1、第4章 GPS衛星的導航電文和衛星信號4.1 GPS衛星的導航電文GPS衛星的導航電文（簡稱衛星電文）是用戶用來定位和導航的數據基礎。它主要包括：衛星星歷、時鐘改正、電離層時延改正、工作狀態信息以及C/A碼轉換到捕獲P碼的信息。這些信息以二進制碼的形式，按規定格式組成，按幀向外播送，衛星電文又叫數據碼（D碼）。他的基本單位是長1500bit的一個主幀，傳輸速率是50bit/s，30s傳送完畢一個主幀。一個主幀包括5個子幀，第1、2、3子幀各有10個字碼，每個字碼有30bit；第4,5子幀各有25個頁面，共37500bit。第1、2、3子幀每30秒重復一次，內容每小時更新一次。第4,5子幀的全部

2、信息則需要750s才能夠傳送完畢。即第4、5子幀是12.5min播完一次，然后再重復之，其內容僅在衛星注入新的導航數據后才得以更新。4.1.1 遙測碼 遙測碼位于各子幀的開頭，它用來表明衛星注入數據狀態。遙測碼的第1-8bit是同步碼，使用戶便于解釋導航電文；第9-23bit為遙測電文，其中包括地面監控系統注入數據時的狀態信息、診斷信息和其他信息。第23和第24bit是連接碼；第25-30bit為奇偶檢驗碼，它用于發現和糾正錯誤。4.1.2 轉換碼 轉換碼位于每個子幀的第二個字碼。其作用是提供幫助用戶從所捕獲的C/A碼轉換到捕獲P碼的Z計數。Z計數實際上是一個時間計數，它以從每星期起始時刻開始

3、播發的D碼子幀數為單位，給出了一個子幀開始瞬間的GPS時間。由于每一子幀持續時間為6s，所以下一個子幀開始的時間為6xZ s，用戶可以據此將接收機時鐘精確對準GPS時，并快速捕獲P碼。4.1.3 第一數據塊第1子幀 第3-10字碼，主要內容：標識碼，時延差改正星期序號衛星的健康情況數據齡期衛星時鐘改正系數等。4.1.4第二數據塊包含第2和第3子幀，其內容表示GPS衛星的星歷，這些數據為用戶提供了有關計算衛星運動位置的信息。描述衛星的運動及其軌道的參數包括下列三類：1.開普勒六參數 2.軌道攝動九參數 3.時間二參數4.1.5 第三數據塊第三數據塊包括第4和第5兩個子幀，其內容包括了所有GPS衛

4、星的歷書數據。當接收機捕獲到某顆GPS衛星后，根據第三數據塊提供的其他衛星的概略星歷、時鐘改正、衛星工作狀態等數據，用戶可以選擇工作正常和位置適當的衛星，并且較快地捕獲到所選擇的衛星。4.2 GPS衛星信號4.2.1 概述GPS衛星信號是GPS衛星向廣大用戶發送的用于導航定位的調制波，它包含有：載波、測距碼和數據碼。時鐘基本頻率為10.23MHz。GPS使用L波段的兩種載頻：L1載波：fL1=154*f0=1575.42MHz，波長1=19.032cmL2載波：fL2=120*f0=1227.6MHz，波長2=24.42cm碼的基本概念：碼是表達信息的二進制數及其組合。每一位二進制數稱為1個碼

5、元或叫1比特（bit）。如果將各種信息如：聲音、圖片以及文字通過量化并按某種規則表示為二進制數的組合形式，則這一過程就稱為編碼，也就是信息的數字化。在二進制數字化信息的傳輸中，每秒鐘傳輸的比特數稱為數碼率，用以表示數字化信息的傳輸速度，其單位為bit/s或記做BPS。一組二進制數的碼序列，又可以看作是以0和1為幅度的時間函數，用記號u（t）表示。如果一組碼序列u（t），對某個時刻t，碼元是0或1完全是隨機的。但其出現的概率均為1/2.這種碼元幅值是完全無規律的碼序列，稱為隨機噪聲碼序列。是一種非周期序列，無法復制。但是隨機噪聲碼序列卻有良好的自相關性，GPS碼信號測距就是利用了GPS測距碼的良

6、好自相關性才獲得成功。自相關性是指兩個結構相同的碼序列相關程度，它由自相關函數描述。隨機噪聲碼序列的良好自相關特性，為GPS測距奠定了基礎偽隨機噪聲碼及其產生：由于隨機噪聲碼是非周期碼序列，沒有確定的編碼規則，所以實際上無法復制和利用。因此提供了一種偽隨機噪聲碼，不僅具有類似隨機碼的良好自相關性，而且有確定的編碼規則，是周期性，可復制的。以4級反饋移位寄存器為例講解偽隨機碼的產生和變化過程。GPS衛星發射兩種測距碼信號，即C/A碼和P碼，兩者都是偽隨機噪聲碼。C/A碼由兩個10級反饋移位寄存器構成的G碼產生，在每星期日子夜零時，在置“1”脈沖的作用下全處于1的狀態，同時在碼率1.023MHz驅

7、動下，兩個移位寄存器分別產生碼長為，周期為1ms的兩個序列和。序列經過相位選擇器，輸入一個與平移等價的m序列，然后與模2相加，便得到C/A碼。 C/A碼的碼長、碼元寬度、周期和數碼率為：碼長碼元寬度，相應長度293.1m，周期；數碼率BPS=1.023Mbit/s。各顆GPS衛星所使用的C/A碼，其上述四項指標都相同，但結構相異。C/A碼有如下2個特點：1） C/A碼的碼長很短，易于捕獲。在GPS導航和定位中，為了捕獲C/A碼以測定衛星信號傳播的時延，通常需要對C/A碼逐個進行搜索。因為C/A碼一共有1023個碼元，所以若以每秒50碼元的速度搜索，只需要約20.5s便可完成。由于C/A碼易于捕

8、獲，而且通過捕獲的C/A碼所提供的信息，又可以方便地捕獲P碼，所以通常C/A碼也稱為捕獲碼。2） C/A碼的碼元寬度較大。假設兩個序列的碼元對齊誤差碼元寬度的1/10-1/100，則這是相應的測距誤差可達29.3-2.9m，由于其精度較低，所以C/A碼也稱為粗碼。P碼：P碼由兩組各有兩個12級反饋移位寄存器電路發生，其基本原理與C/A碼相似，但其線路設計細節遠比C/A碼復雜并且嚴格保密。P碼特征：碼長；碼元寬度，相應長度29.3m；周期；數碼率BPS=10.23Mbit/s.實際上P碼的一個整周期被分為38部分，每一部分周期為7d，碼長約為。其中，5部分由地面監控站使用，32部分分配給不同的衛

9、星，1部分閑置，這樣，每顆衛星所使用的P碼便具有不同的結構，但碼長和周期相同。因為P碼的碼長約為，所以如果采用搜索C/A碼的辦法來捕獲P碼，即逐個碼元依次進行搜索，當搜索的速度仍為每秒50碼元時，那將是無法實現的（約需），因此，一般都是先捕獲C/A碼，然后根據導航電文中給出的有關信息，便可容易地捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，這時若取碼元的相關精度仍為碼元寬度的1/10-1/100，則由此引起的相應的距離誤差約為2.93-0.29m，僅為C/A碼的1/10，所以P碼可用于較精密的導航和定位，稱為精碼。GPS信號的調制與解調：在無線電通信技術中，為了有效地傳播信息都是將頻率較低

10、的信號加載在頻率較高的載波上，此過程稱為調制。然后載波攜帶有用信號傳送出去，到達用戶接收機。將C/A碼和P碼調制到載波L上，L1載波上調制C/A碼、P碼以及導航電文；L2載波上僅調制P碼與導航電文。GPS衛星的測距碼和數據碼信號又是怎樣調制到載波上的呢？GPS測距碼信號和數據碼信號，都是以二進制數為碼元的時間序列，它具有信號波形和信號序列兩種表述形式。信號波形也稱為碼狀態，通常以符號表示。信號序列通常以符號表示，信號序列中的每一個元素取值為0或者1，稱為碼值，約定，當碼值為0時，對應碼狀態為+1，當碼值取1時對應碼狀態為-1.實現碼信號與載波信號的調制，只需要取碼狀態與載波相乘就可以了。相位躍

11、遷：載波是一種電磁波，由GPS衛星上原子鐘的振蕩器產生，其數學表達式為一正弦波。因此，當碼狀態+1與載波相乘時，顯然不會改變載波的相位；而當碼狀態取-1與載波相乘時，載波相位改變180度。這樣，當碼值由0變為1，或由1變為0時，都會使調制后的載波相位改變180°，稱為相位躍遷。在加載測距碼信號與數據碼信號后，載波L1與L2的表達式分別為：，分別為調制于L1與L2上的P碼振幅；為1狀態的P碼，為1狀態的數據碼；為調制于L1上的C/A碼振幅，為1狀態的C/A碼，“i”為衛星編號；為載波的角頻率（j=1,2）；為載波的初相（j=1,2）GPS衛星的各個信號分量都是由衛星原子鐘振蕩器的基準頻

12、率產生，并且信號調制過程是通過電路中一系列混頻、模二求和與疊加實現。GPS衛星信號的解調：1. 碼相關解調技術：對已調波要想恢復載波，只需要用接收機產生的復制碼信號，在同步條件下與衛星信號相乘就可以了。其原因是由于接收機產生的復制碼信號，與GPS衛星發射的測距碼信號結構完全相同，在經過碼相關清除時延差后，可實現完全同步。這樣，原先因乘-1而改變的相位，現在又因在乘-1而得到恢復。主要是恢復數據碼D(t)。2. 平方解調技術4.4 GPS接收機基本工作原理功能上分類：使用GPS和GLONASS，藍牙設計，高度集成一體化，GNSS接收機，CORS接收機，網絡RTK技術，網絡RTK超長距離。4.4.

13、1 GPS接收機的分類1.用途分類（1）導航型（2）測地型（3）授時型接收機2.接收機的載波頻率分類（1）單頻接收機（2）雙頻接收機3.接收機按通道數進行分類4.按接收機工作原理分類4.4.2 GPS接收機工作原理組成：天線單元 接收機主機單元 電源接收機主機：變頻器、信號通道、微處理器、存儲器及顯示器組成。1.GPS接收機天線天線和前置放大器組成。天線將GPS衛星極弱的電磁波轉化為相應的電流，放大器將電流放大。以便于接收機對信號進行跟蹤、處理和量測。對天線的要求如下：GPS接收機天下的類型：1.單板2.四螺旋形天線3.微帶天線4.錐形天線（盤旋螺線型天線）2.接收機主機（1）變頻器及中頻放大

14、器（2）信號通道:GPS接收機能同時接收多顆GPS衛星的信號，為了分離接收到的不同衛星的信號，以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。作用：搜索衛星，牽引并跟蹤衛星。 實時解調出廣播電文 進行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量多普勒頻移：他認為聲波頻率在聲源移向觀察者時變高，而在聲源遠離觀察者時變低。一個常被使用的例子是火車，當火車接近觀察者時，其汽鳴聲會比平常更刺耳。你可以在火車經過時聽出刺耳聲的變化。同樣的情況還有：警車的警報聲和賽車的發動機聲。在衛星移動通信中，當飛機移向衛星時，頻率變高，遠離衛星時，頻率變低，而且由于飛機的速度十分快，所以我們在衛星移動通信中要充分考慮“多普勒