GPS原理及其应用 (四)

第二章 全球定位系统的组成及信号结构 §2.2 GPS卫星的信号结构

全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构

概述 GPS卫星信号的组成部分 GPS卫星信号的生成 载波（Carrier） 测距码（Ranging Code） L1 L2 测距码（Ranging Code） C/A码（目前只被调制在L1上） P(Y)码（被分别调制在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

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 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星的基准频率 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

载波① 作用 类型 搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移 目前 现代化后 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 载波 载波① 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： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 – 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm 现代化后 增加L5 – 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm

载波② 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 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 载波 载波② 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）

测距码① 作用 性质 测距 为伪随机噪声码（PRN － Pseudo Random Noise） 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 测距码 测距码① 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或1/n（n为码元数） 对齐的同一组码间的相关系数为1

全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 测距码 测距码② 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 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

卫星（导航）电文① 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息 基本结构 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文 卫星（导航）电文① 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息 基本结构

全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文 卫星（导航）电文② 基本内容

卫星（导航）电文③ 遥测字（TLM – Telemetry Word） 交接字（HOW – Hand Over Word） 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文 卫星（导航）电文③ 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

卫星（导航）电文④ 第一数据块 第1子帧的第3~10个字 内容： WN – GPS周 L2所调制测距码标识符 – “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码 传输参数N – URA TGD – 信号在卫星内部的时延 星钟数据龄期AODC 星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）

卫星（导航）电文⑤ 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 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文 卫星（导航）电文⑤ 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

卫星（导航）电文⑥ 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 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文 卫星（导航）电文⑥ 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

全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解 星历参数详解①

全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解 星历参数详解②

全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解 星历参数详解③

全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解 星历参数详解④

卫星信号的调制① 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 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星信号的调制 卫星信号的调制① 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

卫星信号的调制② 二进制信号的相位调制 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星信号的调制 调相PM 注：其它调制方式 调相PM 调频FM 调幅AM

卫星信号的调制③ GPS卫星信号的调制 示意图 卫星信号的调制原理

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置① 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算 GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置① 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 轨道参数 轨道平面坐标系

全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置③ 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算 GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置③ 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

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置④ 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算 GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置④ 计算过程（续） 计算真近点角 计算升交距角（未经改正的） 计算卫星向径

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑤ 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算 GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑤ 计算过程（续） 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

GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑥ 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算 GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置⑥ 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

GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算 GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置 精密星历 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 * 2004 1 15 0 0 0.00000000 P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285 P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064 P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932 P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805 P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888 P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584 P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094 P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428

GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置 全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算 GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置 任意时刻t卫星位置的计算 原理：插值法 方法：拉格朗日插值法等