GPS卫星的星历、GPS卫星信号及GPS的导航电文
GPS卫星的导航电文和卫星信号
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§4.6 GPS接收机基本工作原理
三．几种常见的GPS接收机
Ashtech系列GPS接收机（阿斯泰克）
国家：美国 公司：麦哲伦公司
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§4.6 GPS接收机基本工作原理
三．几种常见的GPS接收机
2. Trimble系列GPS接收机（天宝）
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§4.3 C/A码与P码
二．C/A码
定义
C/A码用于分址、搜捕卫星信号和粗 测距，是具有一定抗干扰能力的明码，提 供给民用
2. 产生
1.
C/A码是由两个10级移位寄存器
相结合而产生的
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§4.3 C/A码与P码
二．C/A码
3. 基本特性
是GPS卫星的民用伪噪声码 码长1023bit，很短，易于捕获（捕获码） 码元宽度977.517nsec 时间周期1ms，1sec对应长度293Km 不同的卫星具有不同的C/A码 是L1载波的调制信号 测距误差2.93~29.3m，精度较低（粗码）
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§4.1 GPS卫星播发的信号
二．伪随机码
3. 伪随机码
产生原因：随机码序列没有周期性，无法 复制 定义：具有良好的自相关特性的有周期性 的序列称伪随机序列。由二进制码元组成 的伪随机序列称二进制伪随机码简称伪码 产生装置：“多级反馈移位寄存器” 分类：截短序列、复合序列等
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§4.2 伪随机码扩频与相关接收
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§4.6 GPS接收机基本工作原理
GPS接收机的分类
3. 接收机通道
定义：跟踪、处理、量测卫星信号的部件； （一个时刻一颗卫星一个频率）
10.GPS卫星导航电文
② 第3~8bit为卫星识别（SV ID）。对于含有历书 数据的各个页面，SV ID的编号对于该颗GPS卫 星的伪燥声码之相位偏差系数；对于其余各个也 面，SV ID相当于页面识别符。
由于每个子帧持续时间为6s，所以下一子帧 开始的时间为6×Zs。
如图10-4所示，Z计数乘6秒后即为下一子帧 的前沿所对应的GPS时。
图10-5 Z计数与GPS时对应关系图
转换码的第18bit表明卫星注入电文后是否发生 滚动动量矩缺载现象；
第19bit用于指示数据帧的时间是否与P码子码 X1的钟信号同步；
子帧1、2、3与子帧4、5的每一页均构成一个 主帧，即一段完整的导航电文包含25个主帧， 由 于 一 个 主 帧 的 长 度 为 1500bit ， 故 电 文 共 有 37500bit。
第1、2、3子帧每30s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，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。
1-17
Z计数
18
19 20-22
滚动动量矩 数据帧的时间 子帧 是否缺载 是否同步 识别标志
23-24 25-30 bit
连接码 奇偶检验码
图10-4
转换码的第1~17bit表示Z计数，它实际上是 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。
导航电文是二进制码，依规定格式组成，按帧 向外播送。
它的基本单位是长1500bit的一个主帧。由于播 送速率为50bit/s，所以播送一帧电文的时间需 要 30s。
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。
4第四章GPS卫星信号与导航电文
GNSS
P码－精码
• P码的产生原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的 是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu≈2.35×1014比 特，码元宽为tu=1/f0=0.097752μs，相应的距离为29.3m。 周期为Tu= Nutu≈ 267d，数码率为10.23Mbit/s。
• P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分 成38部分（每一部分为7天，码长约6.19 ×1012比特），其中 1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫 星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周 期，但结构不同。
• P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕 获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐 精度仍为码元宽度的1/10~1/100，则相应的距离误差为 2.93~ 0.29m，故P码称为精码(precision code)。
GNSS
GPS信号（示意）
测距码t
t + △t 数据码D(t)
载波L
GNSS
频率
GPS卫星时钟频率选用10.23MHz，利用频率综合器产生所需要
的频率。GPS信号的产生如下图：
基本频率ƒ0
10.23MHz
÷10
×154
L1
C/A码 P码
1575.42MHz 1.023MHz 10.23MHz
×120
模二加反馈 （e+f）
0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1
末级输出的二进制数
1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0
gps导航卫星星历及历书参数意义
为了缩短卫星锁定时间，GPS接收机需利用历书、当地位置的时间来预报卫星运行状态。
历书与星历都是表示卫星运行的参数。
历书包括全部卫星的大概位置，用于卫星预报；星历只是当前接收机观测到的卫星的精确位置，用于定位。
历书是从导航电文中提取的，每12.5分钟的导航电文才能得到一组完整的历书。
下表是ICD-GPS-200规定的历书格式：说明类型字节单位卫星号short 2健康状况short 2偏心率float 4轨道参考时间long 4 s轨道倾角float 4 半周升交点赤经变化率float 4半周/s长半轴的平方根double8升交点赤经double8 半周近地点角距double8 半周参考时间的平近点角double8 半周卫星钟差改正float 4 s 卫星钟漂改正float 4 s/s 历书星期数short 2GPS星期数short 2GPS星期秒数long 4 s校验和 2利用历书和当地的位置，我们可以计算出卫星的方位和高度角，由此可以计算出当地能观测到的卫星和持续时间，即卫星高度角大于5°的出现时间。
GPS卫星星历参数包含在导航电文的第二和第三子帧中。
从有效的星历中，我们可解得卫星的较准确位置和速度，从而用于接收机定位和测速。
GPS卫星历书每30秒重复一次，有效期为以星历参考时间为中心的4小时内。
GPS卫星星历数据中各参数具体描述：1、ID: 卫星序列号2、Health: 卫星健康状况3、Week: GPS星期周数4、Toe Time of Applic(s): 星历参考时间5、IODE: 星历数据期号6、Eccentricity: 卫星轨道偏心率7、Orbital Inclination(rad): Toe时的轨道倾角8、Inclination rate (r/s) 卫星轨道倾角变化率9、Rate of Right Ascen(R/s): 升交点赤经变化率10、SQRT(A) (m^1/2): 轨道长半轴的平方根11、Dn 平均角速度校正值12、Right Ascen at Toe(rad): Toe时的升交点赤经13、Argument of Perigee(rad): 轨道近地点角距14、Mean Anom(rad): Toe时的平近点角15、Cuc(rad): 升交点角距余弦调和校正振幅16、Cus(rad): 升交点角距正弦调和校正振幅17、Crc(m): 轨道半经余弦调和校正振幅18、Crs(m): 轨道半经正弦调和校正振幅19、Cic(rad): 轨道倾角余弦调和校正振幅20、Cis(rad): 轨道倾角正弦调和校正振幅。
GPS导航电文概述
GPS导航电文概述(2008-07-09 19:44:43)导航电文是用户用来定位和导航的基础数据。
它包括该卫星的星历、工作状态、时钟修正、电离层时延修正、大气折射改正以及由C/A码捕获P码的导航信息，这些信息调制在载频上，数据采用不归零的二进制码。
导航数据是一个二进制序列，其格式是：主帧（页）、子帧、字。
每主帧（页）电文长度为1500bit，播送速率为50bit/s，所以发送一主帧（页）电文需要30s时间。
每主帧导航电文包括5个子帧，每个子帧长6s，共含300bit。
每子帧由10个字组成，每个字为30bit，目前前三子帧的内容每30s重复一次，每两小时更新一次。
第4、5子帧各有25页，1、2、3子帧和4、5子帧的每一页构成一个主帧。
4、5子帧的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。
一套完整的导航电文由25个主帧（页）组成，共37500bit，要750s才能传完，即12.5min。
实际上，导航电文的具体格式非常复杂，如下图所示，GPS接收机的一个重要功能就是正确解调电文。
导航电文格式导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。
每帧电文含有1500 bit，播送速度为50bit/s。
所以传播一帧电文需要30秒。
每帧导航电文含有5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30bit，故每一子帧共300bit,播送时间6秒。
为了记载多达25颗卫星的星历，所以子帧4和5各有25页。
子帧1，2，3与子帧4，5的每一页均构成一个主帧。
在每一主帧的帧与帧之间，1，2，3子帧的内容每小时更新一次，而子帧4，5的内容，仅在给卫星注入新的导航数据后才得以更新。
导航电文的内容1、遥测字（TLM）：位于各子帧开头，作为捕获导航电文的前导。
其中所含的同步信号，为各子帧提供一个同步的起点，使用户便于解译电文数据。
2、交接字（HOW）：紧接开头的遥测字，主要是向用户提供捕获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。
GPS考试名词解释简答
1卫星星历：是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。
根据卫星星历可以计算出任时刻的卫星位置及其速度，GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。
2广播星历：是定位卫星发播的无线电信号上载有预报一定时间内卫星根数的电文信息。
3导航电文：导航信息的二进制数据码。
包括卫星星历、时钟改正数、卫星工作状态、轨道摄动改正、大气折射改正等信息。
4无摄运动：仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。
5受摄运动：在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动。
6载波重建：重建载波相位是输入的（经多普勒位移的）GPS载波相位与接收仪产生的（名为固定的）参考频率相位，两者之的差。
7周跳：在GPS载波相位观测中，因卫星信号失锁引起的相位整周跳变。
8章动：指真北天极绕平北天极所做的顺时针椭圆运动。
9重复基线闭合差：当某条基线被两个或多个时段观测时，就构成了所谓的重复基线闭合差条件。
（不同观测时段，对于同一条基线的观测结果就是重复基线）10世界时：以平子夜为0时起算的格林威治平太阳时ＵＴ。
11岁差：地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢移动，春分点在黄道上随之缓慢移动的现象。
12黄道：地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面，它与天球相交的大圆称为黄道。
它就是当地球绕太阳公转时，观测者所看到的太阳在天球上运动的轨道。
13 伪距：GPS定位采用的是被动式单程测距。
它的信号发射时刻是卫星钟确定的，收到时刻则是由接收机钟确定的，这就在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地包含着两台钟不同步的误差影响，所以称其为伪距。
14整周未知数：指卫星信号从发射时刻到接收机接受时刻这个阶段载波的整个周数。
15升交点：指当卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角即轨道倾角不等于零时，轨道与赤道面有两个交点，卫星由南向北飞行时的交点称为升交点。
16升交点赤经：含地轴和春分点的子午面与含地轴和升交点的子午面之间的交角等。
17真近点角：天体从近点起沿轨道运动时其向径扫过的角度。
GPS信号组成-导航电文
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。
1、导航电文（D码）的内容（1）卫星星历（2）时钟改正（3）电离层时延改正（4）卫星状态（5）转换码2、导航电文的结构（1）基本构成（2）遥测码与转换码（交接字）（3）第一数据块（4）第二数据块（5）第三数据块导航电文的格式是：主帧、子帧、字码和页码。
每主帧电文长度为1500bit，播送速率为50bit/s，所以发播一帧电文需要30s时间。
每帧导航电文包括5个子帧，每子帧长6s，共含300bit。
第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码为30bit，这3个子帧的内容每30s重复一次，每小时更新一次。
第4、5子帧各有25页，共有15000bit。
一帧完整的电文共有37500bit，要750s才能够传送完，用时长达12.5min。
其内容仅在卫星注入新的导航数据后才更新。
3、基本构成导航电文的内容包括遥测码（TLW）、转换码（HOW）、第一数据块、第二数据块和第三数据块等5部分。
4、遥测码与转换码（交接字）（1）遥测码（字）同步码：第1~8bit遥测电文：第9~22bit无意义连接比特：第23~24bit检校：第25~30bit每个子帧的第一个字码都是遥测码，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一个同步起点，使用户便于解释电文数据。
具体码位如下：第1~8bit为同步码（10001001），第9~22bit为遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息，以此指示用户是否选用该卫星。
第23、24bit无意义，第25~30bit为奇偶检验码。
（2）转换码Z计数：第1~17bit特殊标识1：第18bit特殊标识2：第19bit，同步标识，AS标识子帧标识：第20~22bit，第几子帧无意义连接比特：第23~24bit检校：第25~30bit每个子帧的第二个字码是转换码，它的主要作用是帮助用户从捕获的C/A码转换到P码的捕获。
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星历参数详解
星历参数详解②
e：偏心率
E(t)M(t)esinE(t)
真近点角 (t)arctg
1e2 sinE(t) cosE(t)e
0：参考时刻升交点赤(经oe)与GPS周开始时格林尼治赤(G经ASTW )之差
设e为地球自转角速度，k (t)为升交点经度，(t)为升交点赤经，则
0 oe GASTW (t) oe (t toe)
若将上述计算参考星历的参考历元 选在2
次更新星历的中央时刻，则外推的时间间隔最大 将不会超பைடு நூலகம்0.5h，从而可以在采用同样摄动力模 型的情况下有效地保持外推轨道参数的精度。目 前，预报星历的精度一般估计为20m～40m。由于 预报星历每小时更新一次，因此，在数据更新前 后，各表达式之间将会产生小的跳跃，其值可达 数分米。对此，一般可利用适当的拟合技术（切 比雪夫多项式）予以平滑。
不难理解，若观测历元与所选参考历元的时间
差很大，为了保障外推的轨道参数具有必要的精 度，就必须采用更严密的摄动力模型和考虑更多 的摄动因素。实际上，为了保持卫星预报星历的 必要精度，一般采用限制预报星历外推时间间隔 的方法。
为此，GPS跟踪站每天都利用其观测资料，
更新用以确定卫星参考星历的数据，以计算每天 卫星轨道参数的更新值，并按时将其注入相应的 卫星加以储存和发送。事实上，GPS卫星发射的 广播星历每小时更新一次，以供用户使用。
后处理星历，是一些国家的某些部门根据各自 建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定 预报星历相似的方法计算的卫星星历。它可以向用 户提供在用户观测时间的卫星星历，避免了预报星 历外推的误差。
由于这种星历通常是在事后向用户提供的在其 观测时间的卫星精密轨道信息，因此，称为后处理 星历或精密星历。该星历的精度，目前可达分米级。
1 预报星历
所谓预报星历就是卫星GPS将含有轨道 信息的导航电文发送给用户接收机，然后经 过解码获得的卫星星历。所以，这种星历也 称为广播星历。预报星历通常包括相对某一 参考历元的开普勒轨道参数以及必要的轨道 摄动改正项参数。
对应于某参考历元的卫星开普勒轨道参数，也 叫参考星历，它是根据GPS监测站约一周的观测资 料推算的。参考星历只代表卫星在参考历元的瞬时 轨道参数（也称为密切轨道参数），但是在摄动力 的影响下，卫星的实际轨道，随后将偏离其参考轨 道，偏离的程度主要决定于观测历元与所选参考历 元间的时间差。一般而言，用轨道参数的摄动项对 已知的卫星参考星历加以改正，就可以外推出任意 观测历元的卫星星历。
toe：星历参考时刻
星历参数详解④
AODC：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。
AOD tOC C tL
式中：tOC为第一数据块的参考时间；tL为计 算时钟改正参数所用数据的最后观测时间（预报 星历测量的最后观测时间）。
2 后处理星历
卫星的预报星历具有实时获取的特点，这对于 导航或实时定位是非常重要的。但是，对于某些精 密定位工作的用户来说，其精度尚难以满足要求， 尤其当预报星历受到人为干预而降低精度时，就更 难以保障精密定位工作的要求。
GAST(t) GASTW e t
k (t) (t) GAST(t)
[oe (t toe)][GASTW e t] [oe GASTW ][(t toe) e (t toe) e toe] 0 (e)(t toe) e toe
星历参数详解
星历参数详解③
i0：参考时刻的轨道倾角
i(t) i0 i (t toe ) i
GPS用户通过卫星广播星历，可以获得16个卫 星星历参数。其中，1个参考时刻，6个相应参考时 刻的开普勒轨道参数和9个摄动力影响的参数。这 些参数的定义如表所列。其中AODE表示从最后一 次注入电文起外推星历时的外推时间间隔，它反映
了外推星历的可靠程度。有关卫星实际轨道的描述 如图所示。根据上述数据，便可外推出观测时刻t的 轨道参数，从而可计算卫星在不同参考系中的相应 坐标。
一、GPS卫星的星历
卫星的星历是描述有关卫星运行轨道的 信息。利用GPS进行定位，就是根据已知的 卫星轨道信息和用户的观测资料，通过数据 处理来确定接收机的位置及其载体的运动速 度。所以，精确的轨道信息是精密定位的基 础。GPS卫星星历的提供方式有2种：一种 是预报星历，又称广播星历；另一种是后处 理星历，又称精密星历。
：近地点角距 未经改正的升 (t交 )距 (t)交
Cuc，Cus：升交距角的余弦和正弦调和改正的振幅 Crc，Crs：轨道半径的余弦和正弦调和改正的振幅 Cic，Cis：轨道倾角的余弦和正弦调和改正的振幅 升交距角、轨道向径和轨道倾角的改正项
u(t) Cuc cos(2(t)) Cus sin(2(t)) r(t) Crc cos(2(t)) Crs sin(2(t)) i(t) Cic cos(2(t)) Cis sin(2(t))
后处理星历一般不是通过卫星的无线电信号向 用户传递的，而是利用磁盘或通过电传通信等方式， 有偿地为所需要的用户服务。但是，建立和维持一 个独立的跟踪系统，其技术比较复杂，投资也比较 大。所以，利用GPS的预报星历进行精密定位工作， 仍是目前一个重要的研究和开发领域。
二、GPS卫星信号
GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导 航定位的已调波，其载波处于L频段，其调制波是 卫星电文和伪随机噪声码的组合码。GPS卫星向广 大用户发送的导航电文，是一种二进制码组成的 编码脉冲串，称之为数据码D（t），其速率为 50b/s，换言之，D码的码率fd=50HZ。对于距离地 面2万余公里且电能紧张的GPS卫星，如何有效地 将低码率导航电文发送给用户，是关系到GPS系统 成败与否的大问题。一种有效地发送方法是：用 低码率的数据作二级调制。
星历参数详解
星历参数详解①
M
：参考时刻的平近点角
0
M (t) M 0 n (t toe )
其中n为平均角速度
n：平均角速度的改正值
平均角速度 n0的G a计 3M (算 a)3值
称为地球引W 力G 8常 系 4S 数 中， 定 3.9在 义 86为 0101 054m3 s2
nn0n
A：轨道长半轴的平方根