GPS系统组成及信号解析
第 3 讲 GPS定位系统组成及导航电文结构分解
（ 第 3数 据 块 ）
(300bits)
(300bits)
(300bits)
(300bits)
(300bits)
(300bits)
第1字 遥测字
第2字 交接字
...
第10字
第1字
第2字
(30bits) 遥测字 交接字
...
第10字
(30bits)
...
(30bits) (30bits)
(30bits) (30bits)
铯原子钟
计算机
2块7m2的太阳能翼板
无线电收发两用机
导航荷载（接收数据，发 射测距和导航数据）
姿态控制和太阳能板指向 系统
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 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。
（5）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫 星的姿态和启用备用卫星。
2、地面监控部分
科罗拉多•斯必灵 司
55
夏威夷
阿松森
迭哥•伽西亚
卡瓦加兰
地面监控部分主要包括：一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein)
第二节、GPS卫星信号
导航电文
第1主帧
第2主帧
...
(1500bits)
(1500bits)
第25主帧 (1500bits)
第1子帧 （第1数据块）
GPS全球定位系统组成及信号结构
2、 GPS的地面监控部分
组成
➢ 主控站：1个 ➢ 监测站：5个 ➢ 注入站：3个 ➢ 通讯与辅助
系统
科罗拉多 夏威夷
卡瓦加兰 阿松森群岛 迭哥伽西亚
监控站
注入站
主控站
主控站（1个）
▪ 作用：
管理、协调地面监控系 统各部分的工作；
收集各监测站的数据， 编制导航电文，送往 注入站将卫星星历注入卫星；
1023 • 码元宽度
293.05m • 调制载波
L1
P码 • 码率
10.23MHz • 周期
7天 • 1周期含码元数
6187104000000 • 码元宽度
液晶显示屏
(4) 插卡处 (5)通讯电缆接口，5针孔 (6) 通讯/USB接口，7针孔 (7)充电器/外接电源接口，4针孔
§3.2 GPS卫星信号结构
GPS卫星发射的信号由三部分组成 ➢ 载波 ➢ 测距码 ➢ 导航电文
1、载波
类型
➢ 目前
L1 – 频率：154f0 = 1575.43MHz；波长19.03cm L2 – 频率：120f0 = 1227.60MHz；波长24.42cm
＋1
0
t
2、测距码
类型
➢ 目前
• C/A码（Coarse/Acquisition Code）– 粗码/捕获码； • P（Y）码（Precise Code）– 精码；
➢ 现代化后
• 在L2上调制C/A码 • 在L1和L2增加调制M码
C/A码 • 码率
1.023MHz； • 周期
1ms • 1周期含码元数
手簿、事件 标记或电脑
外接电源、电脑、 1PPS或事件
外接无线电、电 源、基准站电台
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导航定位原理以及定位解算算法
GPS导航定位原理以及定位解算算法全球定位系统（GPS）是一种基于卫星导航的定位技术。
其基本原理是通过接收来自卫星系统的信号，并利用这些信号的时间差来计算接收器与卫星之间的距离，进而确定接收器的位置。
GPS定位原理：1.卫星信号发射：GPS系统由一组运行在地球轨道上的卫星组成。
这些卫星通过周期性地广播信号来与地面上的GPS接收器进行通信。
2.接收器接收信号：GPS接收器接收来自卫星的信号，一般至少需要接收到4颗卫星的信号才能进行定位。
3.信号延迟计算：GPS接收器通过测量信号从卫星发射到接收器接收的时间来计算信号的传播延迟，然后将延迟转换为距离。
4.距离计算：GPS接收器通过比较接收的信号与预先知道的卫星发射信号之间的时间差，进而计算出接收器与卫星之间的距离。
5.定位解算：通过同时计算接收器与多颗卫星之间的距离，可以确定接收器所在的位置。
这一过程通常使用三角测量或者多路径等算法来完成。
GPS定位解算算法：1.平面三角测量：这是一种常用的定位解算算法。
通过测量接收器与至少三颗卫星之间的距离，可以得到三个方程，从而确定接收器的位置。
2.弧长法：这一算法通过测量接收器与至少四颗卫星之间的距离，将每个卫星看作是一个弧线，然后通过计算不同卫星间弧线的交点来确定接收器的位置。
3.最小二乘法：这种算法将测量误差最小化，通过最小二乘法来计算接收器与卫星之间的距离和接收器的位置。
4.系统解算：该算法利用多个时间点上的观测数据，通过组合计算来减小误差，精确确定接收器的位置。
GPS定位解算算法根据具体的应用场景和精度要求有所不同，不同的算法有着各自的优缺点。
在实际应用中，通常结合多种算法进行定位，以提高精度。
同时，还可以通过使用差分GPS（DGPS）来消除大气延迟和接收器误差，进一步提高定位精度。
总结：GPS导航定位原理基于卫星信号的接收和测量，通过计算信号传播的时间差来确定接收器与卫星之间的距离，并通过不同的算法进行定位解算。
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。
全球四大卫星定位系统
全球四大卫星导航系统简介一、美国的GPS系统:美国的GPS系统,由24颗(3颗为备用卫星)在轨卫星组成。
GPS的信号有两种C/A码,P码。
民用:C/A码的误差是29.3m到2.93米。
一般的接收机利用C/A码计算定位。
美国在90代中期为了自身的安全考虑,在信号上加入了SA(Selective Availability),令接收机的误差增大,到100米左右。
在2000年5月2日,SA取消,所以,咱们现在的GPS精度应该能在20米以内。
军用:P码的误差为2.93米到0.293米是C/A码的十分之一。
但是P码只能美国军方使用,AS(Anti-Spoofing),是在P码上加上的干扰信号。
二、中国的“北斗”卫星导航定位系统:“北斗”卫星导航定位系统需要发射35颗卫星,足足要比GPS多出11颗。
按照规划,“北斗”卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,采用“东方红”-3号卫星平台。
30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成,27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上,轨道高度21500公里。
“北斗”卫星导航定位系统将提供开放服务和授权服务。
开放服务在服务区免费提供定位,测速和授时服务,定位精度为10米,授时精度为50纳秒,测速精度为0.2米/秒。
授权服务则是军事用途的马甲,将向授权用户提供更安全与更高精度的定位,测速,授时服务,外加继承自北斗试验系统的通信服务功能,精度可以达到重点地区水平10米,高程10米,其他大部分地区水平20米,高程20米;测速精度优于0.2米/秒。
这和美国GPS的水平是差不多的。
另外,“北斗一号”还可以提供用户的双向通讯功能,用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。
通过“北斗”系统,用户一次最多可以传输120个字符【汉字】。
在国产的GPS——“北斗二号”投入使用后,会不会取代GPS呢?曹冲研究员的答案是否定的。
《GPS 组成及其工作原理》 讲义
《GPS 组成及其工作原理》讲义一、GPS 系统简介全球定位系统（Global Positioning System，简称 GPS）是一种基于卫星的导航系统，它能够为全球范围内的用户提供精确的位置、速度和时间信息。
GPS 系统最初是由美国国防部开发的，如今已经广泛应用于民用领域，如汽车导航、手机定位、航空航海等。
二、GPS 系统的组成GPS 系统主要由三大部分组成：空间部分、地面控制部分和用户设备部分。
1、空间部分GPS 卫星星座是空间部分的核心，由 24 颗卫星组成，其中 21 颗工作卫星，3 颗备用卫星。
这些卫星分布在 6 个轨道平面上，轨道倾角为55 度，平均高度约为 20200 千米，运行周期约为 11 小时 58 分钟。
每颗卫星都持续向地面发送包含其位置、时间和其他相关信息的无线电信号。
2、地面控制部分地面控制部分包括一个主控站、五个监测站和三个注入站。
主控站位于美国科罗拉多州的猎鹰空军基地，它负责收集、处理和分析来自监测站的数据，并计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将这些信息发送给注入站。
监测站分布在美国本土及海外的一些地区，它们负责监测卫星的运行状态，并将数据发送给主控站。
注入站则负责将主控站计算出的卫星导航信息注入到卫星中，以确保卫星能够准确地发送导航信号。
3、用户设备部分用户设备部分是指各种能够接收和处理 GPS 信号的设备，如车载导航仪、手持 GPS 接收机、手机内置的 GPS 模块等。
用户设备通过接收来自多颗卫星的信号，并根据这些信号计算出自己的位置、速度和时间等信息。
三、GPS 工作原理GPS 系统的工作原理基于三角测量原理。
用户设备通过接收来自至少四颗卫星的信号，测量这些信号的传播时间，从而计算出自己与每颗卫星之间的距离。
由于卫星的位置是已知的，通过测量与多颗卫星的距离，用户设备就可以利用三角测量的方法确定自己在地球上的位置。
具体来说，GPS 信号是一种包含卫星位置、时间和其他相关信息的无线电波。
第三章GPS系统的组成与GPS信号 第二节卫星的运行及其轨道
于是
c osV a（c os E e） r
将上式代入轨道方程（3-3），则得
r a（1 e cosE）
（3-9） （3-10）
由式（3-9）和式（3-10）可得真近点角与偏近点角之关系：
c osV c os E e 1 e c os E
sin V
1 e2
s in
E
1 e c os E
确定椭圆的形状和大小至少需要两个参数，即轨道椭 圆长半径和轨道椭圆偏心率。
GPS测量定位技术
二、卫星运行的轨道
这里仅将最为适宜的一组轨道参数的符号和含义介绍如下。
轨道椭圆长半径 ，a 轨道椭圆偏心率 。e 和a 共e同确定了椭圆的形状 和大小，其它的几何参数都可以由 和 a推导出e 来。
升交点赤经 ，升交点即是卫星由南向北的运行轨道与地球赤道面的 交点。而升交点赤经就是升交点与春分点所对应的地心夹角。轨道面 倾角i ，即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。这两个参数，唯 一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。
卫星在运行中，除主要受到地球中心引力的作用外，还将 受到其它各种摄动力的影响，从而引起轨道的摄动。在摄动力 加速度的影响下，卫星运行的开普勒轨道参数，不再保持常数 而变为时间的函数。理论分析表明，影响卫星运动的摄动力主 要是地球引力场摄动力的影响、日月引力的影响和太阳光压的 影响。
GPS测量定位技术
二、卫星运行的轨道
M 0称为平近点角，它是一个假设量。如果卫星通过近地点的时刻
为
t
。观测瞬间的时刻为
0
，t 卫星运行的平均角速度为
，n 则平近点角
由下式定义：
M0
n（t
t
）
0
（3-7）
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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
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。
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） 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
监控站
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。
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
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 •类型台铷钟）、信号生成与发射装置
(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
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：
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；
• 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
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）。
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
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
接收单元 –信号通道 –存储器 –微处理器 –输入输出设备 –电源
天线单元 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
单极天线 微带天线
四丝螺旋天线 背腔平面盘旋天线
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
(3)混合型接收机
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。
(4)干涉型接收机
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
(1) 多通道接收机 (2) 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
码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距 观测值。
(2)平方型接收机
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。
注入站/监控站
注入站/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。
空间螺旋天线
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