第4章 GPS系统组成及信号

本章内容 4.1 GPS的系统组成 4.2 GPS的信号结构 4.3 美国政府GPS政策

4.1 系统组成 GPS的系统组成 GPS的空间部分 用户设备部分

4.1.1 GPS的系统组成 GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成

4.1.2 GPS的空间部分 GPS卫星星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min 保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星 当前星座：28颗

主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置 GPS卫星 作用： 发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置 类型 试验卫星：Block Ⅰ 工作卫星：Block Ⅱ Block Ⅱ Block ⅡA Block ⅡR Block ⅡF（新一代的GPS卫星）

第一代卫星现已停止工作。 第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。Block ⅡA的功能比Block Ⅱ大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。Block Ⅱ只能存储供45天用的导航电文，而Block ⅡA则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。

第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。

Block Ⅰ卫星

Block Ⅱ卫星

Block ⅡR卫星

GPS卫星星座（=35  ，=90）

4.1.3 地面监控部分 GPS的地面控制部分（地面监测系统） 组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个） 4.1.3 地面监控部分 GPS的地面控制部分（地面监测系统） 组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个） 作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。 主控站 监控站 注入站/监控站

地面监控系统工作流程

主控站（1个） 作用： 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态； 通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。

跟踪站（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。

注入站（3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）。

用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备 多数采用石英钟 GPS接收机: 4.1.3 用户设备部分 用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备 多数采用石英钟 GPS接收机: 能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备

1.按接收机的用途分类可分为： (1) 导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。单点实时定位精度较低，一般为±25m,有SA影响时为±100m。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：

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。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。 星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/秒以上，因此对接收机的要求更高。

(2) 测地型接收机 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观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。 (3) 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，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。

2.按接收机的载波频率分类 (1) 单频接收机 (2) 双频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。 (2) 双频接收机 双频接收机可以同时接收Ｌ１，Ｌ２载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。

3.按接收机通道数分类 多通道接收机 序贯通道接收机 (3) 多路多用通道接收机 GPS接收机能同时接收多颗GPS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，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为： 多通道接收机 序贯通道接收机 (3) 多路多用通道接收机

4.按接收机工作原理分类 (1)码相关型接收机 (2)平方型接收机 码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距 观测值。 平方型接收机是利用载波信号的平方技术去 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 (4)干涉型接收机 这种仪器是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。 这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。

天线单元 接收单元（频率维持通常采用石英钟） 接收单元（频率维持通常采用石英钟） 信号通道类型： 多路复用，序惯，多通道；码相关通道，平方通道 存储器 计算与显控 电源

GPS信号接收机 组成 天线单元 带前置放大器 接收天线 天线单元 接收单元 信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源 接收单元

天线单元 类型 单极天线 微带天线 锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线 空间螺旋天线 背腔平面盘旋天线 GPS天线

特点 单极天线 单频获双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单 微带天线 结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛

锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线 – 单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板 空间螺旋天线 – 双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称 背腔平面盘旋天线

天线平均相位中心偏差的消除：归心改正、消去法 天线高 – 标志至平均相位中心所在平面的垂直距离 天线特性 相位中心、增益方式、带宽、极化 H’ H H h R 相位中心 天线的平均相位中心与几何中心 天线平均相位中心的偏差 天线平均相位中心偏差的消除：归心改正、消去法 天线高 – 标志至平均相位中心所在平面的垂直距离

接收（信号）通道 定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。 类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等

存储器 微处理器 作用：数据处理、控制 输入输出设备 电源

基本结构 天线前置放大器 信号处理器 微处理器 电源 振荡器 控制、显示及存储设备

GPS接收机的天线 ——作用 接收来自卫星的信号 放大 经（频率变换） 用于（跟踪、处理、量测）

——天线的相位中心 天线的几何中心与相位中心 几何中心 相位中心 相位中心偏差 天线相位中心的变化 与信号的高度角有关 与信号的方位角有关 相同类型的天线具有相同的相位中心特性

重要的物理与几何特性 天线相位中心 接收钟差 接收机信号通道间的延迟

4.2 GPS的信号结构 载波 导航电文 测距码

4.2.1 码的基本概念 用于导航定位的GPS信号由三部分组成： 载波（L1和L2） 导航电文 测距码（C/A码和P(Y)码）

GPS卫星信号的产生与构成是比较复杂的，考虑了以下几方面的要求: 适应多用户系统的要求 满足实时定位的要求 满足高精度定位的需求 满足军事保密的要求

4.2.2 载波 载波 作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距） 类型 目前 L1：频率：1575.43MHz，波长：19cm L2：频率：1227.60MHz，波长：24cm 现代化后 增加L5：1176.45MHz，波长：26cm

4.2.3 导航电文 方波 码速：50bps 导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。它包含该卫星的星历、工作状况、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正以及由C/A码捕获P码等导航信息，也是由卫星信号中解调出来的数据码D(t)。这些信息以50bit/s的数据流调制在载频上，数据采用不归零制（NRZ）的二进制码。

GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。

它的基本单位是长1500bit的一个主帧（如图4-1所示），传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。

遥测字(TLM—Telemetry Word)，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了—个同步的起点，使用户便于解释电文数据。

交接字(HOW—Hand Over Word），紧接着各子帧开头的遥测字，主要是向用户提供用于捕获P码的Z计数。所谓Z计数是从每星期六／星期日子夜零时起算的时间计数．它表示下一子帧开始瞬间的GPS时。但为了实用方便，Z计数一般表示为从每星期六／星期日子夜零时开始发播的子帧数。因为每一子帧播送延续的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬时即为6x Z。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获P码。

第一数据块，含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。现对其中的主要内容介绍于下： 1．时延差改正Tgd 第7字码的第17—24比特表示载波L1、L2的电离层时延差改正Tgd。当使用单频接收机时，用Tgd改正所观测的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。

2．数据龄期AODC 第3字码的第23、和第24比特,以及第8字码的第1—8比特，均表示卫星时钟的数据龄期AODC。GPS试验卫星的AODC只占8个比特，而GPS工作卫星却扩展到了10个比特。A0DC是时钟改正数的外推时间间隔，它向用户指明对卫星时钟改正数的置信度，且知 AODC＝toc-tl 式中:toc为第一数据块的参考时刻，tl是计算时钟参数所作测量的最后观测时间。

3.星期序号WN。表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。 4.卫星钟改正参数：a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率。当巳知这些参数后，便可按下式计算任意时刻t的钟改正数△t △t＝a0十a1(t—toc)十a2(t—toc)2

第二数据块 包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星坐标位置的信息。描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类。

4.2.4 测距码 方波 伪随机噪声码– PRN码 两种测距码： C/A码 - 粗码 码速：1.023MHz 码元长度：300m 4.2.4 测距码 方波 伪随机噪声码– PRN码 两种测距码： C/A码 - 粗码 码速：1.023MHz 码元长度：300m P(Y)码 - 精码 码速：10.23MHz 码元长度：30m

C/A码 C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的.

码长Nu = 210-1=1023比特 码元宽tu = 1/f1≈0.977752μs(相应距离 为293.1m) 周期Tu = Nu tu = 1ms 数码率=1.023Mbit/s C/A码的码长易于捕获，且通过C/A码提供的信息，又可方便的捕获P码。C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差，为码元宽度的1/100，则相应的测距误差达2.9m，以因此也称粗码。

P码 P码产生的基本原理与C/A码相似，但其发生电路，是采用两种各由两个12级反馈移位寄存器构成的，情况更为复杂。线路设计细节均是保密的。 码长Nu ≈ 2.35*1014比特 码元宽度tu ≈ 0.0977752μs(相应距离 为29.3m) 周期Tu = Nu tu ≈ 267 数码率=10.23Mbit/s

P码周期被分为38部分（7天/每一部分周期，码长约为6. 19 P码周期被分为38部分（7天/每一部分周期，码长约为6.19*1012比特），其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星。这样，每颗卫星所使用的P码不同部分，便都具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的码长较长，无法采用C/A码逐个进行搜索。一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，捕获P码。

由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元的对齐精度仍为码元宽度的1/100，则由此引起的相应距离误差为0 由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元的对齐精度仍为码元宽度的1/100，则由此引起的相应距离误差为0.29m，仅为C/A码的1/10。所以P码定位精度高，故也称为精码。

测距码的调制（双相调制）

4.2.5 GPS信号的生成

模二和 运算规则 二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则

二进制信号的相位调制

GPS卫星信号的调制 框图 卫星信号的调制原理

4.2.6 GPS卫星星历 卫星星历是描述卫星运动轨道的信息,或者说是一组对应于某一时刻的卫星轨道根数及其变率。 预报星历(广播星历) 用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；广播星历可用于GPS实时定位计算，预报星历则可用于在较长的时间周期内对GPS卫星的位置进行预报。 后处理星历(精密星历)

然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标 计算思路 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标 然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标 轨道平面坐标系 轨道参数

计算过程 计算卫星运行的平均角速度 计算t时刻卫星的平近点角 计算偏近点角 计算真近点角

计算过程（续） 计算升交距角（未经改正的） 计算卫星向径 计算摄动改正项 进行摄动改正 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置

计算过程（续） 计算升交点经度 计算卫星在地固坐标系下的坐标

精密星历 – 后处理星历 精密星历的特点 按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差 任意时刻t卫星位置的计算 原理：插值法 方法：拉格朗日插值法

4.3 美国政府的GPS政策 两种GPS服务——SPS与PPS 两种限制导航定位精度的措施 GPS现代化

4.3.1 两种GPS服务——SPS与PPS SPS SPS – 标准定位服务，使用C/A码，民用，精度约为100m PPS PPS – 精密定位服务，可使用P码，军用和得到特许的民间用户使用 ，精度达到10m

4.3.2 两种限制导航定位精度的措施 原则：保障国家利益不受损害 SA Selective Availability – 选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。采用SA政策，规定水平定位精度为100m，垂直测量精度为157m

方法 ε技术：轨道加绕（长周期，慢变化） δ技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化） 已于2000年5月1日取消 AS – Anti-Spoofing 反电子欺骗 – P码加密，P+W->Y

4.3.3 GPS现代化 提高信号质量 在L2上增加C/A码 增加第三民用频率L5 增加2个军用码：M1，M2 局部关闭

思考题 1、GPS由哪几部分组成，各部分的功能是什么？ 2、GPS信号包括哪些成分？ 3、什么是伪随机噪声码，它有什么特性？ 4、采用测距码测距，有哪些优点？ 5、什么是伪距？ 6、GPS的导航电文中包括哪些内容？ 7、什么是GPS接收机，它由哪几部分构成？ 8、什么是信号通道？ 9、什么是SA，什么是AS？