2
§4.1
一．概述
1.
GPS卫星播发的信号
GPS是一种无线电导航系统
① ② 观测量是时间延迟或载波变化周数 GPS信号包含三种成分：数据码（D码）、 测距码（C/A码和P码）、载波信号（L1和 L2）
Global Positioning System
3
§4.1
一．概述
2.
GPS卫星播发的信号
导航电文
Global Positioning System 27
②
§4.5
GPS卫星的导航电文
二．导航电文内容
1. 遥测字
① ② 各子侦的第一个字，作为捕获导航电文的 前导 作用：协助用户快速解译导航电文，判定 卫星可用与否
Global Positioning System
28
§4.5
GPS卫星的导航电文
Global Positioning System
19
§4.4
GPS卫星信号的构成
一．卫星载波信号与调制
1. GPS信号的组成
① ② ③ 数据码（D码、导航电文编码） 测距码（C/A码和P码） 载波（L1和L2）
所有这三种信号分量都是在一个基本频率 f0=10.23MHz的控制下产生的。
Global Positioning System
二．导航电文内容
2. 交接字
① ② 各子侦的第二个字。向用户提供用于捕获P 码的Z计数 作用：快速捕获到P码
Global Positioning System
29
§4.5
3.
GPS卫星的导航电文
二．导航电文内容
第一数据块
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ WN——卫星时间计数器 调制码标识 URA——卫星测距精度 表示导航数据是否正常 TGD——电离层延迟改正参数 AODC——时钟数据龄期 toc——卫星时钟参数对应的参考时刻 卫星钟改正参数
Global Positioning System 17
§4.3
二．P码
1. 产生
C/A码与P码
由两组各有两个12级反馈移位寄存器 结合产生的。
Global Positioning System
18
§4.3
二．P码
2. 基本特性
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
C/A码与P码
是GPS卫星的军用码 码元宽度为C/A码的1/10 时间周期266天9小时45分55.5秒 是L1L2载波的调制信号 不同的卫星具有不同的P码 测距误差0.29~2.93m，精度较高（精码）
Global Positioning System
23
§4.4
GPS卫星信号的构成
一．卫星载波信号与调制
2. 调制
GPS卫星天线发射的信号，是将导航 电文经过两级调制后的信号。一级调制是 将低频D码分别调制高频C/A码和P码，实 现导航电文的伪随机码扩频；二级调制是 将一级调制的组合码再分别调制在两个载 波频率上。
课程名称：全球定位系统
第四章
GPS卫星的导航电文和卫星信号
遥感学院测绘工程系 2009
内容提要
一．GPS卫星播发的信号 二．伪随机码扩频与相关接收 三．C/A码与P码 四．GPS卫星信号的构成 五．GPS卫星的导航电文 六．GPS接收机基本工作原理
Global Positioning System
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§4.2 伪随机码扩频与相关接收
二．伪码测距
2. 基本原理
利用一伪码延时锁相环路，使本地复 制的跟踪码和接收到的伪码在码元上对齐， 也即是在时间上对准，再将跟踪伪码与本 ning System
12
§4.2 伪随机码扩频与相关接收
三．码分多址
20
§4.4
GPS卫星信号的构成
一．卫星载波信号与调制
1.
基准频率
10.23 MHZ 154 120
GPS信号的组成
÷204600
÷10
L1 1575.42 MHZ L2 1227.60 MHZ C/A码 1.023MHZ P码 10.23 MHZ P码 10.23 MHZ GPS卫星信号示意图
2.
产生
C/A码是由两个10级移位寄存器相结 合而产生的
Global Positioning System
16
§4.3
二．C/A码
3. 基本特性
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
C/A码与P码
是GPS卫星的民用伪噪声码 码长1023bit，很短，易于捕获（捕获码） 码元宽度977.517nsec 时间周期1ms，1sec对应长度293Km 不同的卫星具有不同的C/A码 是L1载波的调制信号 测距误差2.93~29.3m，精度较低（粗码）
二．伪随机码
2. 随机码
③
–
– –
随机码特点（良好的自相关特性）
随机码为非周期性码序列，不存在任何编码规 则，因此不能被复制 随机码序列中0和1出现的概率均为1/2 两随机码序列的模2和为0两码元相同；两随机 码序列的模2和为1两码元相异。自相关函数=1 时已对齐； 自相关函数≠1时没有对齐。
④
–
模2和运算
Global Positioning System
22
§4.4
GPS卫星信号的构成
一．卫星载波信号与调制
2. 调制
① ② ③ 调幅：载波振幅随调制信号的变化而变化 调频：载波频率随调制信号的变化而变化 调相：载波相位随调制信号的变化而变化 GPS卫星的伪随机码是利用调相技术 调制到载波上的（与+1相乘，相位不变； 与-1相乘，相位改变180度）
③
Global Positioning System
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§4.5
GPS卫星的导航电文
一．导航电文及其格式
2. 格式
① 导航电文是二进制编码文件，按规定格式 组成数据侦，按侦向外播发。每侦电文 1500bit，播送速度为每秒50bit，所以， 一侦电文的传播时间是30秒。 每侦电文含有5个子侦，每个子侦含有5个 字，每个字为30bit；所以每一子侦共含 300bit，按上述比特率50bit/s速度播发， 每幅子侦需播发6s。
GPS接收机基本工作原理
一．GPS接收机的分类
1. 定义
GPS 接收机是能够接收、跟踪、变换 和测量GPS信号的卫星信号接收设备。
Global Positioning System
33
§4.6
GPS接收机基本工作原理
一．GPS接收机的分类
2. 接收机的分类
① ② ③ ④ 按用途分类：测地型、导航型、授时型 按所用载波频率多少分类：单频、双频 按接收机通道数分类：多通道接收机、序 贯通道接收机、多路多用通道接收机 按工作原理分类：码相关型接收机、平方 型接收机、混合型接收机
测距码是用于测定卫星至接收机间的距离 的二进制码。 GPS卫星采用两种测距码，即C/A码和P码， 它们均属于伪随机码。 C/A码也称粗码，P码也称精码。各卫星所 采用的测距码互不相同且互相正交
Global Positioning System
15
§4.3
二．C/A码
1. 定义
C/A码与P码
C/A码用于分址、搜捕卫星信号和粗 测距，是具有一定抗干扰能力的明码，提 供给民用
三．码分多址
2. 什么叫码分多址
① ② 所谓码分多址，就是针对不同的GPS卫星， 预先指定使用不同结构的伪随机码 特点：每颗卫星的伪噪声码不同，因此可 以按卫星所用伪噪声码不同对卫星进行编 号，即PRN编码
Global Positioning System
14
§4.3
一．概述
① ② ③
C/A码与P码
Global Positioning System 30
§4.5
GPS卫星的导航电文
二．导航电文内容
4. 第二数据块（核心部分，卫星星历）
① ② ③ 开普勒六参数 轨道摄动九参数 时间两参数 数据块包含了计算卫星运行位置的信 息，GPS接收机根据这些参数可以进行实时 的导航定位计算
Global Positioning System
Global Positioning System
24
§4.4
GPS卫星信号的构成
二．卫星信号的解调
重建载波
由于在GPS信号中已用二进制相位调 制的方法在载波上调制了测距码和导航电 文，因此接收到的卫星信号的相位已不再 连续。所以在进行载波相位测量前，首先 要进行解调工作，设法将调制在载波上的 测距码和导航电文去掉，重新恢复载波。 这一工作称为重建载波。
Global Positioning System
25
§4.5
GPS卫星的导航电文
一．导航电文及其格式
1. 定义
① ② 所谓导航电文，是指包含导航信息的数据 码。 导航信息指的是：卫星星历、卫星工作状 态、卫星历书、时间系统、星钟改正参数、 轨道摄动改正参数、大气折射改正参数、 遥测码以及由C/A码确定P码的交换码等。 它是用户利用GPS进行导航定位的数据基础
③ ④
Global Positioning System
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§4.2 伪随机码扩频与相关接收
一．伪码扩频
1. 定义
将原拟发送几十比特速率的导航电文 变换成发送几兆甚至更高比特率的由导航 电文和伪噪声码组成的组合码，称之为伪 随机码扩频，简称伪码扩频
2.
优越性
① ② 保密性强：信号深埋在噪声中，抗干扰 耗电量少：降低了信噪比，节省卫星电能 可以很小的发射功率实现2万公里的定位
Global Positioning System 10
§4.2 伪随机码扩频与相关接收
二．伪码测距
1. 定义
在计算卫星发射信号由卫星到用户的 传播延时时，主要利用了卫星发射信号中 的伪随机码和地面GPS接收机中复制的跟 踪伪码的相关接收技术，故称为伪码测距