第四章 卫星导航定位信号结构
GPS系统介绍
1 目 录 第一章第一章 概述 ..................................................................................................... 2 一、GPS的发展历史 ................................................................................ 2 二、GPS系统构成系统构成 .................................................................................... 4 三、GPS的用途及使用现状 ..................................................................... 6 第二章第二章 GPS信号及定位原理信号及定位原理 ........................................................................... 7 一、GPS信号的基本结构信号的基本结构 ......................................................................... 7 二、GPS信号的合成 ................................................................................ 9 三、GPS的时间系统 .............................................................................. 10 四、GPS坐标系 ..................................................................................... 11 五、GPS定位原理定位原理 .................................................................................. 14 六、GPS定位方法分类定位方法分类 ........................................................................... 16 第三章第三章 GPS接收机 ....................................................................................... 18 一、GPS接收机的分类接收机的分类 ........................................................................... 18 二、GPS接收机的组成及工作原理接收机的组成及工作原理 ........................................................ 20 三、GPS导航接收机的重要指标 ............................................................ 27 第四章第四章 车载GPS ........................................................................................... 28 一、车载GPS 的基本功能 ..................................................................... 28 二、车载GPS定位导航系统模块组成 .................................................... 30 第五章第五章 GPS现代化计划与第三信号L5 ......................................................... 31
GPS基本知识
第一章
1 .GPS卫星定位技术的发展概况：
答：卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。20世纪50年代末期，美国开始研制用多普勒卫星定位技术进行测速，定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统（NNSS）。多普勒定位具有经济快速，精度均匀，不受时间和天气的限制等优点。
以此同时前苏联也开始建立了一个卫星导航系统，叫做CICADA。由于发展的需要美国于1973年研制新建了GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性，全球性，全天性，联系性和实时性的导航，定位和定时的功能。能为用户提供精密的三维坐标，速度和时间。GPS计划经历了方案论证，系统论证，生产试验三个阶段。整个系统分为卫星星座，地面控制和监测站，用户设备三大部分。
再后来的30多年中全球又建立了GLONASS全球定位系统（俄罗斯），伽利略（GALILEO）全球定位系统(欧盟)；北斗导航定位系统（中国）。
不久的将来，它们将共同组成全球导航卫星系统GNSS，到那时全球导航卫星将有一百多颗，定位精度和定位速度都将大大提高。
2.GPS系统组成：GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
GPS由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成卫星星座，记做（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°，各个轨道平面之间相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°。GPS卫星的核心部件是高精度的时钟，导航电文存储器，双频发射和接收机以及微处理机。
GPS工作卫星的地面监控系统包括1个主控站，3个注入站和5个监测站。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。地面监测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。
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第一章 定位：
定位是在一个特定的坐标系中确定一个目标的空间位置的一门技术。
目标可以是相对静止的， 也可以是运动的。
定位与某个特定的时间和坐标相关联。
能够实现定位的装置就是定位系统。
导航：
引导载体（飞机、 船舶、 车辆、 航天器等） 或者个人， 沿着所选定的路线安全、 准时地到达目的地的一门技术。
通信：
信息的传递 卫星通信：
利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波， 在两个或多个用户之间进行的通信 特点：
覆盖区大,通信距离远,三颗同步卫星可覆盖全球 频带宽,容量大 机动性好,不受地理条件限制 通信可靠性高,质量好,稳定
费用与距离无关 有多址能力,组网灵活 可实现区域及全球个人移动通信 卫星导航：
利用人造地球卫星为参照物及其发射或转发的无线电波来实现定位、导航与授时。
四种导航系统： 无线电、 天文、 惯性、 卫星。
（比较见第九章） GNSS 全球导航卫星系统：
具有全球导航定位能力的系统， GPS， GLONASS， GALILEO，
COMPSASS 区域卫星导航系统：
准天顶卫星系统 QZSS， 印度区域导航卫星系统 IRNSS GPS：
码分多址； 6 个轨道面； WGS-84 坐标系统； UTC 时间系统；
星座：
21+3； 两种服务--- 标准定位服务---精密定位服务
GLONASS：
10级地信专业GPS复习资料整理要点
10级地信专业GPS复习资料
第一章 绪论
一、填空
1.20世纪50年代末期，美国开始研制多普勒卫星定位技术进行测速、 定位 的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统。
2.GPS全球定位系统具有全能性、全球性、全天候、 连续 性和实时性的导航、定位和定时功能。能为各类用户提供精密的 三维坐标 、速度和时间。
3.GPS系统的空间部分由21颗工作卫星及 3 颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个轨道上，距地面的平均高度为 20200 km，运行周期为11小时58分。
4. 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。
5. 按照GPS系统的设计方案，GPS定位系统应包括 空间卫星 部分、 地面监控
部分和用户接收部分。
6.子午卫星导航系统采用6颗卫星，并都通过地球的 南北极 运行。
7. 自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证、 系统 论证、生产实验三个阶段。总投资超过200亿美元。
8.1957 年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功，标志着人类进入了空间技术的新时代。
9.GPS工作卫星的主体呈圆柱形，整体在轨重量为843.68㎏，它的设计寿命为 7.5 年，事实上所有GPS工作卫星均能超过该设计寿命而正常工作。
10.我国的GPS卫星跟踪网是由 拉萨 、 乌鲁木齐 、北京、武汉、 上海 、长春 、昆明等七个跟踪站组成的。
11.当地球自转360°时，卫星绕地球运行两圈，环绕地球运行一圈的时间为 11 小时58分。地面的观测者每天可提前4min见到同一颗卫星，可见时间约为 5 小时。这样，观测者至少能观测到4颗卫星，最多可观测到11颗卫星。
12.VDOP代表 垂直分量精度因子 。
13.HDOP代表 水平分量精度因子 。
二、单项选择题
1.在20世纪50年代我国建立的1954年北京坐标系，采用的是克拉索夫斯基椭球元素，其长半径和扁率分别为（ B ）。
格洛纳斯卫星导航定位原理
格洛纳斯卫星导航定位原理
格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）是俄罗斯开发的卫星导航系统，类似于美国的GPS系统。GLONASS系统由一组卫星和地面控制站组成，可以提供全球范围内的导航定位服务。GLONASS卫星导航定位原理基于卫星信号的接收和处理，通过计算卫星与接收器之间的距离和时间差来确定接收器的位置。
GLONASS卫星定位系统由24颗工作卫星和几颗备用卫星组成，这些卫星分布在不同的轨道上，并以不同的角度倾斜。每个卫星都具有准确的轨道参数和时间标准，同时会向地面控制站发送信号，以确保卫星系统的精度和稳定性。
为了使用GLONASS系统进行定位，接收器需要同时接收至少4颗卫星的信号。接收器通过测量卫星信号从发射到接收所需的时间差，可以计算出卫星与接收器之间的距离。通过同时测量多颗卫星的距离，接收器可以确定自己的位置。GLONASS系统还会提供时间信息，接收器可以使用这些信息来校准自己的时钟。
GLONASS卫星导航定位原理的关键是计算卫星与接收器之间的距离。为了实现这一点，卫星会向接收器发送定位信号，这些信号包含了卫星的精确位置和时间信息。接收器接收到这些信号后，会计算信号的传播时间，并根据接收到的多个卫星信号计算出接收器的位置。
GLONASS系统使用的是时间差测量（Time Difference of Arrival，TDOA）技术来计算卫星与接收器之间的距离。TDOA技术基于信号的传播速度是已知的事实，因此可以通过测量信号传播时间来计算距离。接收器会记录下信号到达的时间，然后使用卫星发送信号的时间戳来计算信号的传播时间，从而得到距离。
GLONASS系统还使用了差分定位技术来提高定位的精度。差分定位技术是通过同时接收来自卫星和地面基站的信号来消除误差，从而提高定位精度。地面基站会接收卫星信号，并计算出接收器的位置误差，然后将这些信息传输给接收器，接收器根据这些信息进行校正，从而提高定位的准确性。
卫星定位导航原理与应用
表7. 电信 学院（系、所） 研究生课程简介
课程名称: 卫星定位导航原理与应用
课程名称：卫星定位导航原理与应用
英文名称: Principles and applications of Satellites Positioning and
Navigation
课程类型: ■讲授课程 □实践（实验、实习）课程 □研讨课程 □专题讲座 □其它
考核方式: 大作业和读书报告
教学方式: 讲授
适用专业: 信息与通信工程
适用层次: 硕士■ 博士 □
开课学期:
总学时/讲授学时: 32 / 32
学分: 2
先修课程要求: 通信原理、随机过程、数值分析
课程组教师姓名 职 称 专 业 年 龄 学术专长
叶斌 副教授 模式识别与智能系统 43 模式识别与图象处理、卫星定位导航
杨灵 副教授 信息与通信工程 47 数字信号处理、卫星定位导航
唐祖平 讲师 信息与通信工程 31 全球卫星定位导航系统
课程教学目标:
通过本课程的教学, 使学生掌握卫星定位、导航的基本原理和应用技术, 了解GPS、GLONASS、BD2和Galileo等卫星导航定位系统。
教学大纲（章节目录）:
第一章 GPS卫星定位导航系统概论（2学时）
第一节 卫星导航定位系统的发展回顾
第二节 GPS卫星全球定位系统
第三节 GLONASS全球导航卫星系统
第四节 地球同步卫星导航定位系统
第五节 建设中的Galieo卫星导航定位系统
第六节 建设中的BD卫星导航定位系统
第二章 坐标系统和时间系统（6学时）
第一节 天球坐标系和地球坐标系
1.天球坐标系
2.大地坐标系
3.卫星中常用的坐标系
第二节 WGS84坐标系、CGS2000坐标系和我国大地坐标系
1.WGS84坐标系
2.CGS2000坐标系
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。描述卫星的运动及其轨道的参数包括下列三类： 1.开普勒六参数 2.轨道摄动九参数 3.时间二参数
卫星导航定位原理与应用期末复习
卫星导航定位原理与应用期末复习
考试采用闭卷方式。
题型：
一 填空题（20X0.5’，共10分）
二 单项选择题（6X2’，共12分）
三 名词解释（6X4’，共24分）
四 简答（4X6’，共24分）
五 问答题（2X10’，共20分）
六 综合分析题（1X10’,共10分）
第一章 绪论
GPS的应用，AS和SA政策
第二章 全球定位系统的组成及信号结构
GPS的组成，GPS的卫星信号结构（如测距码，导航电文）
第三章 GPS定位中的误差源△
误差的分类，几种误差的特点，如何消弱或消除。（如多路径误差）
第四章 距离测量与GPS定位△
伪距测量；载波相位测量原理，载波相位测量的观测方程，整周跳变修复，整周未知数N0的确定；静态绝对定位，静态相对定位；差分GPS定位原理，差分GPS分类及各自特点（比如RTK）。
第五章 GPS测量的技术设计△
基本概念（基线向量，同步环，异步环等），GPS测量的技术设计（如网形设计、基准设计等）
第六章 数据采集
选点与埋石等采集流程，数据采集的计划制定和方法。
第八章 地球坐标参照系
天球坐标系与地球坐标系，卫星测量中常用坐标系，坐标系转换与基准转换。WGS-84坐标系。
第十一章 GPS高程测量
大地水准面与正高；似大地水准面与正常高；参考椭球面与大地高
《GPS测量原理及应用》第三版复习资料
第一章绪论
1. GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座，地面控制部分——地面监控系统，用户设备部分——GPS信号接收机。
2 .GPS卫星星座部分：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颗在轨卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°。在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。
3. GPS卫星的作用：第一，用L波段的两个无线载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号。第二，在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。第三，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。
4. 地面监控系统：1个主控站（美国科罗拉多）3个注入站（阿森松岛,迪哥加西亚岛，卡瓦加兰）5个监控站（1+3+夏威夷）
5. 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，甚至三维速度和时间。
6. GPS系统的特点：定位精度高，观测时间短，测站间无需通视，可提供三维坐标，操作简便，全天候作业，功能多，应用广。
7. GPS系统的应用前景:①用于建立高精度的国家性大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数②用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘③用于监测地球板块运动状态和地壳形变④用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段⑤用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置.
8. 我国的GPS定位技术的应用和发展情况：在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面；在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程；在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段；在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测；此外，GPS技术还用于海洋测量、水下地形测绘、军事国防、智能交通、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业。