21GPS系统组成与信号结构
GNSS系统概述
——四大全球卫星导航系统概述一、GPS系统二、GLONASS系统三、伽利略系统四、北斗系统俄罗斯GLONASS中国北斗美国GPS欧盟伽利略一、全球定位系统（GPS）1、GPS的演进与发展2、系统组成3、信号结构4、导航电文5、美国的GPS政策世界上第一个成功运行卫星导航系统：美国海军导航卫星系统(NNSS)，亦称子午仪(Transit)系统。
1964年投入使用。
该系统基于多普勒频移原理实现定位，不能连续定位，且定位时间长，精度低。
70年代，与苏联军备竞赛（冷战）升级，美军需要在全球范围内连续、实时、精确导航。
GPS正是在这种背景下应运而生的。
1973年4月，美国DOD批准研究创建全球定位系统（GPS）。
美国海军是卫星导航试验的先驱◦首先从原理上改进子午仪系统，提出了用伪码测距来代替多普勒测速的构想。
海军在NOVA卫星上试验了伪码测距技术。
◦1967年、1969年和1974年相继发射了3颗中高度蒂麻森(TIMATION)卫星，用铯原子钟代替石英钟获得成功，又于1977年发射了两颗导航技术卫星NTS-2和NTS-3(GPS系统的第一颗卫星)。
◦GPS系统时的标准是美国海军天文台的铯原子频标组。
❝第一阶段：可行性研究（1973-1978）◦利用安装在地面的信号发射器代替卫星，通过大量实验证实GPS接收机能够精确定位；◦并发射GPS试验卫星。
❝第二阶段：系统试验研究，部分可用（1979-1984）◦特许用户获得全球二维定位功能。
❝第三阶段：应用研究，密集发射，全球可用（1985-1995）◦建成完整星座；◦全球民用免费；◦进入全面运行能力（FOC，Full Operational Capability ）状态。
❝BLOCK I ❝BLOCK II ❝BLOCK IIAGPS设计有两种工作能力：◦初始工作能力(IOC, Initial operating capability)和军用完全工作能力(FOC, Final Operating Capability)。
二、GPS系统的组成及信号结构
地面监控部分 通信和辅助系统 通信和辅助系统是指地面监控系统中负责数据传输以及提 供其他辅助服务的机构和设施，全球定位系统的通信系统 供其他辅助服务的机构和设施， 由地面通信线，海底电缆及卫星通信等联合组成，此外， 由地面通信线，海底电缆及卫星通信等联合组成，此外， 美国国防制图局将提供有关极移和地球自转的数据以及各 监测站的精确地心坐标， 监测站的精确地心坐标，美国海军天文台将提供精确的时 间信息。 间信息。
2、GPS卫星的信号结构 GPS卫星的信号结构 测距码 测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码,GPS 测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码,GPS 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码(PRN) 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码(PRN) 粗码（ C/A码 A 、粗码（ C/A码)
用户部分 接收机、 组成：GPS接收机 气象仪器、计算机、 组成：GPS接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器 设成。 设成。
接收机按用途分导航型、测量型、授时型。 接收机按用途分导航型、测量型、授时型。 按接收的卫星信号频率分单频型、双频型。 按接收的卫星信号频率分单频型、双频型。 按接收的卫星类型分单星、 按接收的卫星类型分单星、多星
用户部分
GPS接收机：天线单元，信号处理部分， GPS接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和电源 接收机 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高， 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰 性强。GPS天线分为单极天线 微带天线、锥型天线等。 天线分为单极天线、 性强。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。 信号处理部分： GPS接收机的核心部分， 信号处理部分：是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号 接收机的核心部分 处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文， 处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪 距定位结果。 距定位结果。 记录装置 : 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡 电源: 分为外接和内接电池（12V）， ），机内还有一锂电池 电源: 分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池
GPS复习题
GPS复习题gps系统的组成：空间部分(21颗工作卫星，3颗备用卫星)、地面控制部分（1个主控站，3个注入站，5个监测站）、用户装置部分（接收gps卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。
）gps系统的特点：1、全球，全天候工作2、定位精度高：3、定位时间短、操作便捷、可以实现实时定位。
4、抗干扰能力强。
5、功能多，应用广6、能为高动态平台提供服务。
7、可独立使用；8、卫星轨道高、周期长。
空间定位的基本原理：原产在地球飞过的多颗导航系统卫星，不停地升空无线电信号，空间定位系统接收机发送这些信号，导航仪根据星历表信息求出每颗卫星升空信号时在太空中的边线，排序卫星升空信号的准确时间，然后根据未知的空间定位卫星的瞬时座标和信号抵达该点时间，通过排序，求出卫星至空间定位系统接收机之间的几何距离，在此基础上排序出来用户接收机天线所对应的点位，即为观测站的边线。
为什么需要四课卫星？从理论上讲，知道三颗卫星至观测站之间的几何距离，并利用gps接收机收到的这三颗卫星的导航信号推算出的卫星瞬时坐标，就可以计算出观测站的位置。
方法是，分别以三颗卫星的瞬时坐标为球心，卫星至观测站之间的距离为半径，作出三个球面，三个球面的交点就是观测站在空间中的位置。
由于一般gps接收机安装的是非精密钟，接收到的时间存在误差，故计算出卫星与用户之间的距离有误差（称为伪距），因此需要利用第四颗卫星进行时间上的纠正，以保证时间上同步。
天球：以地心为球心，以任意长为半径的球面天轴：地球自转轴的延伸直线天极：天轴与天球面的交点pn和ps。
天球赤道面：过球心且与天轴垂直的平面。
黄道面：地球太阳轨道所在平面，与赤道面夹角为23.5°。
春分点：太阳从南半球向北半球运行时，黄道与赤道的交点。
岁差：假设月球轨道紧固，北天极沿圆形轨道拖北黄极的运动叫做岁差章动：由月球轨道变化引起的北天极沿椭圆形轨道运动叫章动平北天极：不考虑章动的北天极。
GPS系统的组成及信号格式(1)
1 1 10 1 10
1 1 1 1 1 SL （ t） B P P（ t）D（ t） cos （L t L ）
GPS系统的组成
1.1 地面监控站的分布
GPS系统的组成
1.2 监控系统的作用
主控站又称联合空间执行中心（CSOC），它的任务主要有： （1）采集数据，推算编制导航电文。主控站的大型电子计算机采 集本站和5个观测站的所有观测资料，根据收集到数据，推算各卫 星的星历、卫星钟差改正数、状态数据以及大气改正数。 （2）给定全球定位系统时间基准。GPS的监测站和各个卫星上都 有自己的原子钟，他们与主控站的原子钟并不同步，全球定位系 统中以主控站的原子钟为基准，测出其他星钟和监测站站钟对于 基准钟的钟差，并将这些钟差信息编辑到导航电文中，传入到注 入站，转发至各卫星。 （3）协调并管理所有地面监测站和注入站系统，诊断所有地面支 撑系统和天空卫星的健康状况。 （4）调整卫星运动状态，启动备用卫星。
GPS系统的组成和信号格式
GPS系统的组成
GPS定位系统包括三大组成部分: 1.地面监控部分； 2.空间卫星部分；
3.用户接收部分。
GPS系统的组成
1.1 地面监控站的分布
GPS工作卫星的地面监测部分由一个主控站,三 个注入站和（Colorado Spings）的联合空间执行中心 CSOC ；三个注入站 分别设在大西洋的阿森松（Ascension），印度洋的 狄哥.伽西亚（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加兰 (Kwajalein) 三个美国空军基地上；五个监测站， 除一个单独在夏威夷外，其余四个都分设在主控站 和注入站上。
GPS系统应用基础必学知识点
GPS系统应用基础必学知识点1. GPS的原理：GPS系统由一组在地球上运行的卫星和接收器组成。
卫星传输位置和时间信息，接收器收集卫星信号并计算接收器与卫星之间的距离，进而确定接收器的位置。
2. GPS的基本结构：GPS系统由24颗工作卫星、地球上的控制站和用户接收器组成。
每颗卫星都维持精确的轨道，通过射频信号与控制站保持通信。
3. GPS的工作原理：GPS接收器通过接收来自至少4颗卫星的信号，并计算出与每颗卫星的距离，利用三角测量原理确定接收器的位置。
接收器还通过测量信号的传播时间来确定接收器与卫星之间的距离。
4. GPS的定位精度：GPS的定位精度取决于接收器的技术水平和接收到的卫星数量。
较高级别的GPS接收器通常具有更高的精度，同时接收到的卫星数量也影响精度。
5. GPS的应用：GPS系统广泛应用于航空导航、车辆定位、地理信息系统（GIS）、户外活动、勘测和地图制作等领域。
它还被用于船舶导航、农业、气象预报和科学研究等领域。
6. GPS接收器的选择：在选择GPS接收器时，需要考虑接收器的性能、价格和所需的功能。
接收器可以有不同的定位精度、屏幕大小、电池寿命和导航功能等。
7. GPS错误和修正：GPS定位可能受到信号阻塞、多径效应、大气延迟等因素的影响，导致定位误差。
为了减少这些误差，需要进行误差修正，如差分GPS技术和增强型GPS技术。
8. GPS的未来发展：GPS技术在不断发展，包括提高精度、增加卫星数量、增强导航功能和对农业、交通等领域的应用。
此外，与其他导航系统的整合也是未来的趋势。
GPS系统组成
一.GPS—卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分系统包括三大部分：空间部分GPS——GPS信号接收机。
GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。
每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。
在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。
这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS 卫星。
位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。
在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。
这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。
对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做间隙段。
但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续“”实时牡己蕉ㄎ徊饬俊?GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。
地面监控系统卫星是一动态已知点。
星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其对于导航定位来说，GPS—轨道的的参数算得的。
每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。
卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。
地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。
这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求—出钟差。
然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。
GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
GPS信号接收机GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。
第三章GPS系统的组成与GPS信号 第四节GPS卫星信号
第三章 GPS系统的组成与GPS信号
•学习目标 •第一节 GPS定位系统的组成 •第二节 卫星的运行及其轨道 •第三节 卫星的星历与卫星位置计算 •第四节 GPS卫星信号 •第五节 GPS信号的接收 •本章小结 •思考题与习题
GPS测量定位技术
第三章 GPS系统的组成与GPS信号
3.数据码（D码）
数据码即导航电文，它包含着卫星的星历、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、由C/A码捕 获P码的信息等。
导航电文亦是二进制数码，依规定的格式组成，按帧向外播送， 每帧电文的长度为1500bit，播送速率为50bit/s。
GPS测量定位技术
二、GPS信号的结构
GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码）均属于伪随机码 （PRN），这种二进制的数码序列不仅具有良好的自相关特性，而且又是一 种结构确定，可以复制的周期性序列。
（1）C/A码
C/A码的码长较短，易于捕获，但码元宽度较大，测距精度较低，所以 C/A码又称为捕获码或粗码。
C/A码的码长 ； Nu 210 1 1023 bit
GPS测量定位技术
五、导航电文
GPS卫星的导航电文主要包括
卫星星历、时钟改正、电离层时
延改正、工作状态和C/A码转换到
捕获P码的信息。将这些信息以数
据，即以二进制码的形式向用户
发送，所以导航电文又称为数据
码，即D码。D码的基本单位是包
含1500比特的一个主帧，如右图
所示，其传播速率为50bit/s。一
GPS测量定位技术
第四节 GPS卫星信号
一、GPS卫星信号的内容
图3-9 GPS信号的产生
GPS全球卫星定位系统
2018/2/22
13
组成星际站际两次差分观测值
Si
i i
Sl
Pk Pj
l
Pj
Pk
l
Pj
•可以消去卫星钟的系统偏差 •可以消去接收机时钟的误差
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Pk
•可以消去轨道（星历）误差的影响 •可以削弱大气折射对观测值的影响
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15
弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系
m 1.00 精 度 0.10 0.01
经典静态定位 快速静态定位 •
整周未知数确定后 整周未知数确定前
0 0
30 2
80 5
时间（分）
如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于±1m
•
• •
随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高
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空间大地坐标系
空间大地坐标系是采用大 地经、纬度和大地高来描 述空间位置的。纬度是空 间的点与参考椭球面的法 线与赤道面的夹角，经度 是空间中的点与参考椭球 的自转轴所在的面与参考 椭球的起始子午面的夹角， 大地高是空间点沿参考椭 球的法线方向到参考椭球 面的距离。
2018/2/22
2018/2/22
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4. 其它 GPS 控制部分人为或计算机造成的 影响 由于GPS 控制部分的问题或用户在 进行数据处理时引入的误差等。 数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结 果的影响。
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坐标系、基准和坐标系统
测量的基本任务就是确定物体在空 间中的位置、姿态及其运动轨迹。 而对这些特征的描述都是建立在某 一个特定的空间框架和时间框架之 上的。所谓空间框架就是我们常说 的坐标系统，而时间框架就是我们 常说的时间系统。
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N
)
S-信号平均功率。
N-噪声功率。 信道容量一定的情况下，信道带宽高，则信噪比低。 提高信道带宽，可以允许小功率发射有用信号。
C/A码与P码的产生——源于M序列
C/A码是一种G码,G码由M序列产生。 M序列：最大长度伪随机二进制序列
电平＋1代表逻辑0，电平－1代表逻辑1 产生：由带反馈通道的n级移位寄存器生成 每个带反馈通道的n级移位寄存器都能生成一个二进制序列，但不一
2）适应扩频，传输宽带信号。 3）大气衰减小，有益于研制用户设备。
大气衰减与电磁波波长有关：0.25cm,0.5cm 氧气谐振吸收，
0.18cm,1.25cm水蒸气谐振吸收。
使用扩频码传输数据
降低对系统信噪比的要求。
C B log2 (1 S
C- 信道容量。 B-信道带宽。
10 1023 60
组内个数不多
该组内的M序列两两互相关函数比其它序列的互相关函数绝对值的最
大值小。
M序列的特点
编码确定(知道生成器的结构即可) 长度 2 n 1 自相关函数
1 Ruu ( ) lim T T
T
0
u (t )u (t )dt
M序列自相关函数
21 GPS系统组成与 信号结构
控制理论与制导技术研 究中心
GPS信号特性
GPS卫星发射的信号包括载波、扩频码、导航电文三部分。 载波频率有2个：
L1: 频率1575.42M Hz; 波长：19.03cm L2: 频率1227.6MHz; 波长：24.42cm 原因：有助于消除电离层引起的延迟误差
定具有最大长度。 只有某些特定的反馈才能生成最大长度的序列。 n级移位寄存器能表示的数有 2 n 个，去掉全0，有 2 n 1 个，因此最 大长度是 N p 2 n 1
CLK
1
2
3
4
CLK
M序列的产生
1 2 3 4
clk 1 2 3 4 5
1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0
卫星自近地点以平均角速度运行到某时刻，其矢径扫
过的角度。
偏近点角真近点角和矢径
夹角PO’S’称为偏近点角(eccentric anomaly)，记 为E
r a(1 e cos E ) E=M+esinE S’ 夹角POS称为真近点角(true anomaly)， 矢径 记为f S
子帧的结构
每个子帧的第1个字为遥测字TLM，作为导航数据 前导，标志子帧的开始。包括：同步码、操作控制 区段注入数--捕获信息的前导 9～22bit----遥测电文：操作控制区段注入数据时的状态、
诊断和其它信息，指示用户是否使用该星 23、24bit----无意义 25～30----奇偶校验
1.5
1 time/s
1.2
1.4
1.6
1.8 x 10
2
-9
-1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 time/s
1.2
1.4
1.6
1.8 x 10
2
-9
1.5
1
1
0.5
P码调制数据 C/A码调制数据
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 time/s 1.2 1.4 1.6 1.8 x 10 2
-9
电离层修正延迟数据
数据块——2
第2、3子帧的第3～10个字为数据块——2 其内容为卫星星历( ephemeris )和龄期AODE。 星历：精确描述天体（如GPS卫星）位置的以时间为变量的函数 的一组参数。如对轨道描述：轨道倾角、偏心率、半长轴平方根、 星历参考时间等。 龄期：星历数据校正后，只能在不长的时间内使用，如果星历过 旧，则精度下降。龄期就是提供这种信息的。
G码
两个长度相同、互相关函数极大值最小的m序列逐位模2相加构成。 n n级移位寄存器构成的m序列长度 N 2 1 ，两个长度为N的m序列
模2相加得到的G码长度为N，其中一个m序列相位移动N次，就可得 到N个这样的G码。
C/A码的产生
两个10级反馈移位寄存器产生的G码。每星期日子夜零点，寄存器全
置1。 码长：1023bit 码元宽度：0.97752微秒，对应空间传播距离293.1m C/A码周期1ms 通过搜索方法捕获，其上的电文可以辅助捕获P码，又称捕获码 用于测距，因此又称测距码
f1 ( x) 1 x3 x10
f 2 ( x) 1 x 2 x3 x6 x8 x9 x10
轨道平面
降交点
赤道
r
面
地心 o Y 升交点
春分点 X 轨道椭圆中心
远地点
6个轨道根数及其意义
卫星的位置是通过6个轨道根数（轨道参数） 和当前时间实时计算出来的。
轨道平面倾角 升交点赤经 椭圆轨道半长轴 椭圆轨道偏心率 近地点角距 平近点角
i Ω a e ω M
矢径
远地点
a
b
O
近地点
mean anomaly
扩频码：伪随机码(PRN)
C/A码：基码速率：
基本频率f0 10.23MHz
1.023MHz，长度1023bit， 周期1ms，码历元对应 293.1m，C/A码周期对应 300km。 P码：基码速率： 10.23MHz，周期7天，无 法象C/A码那样搜索，只能 由C/A码辅助捕获。AS启 动后P码被加密为Y码。
Z 卫星 近地点
轨道平面
轨道平面倾角
i Inclination of orbital plane 春分点
X
降交点
赤道
r
面
地心 o Y 升交点
轨道椭圆中心
远地点
6个轨道根数及其意义
卫星的位置是通过6个轨道根数（轨道参数） 和当前时间实时计算出来的。
Z 卫星 近地点
轨道平面倾角
i 升交点赤经 Ω Right ascension of the ascending node
P码产生
用4个12位的移位寄存器。长度>38个星期。被分为37个独立序列，
在1星期结束时截断。每个序列长6.1871Х1012，重复周期7天。为每 一个序列编号1~37，1~32用于空间区段，33~37保留（如用于同步 卫星、地面基准站）。
X1周期输出 1.5s周期脉冲
每周六午夜零点置初态 X1产生器 X1 P码 10.23MHz X2 X2产生器 产生P码的原理方块图 移位i
时间基准源
10.23MHz
i=0,1,2,……,36
C/A码与P码的特点
用户可以复现
码序列精确已知 自相关函数具有随机序列的特性
C/A码自相关函数
用户可以区分不同卫星信号
互相关函数
导航电文数据结构
每帧电文长度1500bit，播发 速率50bit/s，用时30s 每帧电文被划分为5个子帧 每子帧长度300bit,播发用时6s 每子帧被划分为10个字 每字长度30bit,播发用时0.6s 1、2、3子帧每30s重复一次， 每小时更新一次 4、5子帧各有25页，每30s各 播发1页，750s全部播完
0.5
0
0
-0.5
-0.5
-1
-1
-1.5
-1.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 time/s
1.2
1.4
1.6
1.8 x 10
2
-9
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
1.5
1 0.8 0.6
1
0.4 0.2 0
0.5
-0.2 -0.4
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 time/s 1.2 1.4 1.6 1.8 x 10 2
÷10
L1 1575.42 MHz L2 1227.6 MHz C/A码 1.023 MHz P码10.23 MHz
×154
×120
P码10.23 MHz
导航电文：数据，50 bit/s
50bps
数据码（导航电文，或D码）
2.4 GPS信号特性
L1上调制C/A码导航电文与P码导航电文，L2频率除了调制P码导航电文 外，还可调制C/A码导航电文，或单独调制P码，具体哪种情况由控制区 段选择，并由L1频率上调制的电文加以指示。
GPS发射信号原理图
L1载波
△Φ =90°
C/A码
电文 P码 L2载波
振荡器
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
1 0.8 0.6
L1载频
L1载频
0.4 0.2 0
(相位0°)
0 0.2 0.4 0.6 0.8
(相位90°)
-0.2 -0.4 -0.6 -0.8
M序列的性质
1的个数比0的个数“多1”。
M序列延时了r个码之后与原序列模2相加，得 到的序列为原M序列延时q个码后的序列。
M序列的自相关函数
电压的“×”
u(t )u(t )
M序列的⊕
f ( k ) f ( k r ) f ( k q)
1 T 0的个数 1的个数 1 0 u(t )u(t )dt T Np Np
2 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0