一个m序列的码mp与其经过任意次延迟位移产生的另一个序列mr模2相加，仍为m序列。 • 自相关性：m序列的PRN码自相关函数

21. 只有两种固定取值-1/m或1，其中m=2n-1， 是m序列的周期，这种重要特性可用来 方便地进行码对齐判别。 伪噪声特性：PRN码的随机噪声取样呈正 态分布，证明其与随机噪声码具有相同的 特性。 提示：PRN码既具码生成的随机性，又 具有很好的相关性。 2、GPS测距码测距的原理 GPS卫星装备的反馈移位存贮式PRN码

22. 发生器产生PRN码（短周期的为C/A码长周期的为P码）由载波发送，经时间τ后到达用户接收机，用户接收机内置的与卫星相同的PRN码发生器立即产生一个相同的PRN码，并利用PRN码自相关性好的特点，与卫星送来的PRN进行码对齐，码对齐所用的时间即为τ，信号在空中传播的时间被测定。星地距ρ即为：发生器产生PRN码（短周期的为C/A码长周期的为P码）由载波发送，经时间τ后到达用户接收机，用户接收机内置的与卫星相同的PRN码发生器立即产生一个相同的PRN码，并利用PRN码自相关性好的特点，与卫星送来的PRN进行码对齐，码对齐所用的时间即为τ，信号在空中传播的时间被测定。星地距ρ即为：

23. 3、C/A码和P码的特性 • C/A——粗测距码；C/A码是用于粗测距及捕获GPS卫星信号的伪随机码。由两个10级（码长N=102-1=1023bit码长）位移存贮器分别产生两个PRN码，并进行模2相加后得到C/A码并输出。 • 参数： • 码率1.023MHz；码长1023bit；码元宽0.98μs[相当于293.1m，乘光速得] ；周期为1ms。 • 码对齐误差：码元宽度的1/10~1/100

24. 由此造成的测距误差为29.3—2.93m,测距精度低,故被称为粗码。由此造成的测距误差为29.3—2.93m,测距精度低,故被称为粗码。 • P——精测距码，由两个12级位移存贮器分别产生两个PRN码，经相乘后得到P码并输出。 • 参数及特性：码率10.23MHz；码长6.19×1012bit ，长达一周；码元宽度为0.098μs，相当于距离29.3m ，码元对齐误差为码元宽的1／10--1／100，测距误

25. 差约为2.93—0.293m，仅为C／A码的1／10；周期为一个GPST周，一个周期含约6.2万亿个码元。差约为2.93—0.293m，仅为C／A码的1／10；周期为一个GPST周，一个周期含约6.2万亿个码元。 • W码与Y码：为了对P码进行保密，在P码上增加的一个极度保密的W码，之后形成的码称Y码。 • P码的捕获 • C/A码的码长短，易捕获，是GPS使用的捕获码，之后过渡到P码，实现P码捕获。

26. 三、GPS 信号的播发 • 分别将低频测距码（P（Y）码和C/A码）信号、导航电文（数据码或称D码）加载到频率较高的L1、L2载波上形成调制波，由GPS卫星将调制波发送至用户，由用户的接收设备接收。 • L1载波上以同相和正交方式调制有C/A码和P（Y）码两种测距码信息和导航电文（D码） • L2载波上以双相调制形式调制有P码。

27. 第三节 GPS接收机的基本工作原理 一、接收机的分类 GPS接收机是GPS三大系统之用户系统，是GPS系统直接产生效益的部分。 A、按用途分类 • 导航型接收机 • 主要用于运动载体的导航，它可以实

28. 时给出载体的位置和速度。早期的此类接收机一般采用C／A码伪距测量，当前也有载波测距式，定位方式为绝对式定位。单点实时定位精度较低，相对于WGS84坐标系原点，精度一般为±25m或± 10m，一般机的价格便宜，应用广泛。 • 根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：

29. 车载型——用于车辆导航定位； • 航海型——用于船舶导航定位； • 航空型——用于飞机导航定位。 • 星载型——用于卫星的导航定位。卫星的运动速度高达7km／s 以上，因此对接收机性能要求很高。 • 测地型接收机

30. 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位进行距离测量，以相对定位为模式，定位精度高。仪器结构复杂，价格较高。测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位进行距离测量，以相对定位为模式，定位精度高。仪器结构复杂，价格较高。 • 授时型接收机 • 这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用 与天文台及无线电通讯中时间同步。

31. B、按接收机的载波频率分类 • 单频接收机 • 指仅能接收L1载波信号的接收机。 • 定位时以测定L1载波相位观测值方式测定星地距进行定位。由采用单频技术，不能有效消除电离层延迟对载波测距的影响只适用于15km以下短基线的精密定位。 • 双频接收机 • 可同时接收L1，L2载波的接收机

32. 双频接收机可利用双频对电离层延迟的规律，实现对电离层影响的大幅消减，极大地提高星地距的测量精度，进而提高定位精度，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。双频接收机可利用双频对电离层延迟的规律，实现对电离层影响的大幅消减，极大地提高星地距的测量精度，进而提高定位精度，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。 C、按接收机通道数分类 • 接收机的一个通道能接收一颗卫星的信号，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

33. 接收机需设多个通道，据此接收机有： 1、多通道接收机 多通道接收机能同时接收多颗卫星的信号，接收机的通道数最小为4，多者为48，可同时接收GPS、GLONASS全部工作卫星的信号。优点是不会丢失卫星数据。据点是技术复杂、造价高。

34. 2 序贯通道接收机 仅一个通道，为同时接收多颗卫星，采用控制软件，按一定时序依次对不同卫星进行跟踪与测量。 优点是造价低，缺点是在对不同卫星做轮流转换跟踪时，容易丢失数据。 3 多路多用通道接收机 不只一个通道，每个通道的功能与序

35. 贯通道接收机的工作程序类似。但软件 功能强，可克服贯通道接收机的不足。 D、按接收机工作原理分类 1、码相关型接收机 码相关型接收机是利用PRN测距码相关技术进行伪距观测，获得伪距值定位 2、平方型接收机： 平方型接收机是利用载波信号的平方

36. 技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。 3、混合型接收机 综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值的接收机。

49. 4、干涉型接收机 这类接收机将GPS卫星作为射电源，采用类似VLBI原理进行干涉测量，即测定卫星信号到达两个测站的时间差或载波的相位差进行星地距离的测量实现定位。 二、接收机工作原理简述 • GPS接收机主要由接收机天线单元、接收机主机单元和电源3部分组成

50. 1、主机单元： 由变频及中频放大器、信号通道、微处理器、存贮器及显示器组成。 2、接收机天线单元： 由接收机天线和前置放大器两部分所组成。天线的作用是将GPS信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将信号电流予以