或1/n（n为码元数） – 对齐的同一组码间的相关系数为1
39
3、卫星导航信号传输体制
——测距码
• 类型
– 目前
• C/A码（Coarse/Acquisition Code） – 粗码/捕获码；码率： 1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度： 293.05m；仅被调制在L1上
– 测距码（Ranging Code）
• C/A码别调制在L1和L2上）
– 卫星（导航）电文（Message）
• GPS卫星信号的生成
– 关键设备 – 原子钟
35
3、卫星导航信号传输体制
——载波
• GPS卫星的基准频率 f0 • 由卫星上的原子钟直接产生 • 频率为10.23MHz • 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频
• FDMA的缺点：
– 前端复杂，接收机体积大且造价昂贵，是GLONASS市场占有率低 的一个重要因素。
• FDMA的优点：
——卫星（导航）电文 • 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） – 第三数据块的内容每12.5分钟重复一次
45
3、卫星导航信号传输体制
——多路接入方式
• 1：TDMA
• 在GPS最初设计阶段，曾经考虑采用时分多址（TDMA）方 式来传送C/A码信号和P码（精密码）信号；具体接入方式 是先传送C/A码信号的全部或部分周期，然后传送P码信号 的一部分。
2. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
GPS卫星迄今已设计了三代。 第一代Block1型用于系统实验， 称实验卫星，共研制和发射了 11颗，设计寿命5年，现已停 止工作。第二代Block2和2A 型卫星称为工作卫星，共研制 了28颗，设计寿命7.5年，从 1989年初到1994年上半年发 射完毕。第三代Block2R和2F 型卫星预计20颗，以取代第二 代卫星，改善全球定位系统。
卡瓦加兰（太平洋）
26
夏威夷（太平洋）
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
• 监测站（5个）
– 作用：
• 接收卫星数据， 采集气象信息， 并将所收集到的 数据传送给主控 站。
– 地点：
• 夏威夷、主控站 及三个注入站。
27
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
• 主控站（1个）
– 作用：
• 将导航电文注入GPS 卫星。
– 地点：
• 阿松森群岛（大西 洋）、迪戈加西亚 （印度洋）和卡瓦 加兰（太平洋）
29
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
L1 L2
GPS卫星 GPS卫星
S波段
数据处理机
接收机
调制 解调器
铯钟 气象传感器
观测星历 编算注入 与时钟 导航电文
计算误差
– 信号中含有卫星信号准确的发射时间,以及不同的时间卫 星在空间的准确位置(由卫星运动的星历参数和历书参数 描述)；
– 卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号,测量信号的 到达时间,计算卫星和用户之间的距离；
– 用导航算法(最小二乘法或滤波估计方法)解算得到用户的 位置。
9
1. 卫星导航定位原理
• 理想定位模型
19.03c m
– 测定多普勒频移
L2
• 类型
– 目前
24.42c m
• 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
• 信号生成与发射装置
20
GPS卫星结构
在星体两端面上 装有全向遥测遥 控天线，用于与 地面监控网通信。
双叶对日定向太阳能 电池帆板，全长 5.33m，接受日光面 Slide 21 积7.2m2。
多波束定向天线，这是一种由12个单元构成 的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段 的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。
37
3、卫星导航信号传输体制
——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）
38
3、卫星导航信号传输体制
——测距码
• 作用
– 测距
• 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
• 地面监控部分 （Ground Segment）
– 组成
• 主控站：1个
• 监测站：5个 • 注入站：3个
G P S卫 星
• 通讯与辅助系统
监测站
主控站
注入站
25
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
• 地面监控部分 （Ground Segment）（续）
科罗拉多
阿松森群岛（大西洋）
迭戈加西亚（印度洋）
全球导航卫星系统概述
1
本次培训主要内容
1. 卫星导航定位原理 2. GPS的系统组成 3. 卫星导航信号传输体制 4. 国内外主要卫星导航系统 5. 卫星导航系统应用 6. 卫星导航接收机工作原理
2
身边的卫星导航系统
• 车载导航仪
3
身边的卫星导航系统
• 手持导航仪
4
1. 卫星导航定位原理
已知一颗卫星的位置和接收器到它的距离，就 可以确定接收器在一个球面上。
43
3、卫星导航信号传输体制
——卫星（导航）电文
• 第二数据块
– 第2、3子帧的第3~10个字 – 内容
• 该发送信号卫星的星历 － 广播星历 – 星历参数 M0, n, e, a, 0,i0,, ,i,Cuc,Cus ,Crc ,Crs ,Cic ,Cis ,toe, AODE
44
3、卫星导航信号传输体制
参数、卫星状态信息及其它信息 • 基本结构
41
3、卫星导航信号传输体制
——卫星（导航）电文 • 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
• 交接字（HOW – Hand Over Word）
– 每一子帧的第2个字 – 主要内容：Z计数
42
10
1. 卫星导航定位原理
• 理想定位模型
11
1. 卫星导航定位原理
• 实际定位模型
12
1. 卫星导航定位原理
• 实际定位模型
13
2. GPS的系统组成
• GPS系统由三部分组成
– 空间部分 – 地面控制部分 – 用户设备部分
14
这三部分有各自 独立的功能和作 用，对于整个全 球定位系统来说， 它们都是不可缺 少的。
3、卫星导航信号传输体制
——概述
• 信号传输体制的内涵
– 多路接入方式：TDMA、FDMA和CDMA – 信号调制体制：BPSK、QPSK和BOC等 – 导航伪码信号：C码和P码 – 导航电文
34
3、卫星导航信号传输体制
——概述
• GPS卫星信号的组成部分
– 载波（Carrier）
• L1 • L2
fL2 120 f0 1227.60MHz; L2 24.42 cm
C / A码码率 f0 10 1.023MHz; P码码率 f0 10.23MHz; 卫星（导航）电文码率 f0 20460000 50Hz
36
3、卫星导航信号传输体制
——载波
• 作用
L1
– 搭载其它调制信号 – 测距
• P（Y）码（Precise Code） – 精码；码率：10.23MHz；周期：7 天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被 调制在L1和L2上
– 现代化后
• 在L2上调制C/A码 • 在L1和L2增加调制M码
40
3、卫星导航信号传输体制
——卫星（导航）电文 • 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟
– 设计星座：21+3 – 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 – 保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以
上，能够同时观测到4颗以上卫星 – 当前星座：28颗
17
2. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
18
2. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
• GPS卫星的地面轨迹
19
2. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
2. GPS的系统组成 ——GPS的用户部分
• 组成
– 用户 – 接收设备
• 接收设备
– GPS信号接收机 – 其它仪器设备
32
2. GPS的系统组成 ——GPS的用户部分
u用户部分组成 GPS信号接收机及相关设备 uGPS接收机 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备 uGPS接收机的组成 天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源 uGPS接收机的作用 接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定 位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作
监测站
主控站
调制解调器
数据 处理机
高功率 放大器
指令发生器
数据存储器和外部设备 注入站
2. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分
负责监控全球定位系统的工作： u监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道 运行 u跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由 卫星通过导航电文发送给用户 u保持各颗卫星的时间同步 u必要时对卫星进行调度