GPS测量原理及应用：第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号.ppt

第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/141GPSGPS测量原理及应用测量原理及应用第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1424 4.1 GPS.1 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文GPSGPS定位的基本观测量定位的基本观测量 1.1.观测站至观测站至GPSGPS卫星的距离；卫星的距离；2.2.它它是是通通过过测测定定卫卫星星信信号号在在该该路路径径上上的的传传播播时时间间（（时时间间延延迟迟）），，或或测测定定卫卫星星载载波波信信号号相相位位在在该该路路径径上上变变化化的的周周数数（相位延迟）来导出的相位延迟）来导出的第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/143码的基本概念码的基本概念码：码：表达不同信息的二进制数表达不同信息的二进制数(0和和1)及其组合及其组合码码元元:在在二二进进制制中中，，一一位位二二进进制制数数叫叫一一个个码码元元或或一一比比特特(binary digit-bit)，，被被取取为为码码的的度度量量单单位位11，，10，，01，，00每个码含有两个二进制数每个码含有两个二进制数, 即两码元即两码元)数码率数码率：：每秒钟传输的比特数，每秒钟传输的比特数，bit/s或记为或记为BPS。

编码：编码：如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码一过程称为编码第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/144导航电文及其格式导航电文及其格式导航电文：导航电文：是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由和由C/A码捕获码捕获P码等导航码等导航信息的数据码（或信息的数据码（或D D码） 1.导航电文是二进制导航电文是二进制码，依规定格式组码，依规定格式组成，按成，按帧帧向外播送向外播送2.每帧电文含有每帧电文含有1500比特，播送速度比特，播送速度50bit/s，，每帧播送每帧播送时间时间30s第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/145第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/146导航电文的格式导航电文的格式1.1.每帧导航电文含每帧导航电文含5 5个子帧，个子帧，2.2.每个子帧分别含有每个子帧分别含有1010个字个字码码，每个字，每个字码有码有3030比特，故比特，故每个子帧共每个子帧共300300比特，播发时间比特，播发时间6 6s s。

3.3.为记载多达为记载多达2525颗卫星，子帧颗卫星，子帧4 4、、5 5各含有各含有2525页子帧1 1、、2 2、、3 3和子帧和子帧4 4、、5 5的每一页构成一个主帧的每一页构成一个主帧4.4.主帧中主帧中1 1、、2 2、、3 3的内容每小时更新一次，的内容每小时更新一次，4 4、、5 5的内容仅的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新当给卫星注入新的导航电文后才得以更新第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/147123451234567891030s6s0.02s0.6s各各25页面页面10个字码个字码30比特比特导航电文的格式导航电文的格式每帧电文含有每帧电文含有1500比特，比特，播送速度播送速度50bit/s，，每帧播送时间每帧播送时间30s第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/148一帧导航电文的内容一帧导航电文的内容TLMHOW数据块数据块—1 时钟修正参数时钟修正参数TLMHOW数据块数据块—2 星历表星历表TLMHOW数据块数据块—2 星历表继续星历表继续TLMHOW数据块数据块—3 卫星历书等卫星历书等TLMHOW数据块数据块—3 卫星历书等卫星历书等12345一个子帧一个子帧6s长，长，10个字，每字个字，每字30比特比特1帧帧30s1500比特比特第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1494.1.1遥测码遥测码（（TLM—Telemetry WORD）） 位于个子帧的开头，它用来表明卫星注入数据的状位于个子帧的开头，它用来表明卫星注入数据的状态，作为捕获导航电文的前导。

态，作为捕获导航电文的前导1.1~8bit:同步码，识别电文内容的序号，为各子帧提供了同步码，识别电文内容的序号，为各子帧提供了一个同步的起点；一个同步的起点；2.9~22bit：遥测电文，供地面监测站使用的信息，包括地：遥测电文，供地面监测站使用的信息，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息；息；3.22~23bit：连接码；：连接码；4.25~30bit：奇偶检验码，发现和纠正错误，指导用户是否：奇偶检验码，发现和纠正错误，指导用户是否选用该卫星选用该卫星第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14104.1.2转换码转换码（（HOW—Hand Over Word）） 转换码位于每个子帧的第二个字码其作用是提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供帮助用户从所捕获的C／／A码转换到捕获码转换到捕获P码的码的Z计数第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14114.1.3数据块数据块1第一数据块位于第第一数据块位于第1子帧的第子帧的第3—10字码字码:1.标识码，时延差改正：标识码，时延差改正： L2载波是采用载波是采用P码或码或C/A码调制码调制,“01”为为P码调制，码调制，“10”为为C/A码调制；码调制； 电离层延迟改正参数。

电离层延迟改正参数2.数据龄期数据龄期AODC：：时钟改正数的外推时间间隔时钟改正数的外推时间间隔,表明表明卫星时钟改正数的置信度卫星时钟改正数的置信度. AODC=toc-t1 Toc为第一数据块的参考时刻，为第一数据块的参考时刻， 卫星钟改正参数对应的参考时刻卫星钟改正参数对应的参考时刻 T1为计算为计算时钟改正参数所用数据的时钟改正参数所用数据的 最后观测时间最后观测时间t1tocAODC第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1412123451234567891030s6s0.02s0.6s各各25页面页面10个字码个字码30比特比特导航电文的格式导航电文的格式第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14134.1.3数据块数据块1：：3.星期序号星期序号WN：： 表示从表示从1980年年1月月6日协调时零点起算的日协调时零点起算的GPS时星期数时星期数4.卫星时钟改正系数等：卫星时钟改正系数等： 卫星钟改正参数卫星钟改正参数a0、、a1、、a2分别表示该卫星的钟差分别表示该卫星的钟差 、钟速和钟速变化率。

任意时刻、钟速和钟速变化率任意时刻t的钟改正数为：的钟改正数为：  ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14144.1.4数据块数据块2 2个时间参数：个时间参数：①①从星期日子夜零时开始度量的星从星期日子夜零时开始度量的星历参考历元历参考历元toe ；；②②外推星历时的外推时间间隔外推星历时的外推时间间隔AODE，，亦即星历数据的龄期，亦即星历数据的龄期，它可反映外推星历的可靠程度它可反映外推星历的可靠程度AODE= toe – t1 t1toeAODE第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1415数据块数据块3：： 1.第三数据块包括第第三数据块包括第4和第和第5两个子帧，其内容包括了所两个子帧，其内容包括了所有有GPS卫星的历书数据卫星的历书数据2.当接收机捕获到某颗当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星并且较快地捕获到所选择的卫星.第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14164 4.2 GPS.2 GPS卫星信号卫星信号随机噪声码随机噪声码 码是用以表达各种信息的二进制数的组合，是一组二进码是用以表达各种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列，可以表达成以制的数码序列，可以表达成以0和和1为幅度的时间函数。

为幅度的时间函数第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1417随机噪声码随机噪声码: 假设一组码序列假设一组码序列u(t)，，对某一时刻来说，码元是对某一时刻来说，码元是0或或1完全是随机的，但出现的概率均为完全是随机的，但出现的概率均为1/2这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序随机码序列（或随机噪声码序列）列（或随机噪声码序列）1.它是一种非周期性序列，无法复制，它是一种非周期性序列，无法复制，2.但其但其自相关性好自相关性好3.而相关性的好坏，对提高利用而相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距卫星码信号测距精度，极其重要精度，极其重要第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1418随机噪声码随机噪声码随机码的自相关性随机码的自相关性: 现将随机序列现将随机序列u(t)平移平移k个码元，得到一个新的随机序列个码元，得到一个新的随机序列u(t-k)，，将两随机序列将两随机序列u(t)和和u(t-k)进行模进行模2相加相加，，又得到又得到一个新的随机序列一个新的随机序列,其中其中 R(t) = (Au - Bu) / (Au + Bu) Au为为“0”的个数，的个数，Bu为为“1”的个数的个数第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 02024/8/14191+1=0，，0+0=00+1=1，，1+0=1第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1420R(t) = (Au - Bu) / (Au + Bu)1.当平移的码元数当平移的码元数k=0，，两个结构相同两个结构相同的随机码序列，相应的码元相互对齐，的随机码序列，相应的码元相互对齐， Bu=0，，自相关系数自相关系数R(t)=1。

2.当当IkI>t0时，由于码序列的随机性，时，由于码序列的随机性，当序列中码元数充分大时，则当序列中码元数充分大时，则Au Bu，，即自相关系数即自相关系数R(t)  03.当当IkI

则可以从接收机的时间延迟则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，从而准确测定站星距离准确测定站星距离3.尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1422伪随机噪声码及其产生伪随机噪声码及其产生GPS采用了一种伪随机噪声码采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random Noise——PRN）简称简称伪随机码或伪码伪随机码或伪码1.具有随机码的良好自相关性具有随机码的良好自相关性;2.具有某种确定的编码规则具有某种确定的编码规则;3.具有周期性的，容易复制具有周期性的，容易复制第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1423伪随机码伪随机码第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1424伪随机噪声码的产生伪随机噪声码的产生多极反馈移位寄存器多极反馈移位寄存器1.移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有存储单元只有0或或1两种状态。

两种状态2.移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置1脉冲3.移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置1脉冲的作用下而脉冲的作用下而工作的第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14251.假设移位寄存器是由假设移位寄存器是由4个存储单元组成的四级反馈移位个存储单元组成的四级反馈移位寄存器，当钟脉冲加到该移位寄存器后，每个存储单元寄存器，当钟脉冲加到该移位寄存器后，每个存储单元的内容，都顺序地由上一单元转移到下一单元的内容，都顺序地由上一单元转移到下一单元2.与此同时，将其中某几个单元，如单元与此同时，将其中某几个单元，如单元3和单元和单元4的内容的内容进行模进行模2相加，反馈给第一个单元相加，反馈给第一个单元1234钟脉冲钟脉冲输出置置1脉冲脉冲模模2 2相加相加1+1=0，，0+0=00+1=1，，1+0=1第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1426移位寄存器在工作开始时，置移位寄存器在工作开始时，置1 1脉冲的作用，使各级存储单元的内容全部处于脉冲的作用，使各级存储单元的内容全部处于1 1状态，此后在钟脉冲驱动下，将经历状态，此后在钟脉冲驱动下，将经历1515种状态种状态。

0101110 1 0 11 0 1 10 1 1 1131415001101010 0 1 10 1 1 01 1 0 11 0 1 09101112000100110 0 0 10 0 1 00 1 0 01 0 0 15678111100011 1 1 11 1 1 01 1 0 01 0 0 01234末极输出的末极输出的二进制数二进制数模模2加反馈加反馈 3+4各级状态各级状态4 3 2 1 状态编号状态编号第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1427伪随机噪声码的产生伪随机噪声码的产生1.移位寄存器在经历了上表所列的移位寄存器在经历了上表所列的15种状态后，再重复全种状态后，再重复全1状态，完成一个最大周期状态，完成一个最大周期2.同时，从第四级存储单元也输出一个最大周期为同时，从第四级存储单元也输出一个最大周期为15tu的二的二进制数序列进制数序列,(tu为两个钟脉冲的时间间隔为两个钟脉冲的时间间隔)。

这种周期最大的二这种周期最大的二进制数序列，通常称为进制数序列，通常称为m序列序列3.上例中是一个码长包含有上例中是一个码长包含有15个码元的周期序列，任何一个个码元的周期序列，任何一个码在周期序列中都有相应确定的码在周期序列中都有相应确定的位置和时刻位置和时刻第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1428m序列的特点：序列的特点：1.均衡性：均衡性： 在一个周期中，在一个周期中，“1”与与“0”的数目基本相等，的数目基本相等，“1”比比“0”的数目多一个不允许存在全的数目多一个不允许存在全“0”状状态1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 02.游程的分布：游程的分布： 游程游程：相同的码元连在一起称为一个游程相同的码元连在一起称为一个游程 长度为长度为1的游程占总数的的游程占总数的1/2，长度为，长度为2的游程占总数的的游程占总数的1/4，连，连“1”的游程和连的游程和连“0”的游程各占一半的游程各占一半第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1429m序列的特点：序列的特点：3.移位相加特性：移位相加特性：1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 01 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1srpmmm= =Å Å1+1=0，，0+0=00+1=1，，1+0=1第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1430m序列的特点：序列的特点：1.自相关函数：自相关函数：2.其自相关函数其自相关函数: R(j)=1 当当j=0, ±m, ±2m, … R(j)=-1/m 当当j≠0, ±m, ±2m, …( )mDADADAjR-=+-=周期，总码元个数周期，总码元个数不同码元个数不同码元个数相同码元个数相同码元个数:::mDA第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1431伪随机噪声码的产生伪随机噪声码的产生m序列自相关函数图序列自相关函数图11R(j)-1/mt0j第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14321.1.对于一个对于一个r r级反馈移位寄存器来说，将产生更复杂的周级反馈移位寄存器来说，将产生更复杂的周期性期性m m序列，此时移位寄存器可能经历的状态（码长）序列，此时移位寄存器可能经历的状态（码长）为为N Nu u=2=2r r-1-1，，最多包含最多包含N Nu u个码元，最大周期为个码元，最大周期为T Tu u=N=Nu ut tu u。

2.2.在在r r级反馈移位寄存器所产生的周期性级反馈移位寄存器所产生的周期性m m序列中，有时可序列中，有时可以截取其中的一部分，组成一个新的周期性序列加以利以截取其中的一部分，组成一个新的周期性序列加以利用，这种新的周期较短的序列，称为用，这种新的周期较短的序列，称为截短序列或截短码截短序列或截短码3.3.实际中有时还需要将多个周期较短的实际中有时还需要将多个周期较短的m m序列，按预定的序列，按预定的规则，构成一个周期较长的序列，称为规则，构成一个周期较长的序列，称为复合序列或复合复合序列或复合码 第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14331 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 01 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 01 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 01 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 01 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 StRtSt+∆tRt+∆t第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1434测定伪距的示意图第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14351.1.GPSGPS信号接收机就是利用这一特征使所接收的伪信号接收机就是利用这一特征使所接收的伪噪声码和机内产生的伪噪声码达到对齐同步，进噪声码和机内产生的伪噪声码达到对齐同步，进而捕获和识别来自不同而捕获和识别来自不同GPSGPS卫星的伪噪声码，解卫星的伪噪声码，解译出它们所传送的导航电文，测定从卫星到测站译出它们所传送的导航电文，测定从卫星到测站之间的距离等之间的距离等. .第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1436GPS的测距码的测距码（（1））C/A码：码：第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1437GPS的测距码的测距码（（1））C/A码：码：1.由两个由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。

码长级反馈移位寄存器组合而产生码长Nu=210-1 = 1023比特，码元宽为比特，码元宽为tu=1/f1=0.97752 s,（（ f1为基准频率为基准频率f0的的1/10，，1.023 MHz））,相应的距离为相应的距离为293.1m周期为周期为Tu= Nutu=1ms 2.C/A码的码长短，共码的码长短，共1023个码元，若以每秒个码元，若以每秒50码元的速度码元的速度搜索，只需搜索，只需20.5s，，易于捕获，称易于捕获，称捕获码捕获码 3.码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的的1/10~1/100，则相应的测距误差为，则相应的测距误差为29.3~2.93m由于精度由于精度低，又称低，又称粗码粗码第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1438（（2））P码码 1.两组各由两组各由12级反馈移位寄存器构成码长级反馈移位寄存器构成码长Nu=2.35 1014比特，码元宽为比特，码元宽为tu=1/f0=0.097752 s，，相应相应的距离为的距离为29.3m周期为周期为Tu= Nutu  267d   38星期。

星期2.P码的周期长，实际应用时码的周期长，实际应用时P码的周期被分成码的周期被分成38部分，部分，码长约码长约6.19  1012比特，其中比特，其中1部分闲置，部分闲置，5部分给地面部分给地面监控站使用，监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用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，但结构码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同3.P码的捕获一般是先捕获码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，码，再根据导航电文信息，捕获捕获P码由于P码的码元宽度为码的码元宽度为C/A码的码的1/10，若取码，若取码元对齐精度仍为码元宽度的元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差，则相应的距离误差为为0.29m，，故故P码称为码称为精码精码第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1439GPS卫星信号包含三种信号分量：卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码载波、测距码和和数据码数据码信号分量的产生都是在同一个基本频率信号分量的产生都是在同一个基本频率f0= 10.23 MHz的控的控制下产生制下产生基本频率基本频率10.23MHzL1载波载波1575.42MHzL2载波载波1227.60MHzC/A码码1.023MHzP码码10.23MHzP码码10.23MHz数据码数据码50BPS数据码数据码50BPS 154 120 10GPSGPS卫星信号卫星信号第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1440卫星信号卫星信号：：1.卫星配有卫星配有4台频率相当稳定（量时精度为台频率相当稳定（量时精度为10-13秒）的原子钟（秒）的原子钟（2台铯钟，台铯钟，2台铷钟），由此产生一个频率为台铷钟），由此产生一个频率为: 10.23MHz的基准钟频信号。

的基准钟频信号2.基准钟频信号经过倍频器降低基准钟频信号经过倍频器降低10倍的频率后，成为频率为倍的频率后，成为频率为1.023MHz测测距粗码（距粗码（C/A码）的信号频率；码）的信号频率；3.基准钟频信号的频率基准钟频信号的频率10.23MHz，，直接成为测距精码（直接成为测距精码（P码）的信号频率；码）的信号频率；4.基准钟频信号经过倍频器降低基准钟频信号经过倍频器降低204600倍的频率后，成为频率为倍的频率后，成为频率为50MHz数据码（卫星星历、导航电文的编码）的信号频率；数据码（卫星星历、导航电文的编码）的信号频率；5.基准钟频信号再经过倍频器倍频基准钟频信号再经过倍频器倍频150倍和倍和120倍频后，分别形成频率为倍频后，分别形成频率为1575.42MHz（（L1））与与1227.60MHz（（L2））载波信号载波信号第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1441卫星信号卫星信号nGPS卫星取卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载波，波段的两种不同电磁波频率为载波，L1载波载波频率为频率为1575.42MHz，，波长为波长为19.03cm；； L2载波频率为载波频率为1227.60MHz，，波长为波长为24.42cm。

n在在L1载波上，调制有载波上，调制有C/A码、码、P码（或码（或Y码）和数据码；码）和数据码； L2载波上，只调制有载波上，只调制有P码（或码（或Y码）和数据码码）和数据码3.调制信号调制信号:在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信号称为调制信号低的信号称为调制信号第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1442第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1443GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的1.调制码的幅值只取调制码的幅值只取0或或12.如果当码值取如果当码值取0时，对应的码状态取为时，对应的码状态取为+1，而码值取，而码值取1时，时，对应的码状态取为对应的码状态取为-1，那么载波和相应的码状态相乘后便，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制实现了载波的调制3.当载波与码状态当载波与码状态+1相乘时，其相位不变，而当与码状态相乘时，其相位不变，而当与码状态-1相乘时，其相位改变相乘时，其相位改变180度。

度4.所以当码值从所以当码值从0变为变为1或从或从1变为变为0时，都将使载波相位改变时，都将使载波相位改变180度这时的载波信号实现了调制码的相位调制度这时的载波信号实现了调制码的相位调制第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/144401第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14451 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 01 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 01 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 01 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 01 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 StRtSt+∆tRt+∆t第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1446第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1447能够接收、跟踪、能够接收、跟踪、变换和测量变换和测量GPS信号的卫星信号信号的卫星信号接收设备接收设备.第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1448根据工作原理：根据工作原理：码相关型码相关型平方型平方型混合型混合型根据信号通道类型：根据信号通道类型：多通道多通道 序贯通道序贯通道多路多用通道多路多用通道根据接收信号的频根据接收信号的频率：率：单频单频双频双频根据用途：根据用途：导航型导航型测量型测量型守（授）时型守（授）时型接收机的类型接收机的类型第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1449通道通道: :是由硬件和相应的控制软件组成的。

每个通道，是由硬件和相应的控制软件组成的每个通道，在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号当接在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号当接收机需同步跟踪多个卫星信号时，原则上可能采用两收机需同步跟踪多个卫星信号时，原则上可能采用两种跟踪方式种跟踪方式: :1.其一是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都其一是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续地跟踪一个卫星信号；可连续地跟踪一个卫星信号；2.其二是一个信号通道，在相应软件的控制下跟踪多个其二是一个信号通道，在相应软件的控制下跟踪多个卫星信号卫星信号根据信号通道类型根据信号通道类型第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14501.序贯通道序贯通道1.序贯通道，对进入该通道的卫星信号，在软件的控制序贯通道，对进入该通道的卫星信号，在软件的控制下按时序依次进行跟踪和量测，测一个循环，所需时下按时序依次进行跟踪和量测，测一个循环，所需时间间大于大于20ms2.在对多个卫星信号依次进行量测时，在不同信号之间在对多个卫星信号依次进行量测时，在不同信号之间的转换率，与导航电文的比特率的转换率，与导航电文的比特率(50比特比特/秒秒)是不同步是不同步的，在对一个卫星信号测量时，将要丢失其他一些卫的，在对一个卫星信号测量时，将要丢失其他一些卫星信号的信息，无法获得卫星的完整导航电文。

星信号的信息，无法获得卫星的完整导航电文3.一个序贯通道接收机，一般都需要一个额外的通道来一个序贯通道接收机，一般都需要一个额外的通道来获取电文获取电文第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1451序贯通道的优点序贯通道的优点:1.硬件通道数少，结构简单，因而有利于减小接收机硬件通道数少，结构简单，因而有利于减小接收机的体积和重量；的体积和重量；2.由于采用单通道，各卫星信号在通道中的延迟都是由于采用单通道，各卫星信号在通道中的延迟都是相同的序贯通道的缺点序贯通道的缺点:1.不能同时接收卫星导航电文；不能同时接收卫星导航电文；2.通道的控制软件较为复杂；通道的控制软件较为复杂；3.难于保持载波信号的连续跟踪；难于保持载波信号的连续跟踪；第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14522.多路多用通道多路多用通道 1.与贯序通道相类似，多路多用通道同样对进人该通道与贯序通道相类似，多路多用通道同样对进人该通道的所有卫星信号，在相应软件的控制下，按时序依次的所有卫星信号，在相应软件的控制下，按时序依次进行量测，但其量测一遍的总时间小于或等于进行量测，但其量测一遍的总时间小于或等于20ms。

2.由于多路多用通道对卫星信号一次量测的时间很短，由于多路多用通道对卫星信号一次量测的时间很短，能在不同的卫星信号之间，以及两个频率能在不同的卫星信号之间，以及两个频率L1,L2信号之信号之间，进行高速地转换，转换的速率同导航电文的比特间，进行高速地转换，转换的速率同导航电文的比特率率(50比特比特/秒秒)同步第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1453多路多路多多用通道接收机的优点用通道接收机的优点: : 能同时获得所跟踪卫星的完整导航电文，而且可以连续能同时获得所跟踪卫星的完整导航电文，而且可以连续地跟踪载波信号，实现对载波相位的连续量测与序贯通地跟踪载波信号，实现对载波相位的连续量测与序贯通道接收机相比，这是多路道接收机相比，这是多路多多用通道接收机的重要优点用通道接收机的重要优点多路多路多多用通道接收机的主要缺点是用通道接收机的主要缺点是: : 信噪比相对于以下将介绍的多通道接收机为低，通道的信噪比相对于以下将介绍的多通道接收机为低，通道的控制软件也比较复杂控制软件也比较复杂第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14543.多通道多通道 具有四个及四个以上信号通道，且每个通道只连续跟具有四个及四个以上信号通道，且每个通道只连续跟踪一个卫星信号的接收机，称为踪一个卫星信号的接收机，称为多通道接收机多通道接收机。

多通道接收机的主要优点是多通道接收机的主要优点是: : 能够不间断地跟踪每个卫星信号，从而可连续地对卫能够不间断地跟踪每个卫星信号，从而可连续地对卫星信号的测距码和载波进行量测，且具有较好的信噪比星信号的测距码和载波进行量测，且具有较好的信噪比第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1455多通道接收机的主要缺点是多通道接收机的主要缺点是: :1.各通道间存在信号延迟的偏差，必须进行比对和改正；各通道间存在信号延迟的偏差，必须进行比对和改正；2.由于通道数较多，结构较为复杂，不利于减轻接收由于通道数较多，结构较为复杂，不利于减轻接收 机机的重量和体积的重量和体积 因为多路复用通道和多通道可以不间断地跟踪各因为多路复用通道和多通道可以不间断地跟踪各卫星信号，所以它们又称为卫星信号，所以它们又称为连续跟踪型通道连续跟踪型通道，，而序贯通道则称为而序贯通道则称为非连续跟踪型通道非连续跟踪型通道第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14564.4.2 GPS4.4.2 GPS接收机的组成及工作原理接收机的组成及工作原理第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1457对天线的要求：对天线的要求：1.天线和前置放大器应密封一体，以保障其工作正常，天线和前置放大器应密封一体，以保障其工作正常，减少信号损失；减少信号损失；2.能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；3.有防护与屏蔽多路径效应的措施；有防护与屏蔽多路径效应的措施；4.天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。

量一致第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1458第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14591.单极或偶极天线：单极或偶极天线： 属于单频天线，结构简单，体积小，通常安装在一块属于单频天线，结构简单，体积小，通常安装在一块基板上，减弱多路径影响基板上，减弱多路径影响2.四线螺旋形或螺旋形结构天线：四线螺旋形或螺旋形结构天线： 属于单频天线，结构较单极天线复杂，生产中难以调属于单频天线，结构较单极天线复杂，生产中难以调整，但增益性好，一般不需底板整，但增益性好，一般不需底板3.锥形天线：锥形天线： 也称盘旋螺线型天线可同时在两个频道上工作，优也称盘旋螺线型天线可同时在两个频道上工作，优点是增益性好，但天线较高，螺旋线在水平方向上不点是增益性好，但天线较高，螺旋线在水平方向上不完全对称，天线的相位中心和几何中心完全对称，天线的相位中心和几何中心不不完全重合完全重合第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14604.带扼流圈的振子天线：带扼流圈的振子天线： 简称扼流圈天线简称扼流圈天线1987年由美国航空航天局（年由美国航空航天局（NASA））研研制。

主要特点是可有效地抑制多路径误差的影响主要特点是可有效地抑制多路径误差的影响缺点是体积大，重量重是体积大，重量重5.微波传输带型天线：微波传输带型天线： 简称微带天线结构最为简单和坚固，即可用于单频，简称微带天线结构最为简单和坚固，即可用于单频，也可用于双频，天线高度低，是安装在飞机上的理想天也可用于双频，天线高度低，是安装在飞机上的理想天线缺点是增益性低，但可采用低噪声前置放大器加以线缺点是增益性低，但可采用低噪声前置放大器加以弥补弥补.第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1461第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14624.4.2 GPS4.4.2 GPS接收机的组成及工作原理接收机的组成及工作原理第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1463接收机的主要任务接收机的主要任务:1.当当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；这些卫星的运行；2.对所接收到的对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功信号，具有变换、放大和处理的功能；能；3.测量出测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出出CPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的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。

三维位置，甚至三维速度和时间第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1464 GPS测量系统的软件功能及其发展测量系统的软件功能及其发展 测量型测量型GPS接收机的数据处理软件系统接收机的数据处理软件系统:1.观测计划编制软件：观测计划编制软件： 该软件可产生天空卫星分布图，显示卫星高度和该软件可产生天空卫星分布图，显示卫星高度和方位角，给出表征卫星几何配置的精度因子方位角，给出表征卫星几何配置的精度因子PDOP，，以便选择最好的卫星配置和最佳的观测时段以便选择最好的卫星配置和最佳的观测时段第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14652.观测数据预处理软件：观测数据预处理软件：主要功能：主要功能：对原始观测数据进行编辑、加工和整理，分对原始观测数据进行编辑、加工和整理，分流出各种专用信息文件，为进一步平差做准备流出各种专用信息文件，为进一步平差做准备1.数据传输：数据传输：将将GPS接收机记录的观测数据传输到磁盘接收机记录的观测数据传输到磁盘或其它介质上，以便进行处理和保存或其它介质上，以便进行处理和保存2.数据分流：数据分流：根据原始记录，通过解码将各项数据分类根据原始记录，通过解码将各项数据分类整理，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，整理，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、观测文件和测站信息文件等。

如星历文件、观测文件和测站信息文件等3.观测数据的平滑、滤波：观测数据的平滑、滤波：剔除粗差并进一步删除无剔除粗差并进一步删除无效观测值效观测值第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14664.统一数据文件格式：统一数据文件格式：将不同类型接收机的数据记录将不同类型接收机的数据记录格式、项目和采样间隔，生成标准的文件格式（通过格式、项目和采样间隔，生成标准的文件格式（通过RINEX），），以便统一处理以便统一处理5.卫星轨道的标准化：卫星轨道的标准化：统一不同来源卫星轨道信息的统一不同来源卫星轨道信息的表达方式、平滑表达方式、平滑GPS卫星每小时发送的轨道参数，使观卫星每小时发送的轨道参数，使观测时段的卫星轨道标准化测时段的卫星轨道标准化6.自动探测周跳，修复载波相位观测值自动探测周跳，修复载波相位观测值7.对观测值进行必要的改正对观测值进行必要的改正第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14673.基线向量处理软件：基线向量处理软件：1.处理多台仪器的同步观测数据，给出载波相位观测值差处理多台仪器的同步观测数据，给出载波相位观测值差分的固定解和浮动解。

分的固定解和浮动解2.同步边观测数据的质量检核，包括观测数据的剔除率、同步边观测数据的质量检核，包括观测数据的剔除率、观测值的残差分析和不同时段重复观测边的精度检核等观测值的残差分析和不同时段重复观测边的精度检核等3.应用广播星历或精密后处理星历处理观测数据应用广播星历或精密后处理星历处理观测数据4.精密相对定位数据处理的轨道改进法精密相对定位数据处理的轨道改进法5.采用测码伪距或测相伪距，测定和精化起始站坐标的初采用测码伪距或测相伪距，测定和精化起始站坐标的初始值第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14686.处理结果的输出值为测站点的空间直角坐标和大地坐处理结果的输出值为测站点的空间直角坐标和大地坐标、基线向量的坐标差、基线的长度、方位角和大地标、基线向量的坐标差、基线的长度、方位角和大地高差，以及输出量的方差和协方差高差，以及输出量的方差和协方差7.处理不同定位模式的观测数据，如静态、快速静态、处理不同定位模式的观测数据，如静态、快速静态、准动态和动态等定位模式准动态和动态等定位模式8.支持整周未知数的静态快速解算方法支持整周未知数的静态快速解算方法9.支持以载波相位观测量为根据的实时动态定位技术支持以载波相位观测量为根据的实时动态定位技术（（RTK或或RTDGPS）。

第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14694.GPS网平差软件：网平差软件：1.网的质量检核，主要包括网中图形（三角形和多边形）网的质量检核，主要包括网中图形（三角形和多边形）闭合差的计算和检核闭合差的计算和检核2.将基线向量的平差结果作为相关观测量进行将基线向量的平差结果作为相关观测量进行GPS网的网的整体平差整体平差3.平差结果给出在平差结果给出在WGS-84和用户要求的坐标系统中的空和用户要求的坐标系统中的空间直角坐标、大地坐标和高斯平面坐标及其方差和协间直角坐标、大地坐标和高斯平面坐标及其方差和协方差4.能根据用户要求选用不同的平差方法能根据用户要求选用不同的平差方法第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14705.GPS网与经典地面网的联合平差软件网与经典地面网的联合平差软件1.两网之间转换模型的选择两网之间转换模型的选择2.确定网的方差与协方差模型及网的基准确定网的方差与协方差模型及网的基准3.三维联合平差及精度评定三维联合平差及精度评定4.在大地坐标系或平面坐标系中的两维联合平差及精度在大地坐标系或平面坐标系中的两维联合平差及精度评定。

评定5.平差结果应给出在不同坐标系中网点的坐标值、两网平差结果应给出在不同坐标系中网点的坐标值、两网之间的转换参数及其方差与协方差之间的转换参数及其方差与协方差6.测区内似大地水准面的拟合及正常高的计算测区内似大地水准面的拟合及正常高的计算第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14716.数据库的管理软件：数据库的管理软件： 1.主要功能包括数据存储与检索、测量成果的归档以及与主要功能包括数据存储与检索、测量成果的归档以及与国家控制网或其它系统软件（如国家控制网或其它系统软件（如GIS））的接口等的接口等2.进一步增强数据的综合处理功能，支持多种测量模式，进一步增强数据的综合处理功能，支持多种测量模式，满足不同用户要求满足不同用户要求3.加强网平差、坐标系统转换以及成果的分析功能加强网平差、坐标系统转换以及成果的分析功能4.GPS网及其与经典地面网联合平差方法的优化，提高数网及其与经典地面网联合平差方法的优化，提高数据处理的速度和改善平差结果的精度据处理的速度和改善平差结果的精度5.增强绘图功能，开发控制测量、地形地物测量与绘图一增强绘图功能，开发控制测量、地形地物测量与绘图一体化的软件系统。

体化的软件系统第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14726.提高自动诊断和修复周跳的能力提高自动诊断和修复周跳的能力7.发展快速解算整周未知数技术，缩短观测时间，提高作业发展快速解算整周未知数技术，缩短观测时间，提高作业效率8.开发和完善动态确定整周未知数技术，进一步发展精密实开发和完善动态确定整周未知数技术，进一步发展精密实时相对定位技术时相对定位技术9.完善数据处理的数学模型和技术，进一步改善定位结果的完善数据处理的数学模型和技术，进一步改善定位结果的精度10.发展数据处理的轨道改进技术，提高长距离的测量精度发展数据处理的轨道改进技术，提高长距离的测量精度11.差分差分GPS（（如如DGPS、、LADGPS、、WADGPS等）修正量算等）修正量算法的最优化和数据传输格式的标准化法的最优化和数据传输格式的标准化12.提高数据处理的自动化水平提高数据处理的自动化水平第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/1473经济实惠、一体化的单经济实惠、一体化的单频频GPS接收机接收机 对于控制测量、地形测量对于控制测量、地形测量GIS和实时测量，和实时测量，4600LS是一是一种经济实惠的种经济实惠的GPS接收机。

接收机该接收机不需要点间通视，该接收机不需要点间通视， 在任何情况均可进行操作在任何情况均可进行操作4600LS可有效地应用于短基可有效地应用于短基线及中等基线的静态、快速线及中等基线的静态、快速静态及动态测量静态及动态测量.4600LS第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14741.4600LS轻巧，使用简单，接收机、天线及轻巧，使用简单，接收机、天线及C型电池密封型电池密封于一体，总重量只有于一体，总重量只有1.7Kg，，不需要外接电池及连不需要外接电池及连 线，线，全机只需全机只需一一个按钮操作，三个指示灯可以使你方便简个按钮操作，三个指示灯可以使你方便简单地控制测量时程功耗只有单地控制测量时程功耗只有1瓦 2.用于控制测量时，将用于控制测量时，将4600LS连接在三角架上，按一下连接在三角架上，按一下按纽就可以开始测量；用于地形测量时将按纽就可以开始测量；用于地形测量时将4600LS 连接连接到一支测杆上，使用到一支测杆上，使用Trimble选配的手持测量控制器控选配的手持测量控制器控制测量过程制测量过程3.4600LS的外包装设计可以适应野外较为恶劣的环境，的外包装设计可以适应野外较为恶劣的环境，它的工作温度为它的工作温度为-40度－＋度－＋65度（摄氏）全封闭、可漂度（摄氏）全封闭、可漂浮。

测量数据存浮测量数据存 储在内置存储器中，防灰尘，在任何储在内置存储器中，防灰尘，在任何气候下都安全可靠气候下都安全可靠第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号2024/8/14754.4600LS可为您提供最高的工作效率以及单频机所能提可为您提供最高的工作效率以及单频机所能提供的所有数据供的所有数据 它处理它处理L1波相位及波相位及C/A码观测值，可码观测值，可以安全有效地进行静态、快速静态和动态测量以安全有效地进行静态、快速静态和动态测量 5.使用功能强大的使用功能强大的Trimble后处理软件后处理软件GPSurvey可以快速可以快速进行控制测量，并可以达到毫米级测量精度可以存进行控制测量，并可以达到毫米级测量精度可以存储储64个小时的个小时的L1快速静态测量数据快速静态测量数据6.如果进行实时差分测量，达到分米级的测量精度如果进行实时差分测量，达到分米级的测量精度 4600LS也可以升级成也可以升级成RTK，，使点位精度达到厘米级使点位精度达到厘米级。