第三章GNSS系統組成與信號結構3.1GNSS系統組成3.2GNSS測距碼3.3GNSS信號結構第三章GNSS系統組成與信號結構3.2GNSS測距碼主要內容:

電磁波基本概念

GPS信號結構

GPS測距基本原理Slide31、電磁波的基本概念電磁波是一種隨時間t變化的正弦或余弦波。設電磁波初相角為

0，角頻率，振幅為Ae，則電磁波的數學表達式為

y=Aesin(t+0)

0

t+0t0t1y=Aesin(t+0)Aety=

/2

=(t+0)/2

注意：相角和相位2025/5/2041）、參數周期T、頻率f、速度v、波長λ、相位φ及其相互關系：T=1/f

，λ=T.v，φ=2πft。2）、電磁波普

1）全普與窗口

2）衛星大地測量常用普全普與窗口2025/5/205衛星定位常用波普符號頻率GHz平均波長（cm）P0.22~0.30115L1~220S2~410C4~85X8~12.53Slide62、GPS信號結構GPS載波信號L1載波GPS的測距碼C/A碼P碼導航電文衛星的星歷衛星工作狀態時間系統衛星鐘運行狀態軌道攝動改正大氣折射改正L2載波GPS衛星信號2025/5/207GPS衛星信號構成示意圖8

為了將低頻的測距碼信號和導航電文信號順利傳輸到地面，需另外發射一種高頻信號（載波）。GPS衛星取L波段的兩種不同電磁波頻率為載波，L1載波頻率為1575.42MHz，波長為19.03cm；L2載波頻率為1227.60MHz，波長為24.42cm。在L1載波上，調制有C/A碼、P碼（或Y碼）和數據碼；

L2載波上，只調制有P碼（或Y碼）和數據碼。調制信號:在無線電通信中，為有效地傳播信息，一般將頻率較低的信號加載到頻率較高的載波上，此時頻率較低的信號稱為調制信號。Slide92.1、GPS的載波信號L1載波頻率：1575.42MHZ波長：19cmL2載波頻率：1227.6MHZ波長：24cmcvac=

vacf=vac/TSlide10GPS的載波是L波段的微波，具有良好的穿透大氣的能力，從衛星的發射天線發出后沿直線傳播到達地球表面，發射信號強度為26.8dBw，接收最低信號強度為-160dBw。常規GPS接收機可以進行正常接收的最弱信號為-160dBw，而經過稠密介質時信號強度大為衰減，例如在室內，GPS信號強度會衰減為-188dBw（比-158dBw弱1000倍），因而常規GPS接收機在室內因信號太弱而不能進行定位，在這種弱信號環境下，特殊的GPS接收機仍然可以工作，例如IndoorGPS。2.1、GPS的載波信號Slide11載波的作用是作為傳輸工具，把搭載于其上的測距碼和導航電文從衛星傳播到地面；對于測量型接收機，載波又同時用作為測量信號，接收機對接收到的載波進行相位測量，獲得高精度的相位觀測值，從而實現厘米乃至毫米級的高精度基線測量。2.1、GPS的載波信號Slide123.1、信號的生成3、GPS信號的構成Slide133.2、GPS信號的調制X偽隨機噪聲碼導航電文(50Hz)X載波調制調制二級調制調制：將頻率較低的信號加載到頻率較高的信號上Slide14

第一級的調制第一級是導航電文調制到測距碼；采用二進制編碼序列“模二和”算法；調制結果是把數據碼(導航電文)從50Hz擴展到1.023MHz(對于C/A碼)010010101011010101010Slide15第二級是測距碼調制到載波，采用二進制信號“波形相乘”的算法，將導航電文與測距碼合成后的二進制碼調制到載波上

第二級的調制Slide16

L2上調制的信號L2CarrierWave1227.6MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHzSlide17L1CarrierWave1575.42MHzC/ACode1.023MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz

L1上調制的信號Slide183.2、

GPS信號的發展2025/5/20193.3測距碼的解調

在進行GPS衛星定位測量時，既然用戶接收機收到的GPS衛星信號是一種已調波，那么，隨之產生的一個技術問題，就是怎樣從接收到的已調波中分離出測距碼信號、導航電文信號以及純凈的載波信號，這項技術稱為信號的解調。當用戶接收機收到GPS衛星信號后，通常可采用以下兩種方法進行信號的解調：

（1）碼相關解調技術

（2）平方解調技術

2025/5/2020（1）碼相關解調技術由于調制波是以碼狀態與載波相乘實現的，當碼狀態由＋1變為-1，或由-1變為＋1時，都會使調制后的載波改變相位，產生相位躍遷而形成已調波。因此，要想恢復載波，只需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而被改變的相位，現在又因再乘-1而得到恢復。2025/5/2021碼信號的調制與解調過程

2025/5/2022（2）平方解調技術由于處于±1狀態的調制碼信號，經平方后均為＋1，而＋1不改變載波相位，所以衛星信號經平方后即可達到解調的目的。當用戶接收到GPS衛星信號后，首先通過變頻而得一中頻信號，這時信號結構無任何變化，僅僅只降低了載波頻率。電路再將所獲得的中頻GPS衛星信號自乘，消去加載在載波上的測距碼信號和數據碼信號，達到解調的目的。最后，電路輸出經過解調后的純凈載波。平方解調技術可不必知道調制碼的結構，但它在解調時不僅消去了測距碼信號，同時也消去了數據碼信號，因此不能用來恢復導航電文。2025/5/2023平方解調技術電路示意圖243、導航電文及其格式導航電文：是包含有關衛星的星歷、衛星工作狀態、時間系統、衛星鐘運行狀態、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導航信息的數據碼（或D碼）。

導航電文也是二進制碼，依規定格式組成，按幀向外播送。每幀電文含有1500比特，播送速度50bit/s，每幀播送時間30s。25導航電文的格式123451234567891030s6s0.02s0.6s25頁10個字30比特26

每幀導航電文含5個子幀，每個子幀分別含有10個字，每個字30比特，故每個子幀共300比特，播發時間6s。為記載多達25顆衛星，子幀4、5各含有25頁。子幀1、2、3和子幀4、5的每一頁構成一個主幀。主幀中1、2、3的內容每小時更新一次，4、5的內容僅當給衛星注入新的導航電文后才得以更新。27一幀導航電文的內容TLMHOW數據塊—1時鐘修正參數TLMHOW數據塊—2星歷表TLMHOW數據塊—2星歷表繼續TLMHOW數據塊—3衛星歷書等TLMHOW數據塊—3衛星歷書等12345一個子幀6s長，10個字，每字30比特1幀30s1500比特28（1）遙測碼（TLM—TelemetryWORD）

位于每個子幀的開頭，它用來表明衛星注入數據的狀態，作為捕獲導航電文的前導。（2）轉換碼（HOW—HandOverWord）

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計數表示從每星期六或星期日午夜零時起算的對P碼中的PN1的累計數)29（3）數據塊1：第一數據塊位于第1子幀的第3—10字碼，它的主要內容包括：①時延差改正：時延差改正表示信號在衛星內部的時誕差，從產生到衛星發射天線所走時間的差異。②星期序號WN：表示從1980年1月6日協調時零點起算的GPS時星期數。當GPS周數變換后,所用的GPS信號接受機及其相應處理軟件均應調整.第一批的1024個GPS星期已于1999年8月22日子夜結束,第二批到2019年4月6日,第三批到2038年11月20日.④數據齡期AODA：表示基準時間t0e與最近一次更新星歷的時間之差，主要用于評價鐘改正數的可信程度。⑤衛星時鐘改正系數等：衛星鐘改正參數a0、a1、a2分別表示該衛星的鐘差、鐘速和鐘速變化率。任意時刻t的鐘改正數為

t=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。30數據塊2：2個時間參數：①從星期日子夜零時開始度量的星歷參考歷元t0e；②外推星歷時的外推時間間隔AODE，亦即星歷數據的齡期，它可反映外推星歷的可靠程度。6個開普勒軌道參數：es；as1/2；

0；i0；s；Ms0。9個軌