第4章卫星定位接收机原理
第四章 GPS卫星导航电文和卫星信号
第4章GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1 GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）是用户用来定位和导航的数据基础。
它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。
这些信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，卫星电文又叫数据码（D码）。
他的基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。
一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit；第4,5子帧各有25个页面，共37500bit。
第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一次。
第4,5子帧的全部信息则需要750s才能够传送完毕。
即第4、5子帧是12.5min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。
4.1.1 遥测码遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据状态。
遥测码的第1-8bit 是同步码，使用户便于解释导航电文；第9-23bit为遥测电文，其中包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。
第23和第24bit是连接码；第25-30bit为奇偶检验码，它用于发现和纠正错误。
4.1.2 转换码转换码位于每个子帧的第二个字码。
其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。
Z计数实际上是一个时间计数，它以从每星期起始时刻开始播发的D码子帧数为单位，给出了一个子帧开始瞬间的GPS时间。
由于每一子帧持续时间为6s，所以下一个子帧开始的时间为6xZ s，用户可以据此将接收机时钟精确对准GPS时，并快速捕获P码。
4.1.3 第一数据块第1子帧第3-10字码，主要内容：①标识码，时延差改正②星期序号③卫星的健康情况④数据龄期⑤卫星时钟改正系数等。
4.1.4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运动位置的信息。
第四章-GPS定位基本原理
为P 码和W 码，然后再利用P
码来测距
原理
Z跟踪技术
将接收到的L1 和L2 信号分别和接 收机生成的、以P 码信号为基础的 复制信号相关，频带宽度降低到保 密W 码的带宽，从而得到未知的W 码调制信号的估值
应用反向频率信号处理法，将接收 到的信号减去这一W 码的估值， 就可以大部分消除W 码的影响， 进而恢复P 码
在相对定位中，至少其中一点或几个点的位置是已知的， 即其在WGS－84坐标系的坐标为已知，称之为基准点。
相对定位是高精度定位的基本方法
广泛应用于高精度大地控制网、精密工程测量、地球动 力学、地震监测网和导弹和火箭等外弹道测量方面。
动态定位
至少一台接收机处于运动状态，确定各观测时刻运动中 的接收机的绝对或相对位置关系。
GPS系统的定位过程可简述为如下步骤： 跟踪、选择卫星、接收选定卫星的信号。 解读、解算出卫星。 测量得到卫星和用户之间的相对位置。 解算得到用户的最可信赖位置。
“交会法” 定位
已知一颗卫星的位置和接收器到它的距离，就可以确定接收器在一个球面上。 已知两颗卫星的位置和接收器到它们的距离，就可以确定接收器在一个环上。 如果知道三颗卫星的位置和接收器到它们的距离，通常可以确定接收器一定
对于非特需用户, 采用Z 跟踪技术进行PRN 相关处理的积分 时间很短, 导致测量精度降低, 对于其他方式, 由于利用W 码 的近似信息和增加处理环节
导致伪距测量结果的误差增大
原来的高精度P 码在最终的伪距测量结果中并不是总能得到保证
虽然是采用同样的P 码, 由于测量方式和过程不同, 非特需 用户得到的P 码伪距精度低于特需用户的相应结果。
近来基本区分方法
静态：
接收机天线在测量期间静止不动。 测量的参数在测量期间是不随时间变化的。 目的是测量点位的坐标。
GPS定位的基本原理ppt课件
p)
(Nip
p i
)
含有待定点 坐标三个未 知数
整周模糊度，每 观测一个卫星就 有一个未知数
在一个历元，未知数多于方程数，无法求解，需通过多个历元观 测值求解
23
1 基本原理
2 测码伪距 3 载波相位测量 4 卫星坐标
3.2 载波相位测量的观测值
由接收机 瞬间测得 的不足一 周的部分
mT 0 qTT 0TDOP
TDOP qTT
18
1 基本原理
2 测码伪距 3 载波相位测量 4 卫星坐标
2.4 伪距绝对定位精度评价（续）
3、几何精度因子GDOP 综合考虑空间位置及钟差对定位结果的影响，可用几何精度因子
GDOP
GDOP qXX qYY qZZ qTT PDOP2 TDOP2
第四章 GPS定位的基本原理
1
1 基本原理 2 测码伪距
3 载波测相伪距 4 卫星坐标
GPS工作的基本原理 – 距离后方交会
已知点：GPS卫星 待定点：接收机（天线）
2
1 基本原理 2 测码伪距
3 载波测相伪距 4 卫星坐标
卫星的位置
卫星至测站的距离 信号的捕获及定位计算
3
1 基本原理 2 测码伪距
12
1 基本原理
2 测码伪距 3 载波相位测量 4 卫星坐标
2.3 伪距绝对定位原理（续）
在测站点的近似值Xi0、 Yi0、 Zi0处泰勒级数展开，取一阶项
/ip0＋vip0
p i0
aip
Xi
bipYi
cip Zi
c ti
gps接收机原理
gps接收机原理GPS接收机是一种能够接收并解析全球定位系统（GPS）信号的设备。
它的原理基于卫星导航技术，利用卫星信号来计算接收机的位置。
本文将详细介绍GPS接收机的原理和工作方式。
GPS接收机的原理可以分为信号接收和信号解析两个部分。
首先，接收机通过天线接收来自GPS卫星的信号。
这些信号包含了卫星的位置信息、时间信息和导航数据。
天线将接收到的信号传输给接收机内部的射频前端模块。
射频前端模块负责放大和滤波接收到的信号，以便进一步处理。
接着，信号会经过频率混频器进行频率转换，将高频信号转换为中频信号。
然后，中频信号通过模数转换器转换为数字信号，进入接收机的数字信号处理模块。
在数字信号处理模块中，接收机会根据卫星发射的导航数据来计算接收机的位置。
导航数据包含了卫星的位置、时钟校正和其他辅助信息。
接收机通过解析导航数据，计算卫星和接收机之间的距离差，进而确定接收机的位置。
为了提高定位的精度和可靠性，GPS接收机通常需要同时接收多颗卫星的信号。
接收机会根据接收到的多个卫星信号进行三角定位，通过交叉计算来确定接收机的位置。
同时，接收机还会使用卫星信号的时间信息来校正接收机的时钟误差，以确保定位的准确性。
除了定位功能，GPS接收机还可以提供速度和时间信息。
接收机通过计算接收到的卫星信号的频率差来确定自身的速度。
同时，接收机还可以使用卫星信号的时间信息来同步自身的时钟，提供准确的时间。
GPS接收机利用卫星导航技术实现定位、速度和时间信息的获取。
它通过接收和解析来自GPS卫星的信号，计算接收机与卫星之间的距离差，从而确定自身的位置。
GPS接收机在航海、航空、汽车导航等领域有着广泛的应用。
随着技术的不断发展，GPS接收机的定位精度和功能将会进一步提升。
gps接收机工作原理
gps接收机工作原理GPS接收机工作原理一、引言随着科技的进步和智能手机的普及，GPS（全球定位系统）已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。
无论是导航、定位还是位置服务，GPS都扮演着重要的角色。
而GPS接收机作为接收和处理GPS信号的关键设备，其工作原理也备受关注。
本文将重点介绍GPS接收机的工作原理。
二、GPS接收机的组成GPS接收机主要由天线、射频模块、数字信号处理器和用户界面等组成。
其中，天线用于接收来自GPS卫星的信号，射频模块负责将接收到的信号转换为中频信号，数字信号处理器则负责处理中频信号并计算出接收机的位置信息，用户界面则提供给用户显示和操作接收机的界面。
三、GPS信号的接收GPS信号是通过卫星发射并在空中传播的无线电波。
接收机的天线通过指向卫星并接收其发射的信号。
GPS卫星通常由地面控制站控制，保持在预定的轨道上并以特定的速度运行。
GPS卫星发射的信号包含有关卫星身份、时间和导航消息等信息。
接收机的天线会捕捉到这些信号并将其传输给射频模块。
四、信号的转换与处理射频模块将接收到的信号转换为中频信号。
中频信号的频率通常在几百兆赫范围内。
接着，中频信号被传输给数字信号处理器进行进一步处理。
数字信号处理器首先对信号进行解调，将其转换为数字信号。
然后，它会对接收到的信号进行解码和计算，以获得接收机的位置信息。
五、计算位置信息接收机通过解码GPS卫星发射的导航消息，获取卫星的位置和时间信息。
接着，它会使用三角定位原理计算出自身与至少三颗卫星之间的距离。
这些距离被称为伪距，通过与卫星的位置和时间信息结合，接收机可以计算出自身的三维位置坐标。
六、增强定位精度为了提高定位的精度，GPS接收机通常会同时接收多颗卫星发射的信号。
通过接收多颗卫星的信号，接收机可以使用差分定位技术进一步减小定位误差。
差分定位技术利用地面上的基准站测量出的真实位置信息，与接收机计算出的位置信息进行比较，从而得到更准确的位置。
4_卫星定位的基本原理与方法
技术要点
不同频率的卫星信号（弱）进行相关。 优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波 波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）
特点
GPS定位的观测量 ---载波相位观测值 Z跟踪法
方法
将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相 关处理。 在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进 行相关。 优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得 导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好 （信噪比降低了14dB）
与方式二类似rinex误差47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合概述将相同频率的gps载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值虚拟观测值可以消去某些不重要的参数或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响历元间求差47gps定位的观测量观测值线性组合与接收机无关与卫星无关空间相关不随时间变化原始载波相位观测值47gps定位的观测量观测值线性组合必要参数和多余参数通过观测值相减来消除多余参数47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合采用差分观测值的缺陷求差法的缺陷某些信息在差分观测值中被消除47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合概述其中的单位为周为任意实数
第四章 卫星定位的基本原理与方 法
§4.0 §4.1 §4.2 §4.3 §4.4 无线电定位原理 GPS定位的观测量 GPS绝对定位与相对定位 整周模糊度与周跳问题 差分GPS定位技术
GPS4第四章 GPS卫星的导航电文
四、精码P(y)码
码长：6.19﹡1012 bit。 周期：七天。 测距误差：0.3~3m 特点：码元宽度较小，精度较高，专为军用。 目前，只有极少数高档次测地型接收机才能接 收P(y)码，且价格昂贵。 由于C/A码单点定位较低，测量上采用非单点定 位，即采用相对定位（差分定位）。
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§4.3 GPS卫星位置的计算
第四章 GPS卫星的导航电文 和卫星信号 §4.1 §4.2 §4.3 §4.4 GPS卫星的导航电文 GPS卫星信号 GPS卫星位置的计算 GPS接收机基本工作原理
载波L1、L2
（相当于运载工具）
GPS卫星信号
测距码（C/A码、P码） 导航电文 （数据码、D码）
§4.1 GPS卫星的导航电文 一、导航电文的内容
时钟改正（卫星上的）：应以主控站的时钟（GPS 时间）为基准进行时钟改正。
∆t s = a 0 + a1 (t − t oc ) + a 2 (t − t oc )
2
a a 0 ：卫星的钟差； 1：卫星钟的频率偏差系数； a 2 ：卫星钟的频率飘移系数； t ：观测时刻；
t oc ：发送导航电文的参考时刻。
内容：卫星星历、时钟改正（指卫星钟的改正）、 电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码 转换到捕获P码的信息。导航电文是以二进 制码的形式，按规定格式组成，按帧向用户 传送的。又称数据码（D码）。 例：控制测量一、二、三、四等。 一 二 三 四 11 10 01 00 二进制数按一定的规则编制。
二、导航电文格式
（我们接收机收到的信号中时钟改正 ∆t s 为已知。）
电离层时延改正： 卫星信号可以告诉用户，单频接收 机需加此项改正，双频的不需要。 （电离层：距地面50—1000km，含有很多气体分子， 在阳光作用下产生电离。）
第四章GPS卫星定位的基本原理 第三节载波相位测量
GPS测量定位技术
一、载波相位测量原理
如右图，ti 时刻载波相位测量的量测 值为
ni F r () Inti () F ir ()
上式表明，载波相位测量的实际观 测值 由两部分组成：其一是差频信 号的整周数变化部分 Int，() 其二是差频 信号的不足一整周部分 。Fr其() 中在初 Int() 始观测时为零，而后由多普勒计数 器 从 时 刻t0 连 续 计 数 累 积 得 出 。 而 则是Fr(根) 据 时的基ti 准信号相位和接收 i(R) 的载波信号相位 直接量测i(S。)
dX
Y
0
dY
Z
0
dZ
0
X0 0
x
dX
Y0 0
y
dY
Z0 0
z
dZ
（4-23） （4-24）
GPS测量定位技术
二、载波相位测量观测方程
将上式代入式（4-20），可以得到线性化的载波相位测量
基本观测方程：
f c
x X 0 dX 0
f c
y Y0 dY 0
f c
z
Z0 0
GPS测量定位技术
三、载波相位测量差分法
在载波相位测量基本方程中，包含着两类不同的未知数：一 类是必要参数，如测站的坐标；另一类是多余参数，如卫星钟 和接收机的钟差、电离层和对流层延迟等。并且多余参数在观 测期间随时间变化，给平差计算带来麻烦。
解决这个问题有两种办法：一种是找出多余参数与时空关系 的数学模型，给载波相位测量方程一个约束条件，使多余参数 大幅度减少；另一种更有效、精度更高的办法是，按一定规律 对载波相位测量值进行线性组合，通过求差达到消除多余参数 的目的。
例如，对某一观测瞬间n颗卫星进行了载波相位测量，就可以 列出n个观测方程，方程中都含有相同的接收机钟差未知数。若 选择一颗卫星作为基准，将其余n－1颗卫星的观测方程与基准 卫星对应的观测方程相减，就可以在n－1个方程中消去钟差未 知数 。vtb它可以大大减少计算工作量。目前GPS接收机的软件， 基本上都采用了这种差分法的模型。
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(3) 授时型接收机
主要用于提供高精度的时间服务和频率控制。
通过利用导航卫星提供的高精度时间标准进行授时，通常 用于天文台及无线通信中时间同步。
例如：基于CDMA体制移动通信系统，就是通过GPS所提供 的时间标准进行全网授时的。
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4.1 卫星定位接收机组成与分类
按接收机对不同卫星导航定位系统的兼容性来分，可分为两类：
(1) 单模接收机
导航定位接收机只能接收来自某一特定卫星导航定位系统的导航信号，而不 能接收其它卫星导航定位系统的信号。
例如：GPS单模接收机只能接收和处理来自GPS卫星发射的导航信号，而不 能接收和处理来自Galileo、GLONASS和BeiDou等卫星导航定位系统的导航 信号。
按定位接收机的通道数来分类，可分为两类：
(1) 单通道接收机
只包含有一个接收机通道，通过接收机内部的定时控制机制， 用一个接收机通道转换完成捕获、跟踪和提取来自不同GNSS 卫星的导航信号，进而完成定位，也称为序贯跟踪通道接收机。
随着用户对导航定位实时性要求的越来越高，单通道接收机已 经不能满足大多数应用需求，因而，目前的接收机几乎都是多 通道接收机。
(2) 平方型接收机——利用对载波信号的平方处理去掉导航信号中的调制信号， 恢复完整的载波信号，进而通过载波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，得到伪距观测值。
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4.1 卫星定位接收机组成与分类
分类
导航型接收机 按应用场景 测量型接收机
授时型接收机
单频接收机 按工作频率
双频接收机
卫
星
单模接收机
导 按兼容模式
航
多模接收机
定
位 接 收
单通道接收机 按接收通道
多通道接收机
机
相关型接收机
按工作原理 平方型接收机
5
4.1 卫星定位接收机组成与分类
按工作频率来分，分为两类：
(1) 单频接收机
只能接收单一频点的GNSS导航信号，例如，GPS L1单频定位接收机 只能接收GPS卫星发射的L1频点的导航信号，而不能接收GPS卫星发 射的其它频点上的导航信号。
GNSS单频接收机不能有效消除电离层延迟对导航信号传输的影响。 单频接收机通常适用于短基线(一般小于15 km)的精密定位。
混合型接收机
硬件接收机 按实现方式
软件接收机
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4.1 卫星定位接收机组成与分类
按工作场景来分，分为三类：
(1) 导航型接收机
主要用于对运动物体的定位与导航，可以实时给出 用户的位置和速度。
通常用民码(如GPS的C/A码)进行伪距测量，单点实 时定位精度较低，一般为±10m。
(2) 双频接收机
能够同时接收两个频点上的GNSS导航信号。例如，GPS双频接收机 可以同时接收GPS卫星的L1频点和L2频点。
GNSS双频接收机能够利用电离层对两个频点导航信号传输时延的不 同，有效消除电离层延迟对定位结果造成的影响。
GNSS双频接收机可用于基线长达几千公里的精密定位。
利用两个或者多个卫星导航定位系统进行定位，将两个或者多个导航系统的 卫星当作一个系统来使用。
增加了卫星的数量，大大提高了接收机的导航定位精度及可用性、连续性。 这些优点使双模或多模接收机成为GNSS接收机研发的一个主要发展方向。
目前，世界上已经有很多接收机生产厂家设计并生产了这种能够兼容多种卫 星定位系统的多模接收机，例如GPS/GLONASS双模接收机、GPS/Galileo双 模接收机等。
具有较好的实时性，能够满足对导航定位的实时性要求较高的 应用需求。
硬件结构要比单通道接收机复杂，也被称为平行跟踪通道接收 机。
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4.1 卫星定位接收机组成与分类
按接收机工作原理来分，可分为三类：
(1) 相关型接收机——指的是伪码相关型接收机，通过伪随机码的互相关处理 实现对扩频码的解扩，并提取出导航信息，进而得到伪距观测值，完成位 置的计算。
第4章 卫星定位接收机原理
韩帅 hanshuai@
2014年秋季学期
目录：
4.1 卫星定位接收机组成与分类 4.2 接收机的射频部分组成及工作原理 4.3 GNSS接收机的信号捕获 4.4 GNSS接收机的信号跟踪 4.5 定位导航解算方法 4.6 卫星导航软件接收机原理和架构
价格相对便宜，应用广泛。
根据应用领域，可进一步分为：车载型接收机、航 海型接收机、航空型接收机和星载型接收机。
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4.1 卫星定位接收机组成与分类
(2) 测量型接收机
主要用于定位精度要求较高的工程领域，如精密大地测量和精 密工程测量。
通常采用载波相位测量值进行相对定位，定位精度很高，能达 到厘米级。
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4.1 卫星定位接收机组成与分类
(2) 多通道接收机
一般都包含至少4个以上的接收机通道，能够同时捕获、跟踪和 处理至少4颗以上卫星发射的导航信号。
目前大多数接收机都是多通道接收机，并且接收机通道数都在 12个以上，能够同时处理接收到的12颗卫星发射的导航信号。
卫星导航定位发展初期，只有GPS一个卫星导航定位系统，因而所有的接收 机都是单模的，但是随着卫星导航系统的多样化发展，单模接收机正逐渐被 能够接收多个卫星导航定位系统信号的多模接收机所取代。
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4.1 卫星定位接收机组成与分类
(2) 多模接收机
我国的东方联星公司已经推出了能够同时兼容GPS、BeiDou和GLONASS三 种卫星定位系统的多模接收机产品CNS100-B1B3GG，该产品支持三系统联 合定位、双系统联合定位及单系统定位等多种模式，并同时接收四个频点的 卫星导航信号。
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4.1 卫星定位接收机组成与分类