第四章-GPS卫星信号分解.ppt

第四章 GPS卫星信号与导航电文本章学习目标本章学习目标熟悉卫星导航电文的内容；熟悉卫星导航电文的内容；了解了解GPS卫星信号的作用；卫星信号的作用；掌握掌握GPS卫星信号码结构；卫星信号码结构；掌握掌握GPS卫星位置的计算步骤；卫星位置的计算步骤；熟悉熟悉GPS接收机的基本工作原理；接收机的基本工作原理；了解了解GPS数据通讯与常用数据格式。数据通讯与常用数据格式。1第四章 GPS卫星信号4.1GPS卫星的导航电文卫星的导航电文4.2GPS卫星位置的计算卫星位置的计算4.3GPS卫星信号卫星信号4.4GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理4.5GPS数据通讯与数据格式数据通讯与数据格式2第四章 GPS卫星信号nGPS卫星定位测量是通过用户接收机接收卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的卫星发射的信号来测定测站坐标的，那么究竟什么是信号来测定测站坐标的，那么究竟什么是GPS卫星信号呢卫星信号呢?GPS卫星信号的内容GPSGPS载波信号载波信号L L1 1载波载波GPSGPS的测距码的测距码C/AC/A码码P P码码导航导航电文电文卫星的星历卫星的星历卫星工作状态卫星工作状态时间系统时间系统卫星钟运行状态卫星钟运行状态轨道摄动改正轨道摄动改正大气折射改正大气折射改正L L2 2载波载波GPSGPS卫卫星星信信号号3第四章 GPS卫星信号4.1 GPS卫星的导航电文1、定义、定义就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码转换到码转换到P捕获码等导航捕获码等导航信息的数据码信息的数据码(或或D码码)。是用户用来定位和导航的数据基础。是用户用来定位和导航的数据基础。4第四章 GPS卫星信号5u卫卫星星导导航航电电文文包包括括卫卫星星星星历历、时时钟钟改改正正参参数数、电电离离层层延延迟迟改改正正参参数数、工工作作状状态态信信息息，以以及及由由C/A码码转换到转换到P码的的信息。码的的信息。uGPS卫卫星星的的导导航航电电文文是是用用户户用用来来定定位位和和导导航航的的数数据基础。据基础。u电电文文以以二二进进制制码码的的形形式式发发送送，码码率率为为每每秒秒50比比特特，每个二进制码为每个二进制码为20ms。u电电文文按按帧帧传传送送，每每个个主主帧帧电电文文包包含含1500个个二二进进制制码元，周期为码元，周期为30秒。秒。5第四章 GPS卫星信号6u每每个个主主帧帧又又分分为为5个个子子帧帧，每每个个子子帧帧都都包包含含300个个二二进制码，进制码，6秒钟传完。秒钟传完。u第第1、2、3子子帧帧每每30秒秒重重复复一一次次，内内容容每每小小时时更更新新一一次。次。u第第4、5子子帧帧各各有有25个个页页面面，其其内内容容仅仅在在卫卫星星注注入入新新的导航数据后才得到更新。的导航数据后才得到更新。6第四章 GPS卫星信号77第四章 GPS卫星信号2、遥测码、遥测码遥测码遥测码(TLMTelemetryWord)，位于各子帧的开，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步头，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了一个同步的起点，使用户便信号为各子帧提供了一个同步的起点，使用户便于解释电文数据。于解释电文数据。同步码同步码遥测电文遥测电文连接码连接码奇偶检验码奇偶检验码8第四章 GPS卫星信号9u每每个个子子帧帧的的第第一一个个字字为为遥遥测测字字（TLM），用用来来表表明明卫卫星星注注入数据的状态。入数据的状态。u遥遥测测字字开开头头的的8个个比比特特可可作作为为捕捕获获导导航航信信息息的的前前导导，其其中中所所含含的的同同步步信信号号，为为各各子子帧帧提提供供了了一一个个同同步步的的起起点点，使使用用户便于解调电文数据。户便于解调电文数据。u随随后后的的14个个比比特特是是遥遥测测码码的的电电文文，其其内内容容包包括括控控制制站站注注入入数数据据时时的的状状态态、诊诊断断信信息息和和其其他他信信息息，以以此此指指示示用用户户是是否选用该颗卫星。否选用该颗卫星。u接接下下来来是是两两个个无无信信息息意意义义的的连连接接比比特特和和6个个奇奇偶偶校校验验比比特特，奇奇偶偶校校验验位位用用于于发发现现并并纠纠正正个个别别错错误误，确确保保正正确确传传输输导导航航电文。电文。9第四章 GPS卫星信号3 3、转换码、转换码转换码转换码(HOWHand Over Word(HOWHand Over Word），紧接着各子帧开头的遥），紧接着各子帧开头的遥测字，主要是向用户提供用于捕获测字，主要是向用户提供用于捕获P P码的码的Z Z计数。计数。转换码表示从每星期日零时至星期六转换码表示从每星期日零时至星期六2424时，时，P P码子码码子码X1X1的的周期（周期（1.5s1.5s）重复数。因此，知道）重复数。因此，知道Z Z计数，就知道观测时计数，就知道观测时刻刻P P码在周期中的准确位置，便能较快的码在周期中的准确位置，便能较快的 捕获到捕获到P P码。码。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P P码周期中所处的码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获准确位置，以便迅速地捕获P P码。码。10第四章 GPS卫星信号4、第一数据块第一数据块 第第1子帧的第子帧的第310个字个字含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。主要内容：主要内容：（1）标识码和时延差改正）标识码和时延差改正Tgd：第第7 7字码的第字码的第17172424比特表示载波比特表示载波L1L1、L2L2的电离层时延的电离层时延差改正差改正TgdTgd。当使用单频接收机时，用。当使用单频接收机时，用TgdTgd改正所观测改正所观测的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。11第四章 GPS卫星信号（2）星期序号）星期序号WN-GPS周周（3）星钟数据龄期）星钟数据龄期AODC（4）星钟改正参数：）星钟改正参数：a0，a1，a2，计算任意时刻计算任意时刻t的的钟改正数钟改正数4、第一数据块（内容）第一数据块（内容）a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率 toc为第一数据块的参考时刻，为第一数据块的参考时刻，tL是计算时钟参数所作测量的最后观测时间是计算时钟参数所作测量的最后观测时间 12第四章 GPS卫星信号5、第二数据块第第2和第和第3子帧共同子帧共同构成第二数据块，构成第二数据块，它表示它表示GPS卫星的卫星的星历。这些数据为星历。这些数据为用户提供了有关计用户提供了有关计算卫星运动位置的算卫星运动位置的信息，这是信息，这是GPS定定位中最有用的电文。位中最有用的电文。13第四章 GPS卫星信号6、第三数据块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，其内容包括了所有两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。卫星的历书数据。第三数据块的作用：当接收机捕获到某颗第三数据块的作用：当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根卫星后，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、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。第三数据块的内容每第三数据块的内容每12.5分钟重复一次。分钟重复一次。14第四章 GPS卫星信号GPS卫星广播星历预报参数及其定义 15第四章 GPS卫星信号4.2 GPS卫星位置的计算根据卫星电文所提供的轨道参数按一定公式计算：根据卫星电文所提供的轨道参数按一定公式计算：计算思路：计算思路：（1 1）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标（2 2）然后将上述坐标分别绕）然后将上述坐标分别绕X X轴旋转轴旋转-i-i角、绕角、绕Z Z轴旋轴旋转转-k k角，求出卫星在地固系下的坐标。角，求出卫星在地固系下的坐标。轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道参数轨道参数16第四章 GPS卫星信号17第四章 GPS卫星信号1 1、计算卫星运行的平均角速度、计算卫星运行的平均角速度(n)(n)18第四章 GPS卫星信号2 2、计算归化时间、计算归化时间首先对观测时间首先对观测时间tt作卫星钟差改正：作卫星钟差改正：t=t=t-t-t t然后将观测时刻然后将观测时刻t t归化到归化到GPSGPS时系时系参考时刻参考时刻GPSGPS时时间系统间系统 GPS卫星的时钟相对卫星的时钟相对GPS时间系统存在着差值，需加以改正，这便时间系统存在着差值，需加以改正，这便是卫星时钟改正。是卫星时钟改正。19第四章 GPS卫星信号3、计算、计算t时刻卫星的平近点角时刻卫星的平近点角4、计算偏近点角、计算偏近点角5、计算真近点角、计算真近点角电文中参考时刻的电文中参考时刻的平近点角平近点角20第四章 GPS卫星信号6 6、计算升交距角、计算升交距角 7 7、计算摄动改正项、计算摄动改正项是卫星电文中的近地点是卫星电文中的近地点角距角距升交距角摄动量：升交距角摄动量：卫星矢径摄动量：卫星矢径摄动量：轨道倾角摄动量：轨道倾角摄动量：卫星与升交点的地心夹角，即真卫星与升交点的地心夹角，即真近点角与近地点角距之和。近点角与近地点角距之和。21第四章 GPS卫星信号8 8、进行摄动改正、进行摄动改正升交距角：升交距角：卫星矢径：卫星矢径：轨道倾角：轨道倾角：9 9、计算卫星在轨道平面坐标系中的位置、计算卫星在轨道平面坐标系中的位置22第四章 GPS卫星信号1010、计算观测时刻升交点经度、计算观测时刻升交点经度观测时刻的升交点经度观测时刻的升交点经度=升交点赤径与升交点赤径与格林尼治视恒星时格林尼治视恒星时GASTGAST之差之差23第四章 GPS卫星信号1111、计算卫星在地固坐标系下的坐标、计算卫星在地固坐标系下的坐标1212、卫星在协议地球坐标系下的坐标、卫星在协议地球坐标系下的坐标其中其中 为地极瞬时坐标。为地极瞬时坐标。24第四章 GPS卫星信号2525第四章 GPS卫星信号4.3 GPS卫星信号GPS卫星信号包括测距码信号卫星信号包括测距码信号(即即P码和码和C/A码信码信号号)、导、导航电文航电文(或称或称D码，即数据码信号码，即数据码信号)和载波信号。和载波信号。GPS卫星信号的产生、调制和解调都非常复杂，涉及到现卫星信号的产生、调制和解调都非常复杂，涉及到现代数字通讯理论和技术方面的若干高科技问题。作为代数字通讯理论和技术方面的若干高科技问题。作为GPS信号用户，虽然可以不去深入钻研这些问题，但了解其基信号用户，虽然可以不去深入钻研这些问题，但了解其基本知识和概念，将有助于理解本知识和概念，将有助于理解GPS卫星导航和定位测量的卫星导航和定位测量的原理，因而显得十分必要。原理，因而显得十分必要。26第四章 GPS卫星信号GPS卫星信号的内容GPSGPS载波信号载波信号L L1 1载波载波GPSGPS的测距码的测距码C/AC/A码码P P码码导航导航电文电文卫星的星历卫星的星历卫星工作状态卫星工作状态时间系统时间系统卫星钟运行状态卫星钟运行状态轨道摄动改正轨道摄动改正大气折射改正大气折射改正L L2 2载波载波GPSGPS卫卫星星信信号号27第四章 GPS卫星信号一、GPS卫星信号 28第四章 GPS卫星信号1、GPS卫星的基准频率 f0由卫星上的原子钟直接产生由卫星上的原子钟直接产生频率为频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频频29第四章 GPS卫星信号2、GPS信号的组成载波（载波（L1，L2两个民用频率）两个民用频率）测距码（测距码（C/A码和码和P码（码（Y码）码）导航电文（数据码，导航电文（数据码，D码）码）30第四章 GPS卫星信号3、信号调制的原因GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号其中其中C/A码和码和P码的数码率分别为码的数码率分别为1.023Mbit/s与与10.23Mbit/s，D码码(导航电文，又称为数据码导航电文，又称为数据码)的数码率仅为的数码率仅为50bit/s。GPS卫星离地面远达卫星离地面远达20000km，其电能又非常紧张，其电能又非常紧张，因此很难将因此很难将上述数码率很低的信号传输到地面。上述数码率很低的信号传输到地面。解决这一解决这一难题的办法，就是另外发射一种高频信号，并将难题的办法，就是另外发射一种高频信号，并将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上，低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上，构成一高频的已调波发射给地面。构成一高频的已调波发射给地面。31第四章 GPS卫星信号信号调制(补充)任何能量有限的信号都可以余弦波表示任何能量有限的信号都可以余弦波表示:用一个信号（调制信号）去控制另一个信号（载波信号）用一个信号（调制信号）去控制另一个信号（载波信号）的某个参量，产生已调制信号。的某个参量，产生已调制信号。幅度频率相位32第四章 GPS卫星信号4、载波作用作用搭载其它调制信号搭载其它调制信号测距测距类型类型目前目前L1频率：频率：154 f0=1575.43MHz；波长：波长：19.03cmL2频率：频率：120 f0=1227.60MHz；波长：波长：24.42cm现代化后现代化后增加增加L5频率：频率：115 f0=1176.45MHz；波长：波长：25.48cm33第四章 GPS卫星信号4、载波特点特点所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）（电离层折射延迟于信号的频率有关）34第四章 GPS卫星信号二、GPS测距码1、码：、码：表达信息的二进制数及其组合。表达信息的二进制数及其组合。码元码元一位二进制数叫一个码元。一位二进制数叫一个码元。编码编码用二进制数表示信息的过程。用二进制数表示信息的过程。信息量信息量某种事物有某种事物有2 2r r种类型，可用种类型，可用r r位二进制数表位二进制数表示，即含有示，即含有r r比特的信息量。比特的信息量。信息的传输速度信息的传输速度单位时间内传输的比特数。单位时间内传输的比特数。码元宽度码元宽度传输一个码元所用时间传输一个码元所用时间。35第四章 GPS卫星信号2、随机噪声码定义：每一时刻，码元是定义：每一时刻，码元是0 0或是或是1 1完全是随机的一组码完全是随机的一组码序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列机噪声码序列。特性：特性：非周期性序列；自相关性好；无法复制非周期性序列；自相关性好；无法复制。应用：应用：随机噪声码序列却有良好的自相关性，随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPSGPS码码信号测距就是利用了信号测距就是利用了GPSGPS测距码的良好的自相关性才测距码的良好的自相关性才获得成功。获得成功。36第四章 GPS卫星信号随机码自相关性自相关性是指两个结构相同的码序列的相关程度，它由自相关性是指两个结构相同的码序列的相关程度，它由自相关函数描述。自相关函数描述。自相关函数自相关函数将将U（t）平移）平移k个码元，平移后与平移前个码元，平移后与平移前两序列相同码元个数两序列相同码元个数A，相异个数，相异个数D，用，用R（t）表示自相表示自相关系数关系数。R（t）=（A-D）/（A+D）自相关性好自相关性好原码与复制码对齐原码与复制码对齐R（t）=1，不对齐，不对齐0。例子：自相关系数：例子：自相关系数：11101001110100 11101001110100R（t）=(6-6)/12=0。37第四章 GPS卫星信号当平移的码元个数当平移的码元个数 k=0时，两个结构相同的码序列其相时，两个结构相同的码序列其相应码元完全相同，这时应码元完全相同，这时 D=0，而自相关函数而自相关函数 R(t)=1；当当 k 0时，且假定码序列时，且假定码序列中的码元总数充分大，那么由中的码元总数充分大，那么由于码序列的随机性，有于码序列的随机性，有 A D，自相关函数，自相关函数R(t)0。由此，根据自相关函数由此，根据自相关函数 R(t)的取值，即可确定两个随机噪的取值，即可确定两个随机噪声码序列是否已经声码序列是否已经相关相关，或者通俗地讲，两个码序列的，或者通俗地讲，两个码序列的相应码元是否已完全相应码元是否已完全对齐对齐。38第四章 GPS卫星信号3 伪随机噪声码(Pseudo Random Noise-PRN )虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复期性的码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复制和利用。制和利用。GPS采用了一种采用了一种伪随机噪声码伪随机噪声码(PseudoRandomNoise-PRN)，简称伪随机码或伪码。，简称伪随机码或伪码。这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的、相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的、可人工复制的码序列。可人工复制的码序列。39第四章 GPS卫星信号3、伪随机噪声码伪随机噪声码表面上看无规律，实际上有一定的规律伪随机噪声码表面上看无规律，实际上有一定的规律和周和周期性，且可以复制。期性，且可以复制。伪随机噪声码由多级反馈移位寄存器伪随机噪声码由多级反馈移位寄存器产生。产生。这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个这种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，并两种状态，并接受钟脉冲和置接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制。脉冲的驱动和控制。如：如：1111000100110101111000100110101a an-1n-12a an-2n-2ra an-rn-r时钟脉冲信号40第四章 GPS卫星信号码序列的示意图码序列的示意图41第四章 GPS卫星信号GPS信号使用随机噪声码当当r足够大时，就有足够大时，就有R(t)0。所以伪随机噪声码与随机噪。所以伪随机噪声码与随机噪声码一样，具有良好的自相关性，又是一种结构确定，可声码一样，具有良好的自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。以复制的周期性序列。用户接收机可方便地复制卫星所发射的伪随机噪声码信号，用户接收机可方便地复制卫星所发射的伪随机噪声码信号，并通过和接收到的码信号比较并通过和接收到的码信号比较(相关相关)，精确测定信号的传，精确测定信号的传播时延，进一步计算出某一时刻测站和卫星间的距离。播时延，进一步计算出某一时刻测站和卫星间的距离。42第四章 GPS卫星信号卫星测距原理卫星发射一个随机序列卫星发射一个随机序列U(t)U(t)GPSGPS接收机复制随机序列接收机复制随机序列U U(t)(t)由于信号传播时间延迟由于信号传播时间延迟R(t)0;序列产生了平移序列产生了平移调整时间延迟调整时间延迟U(t)与与U(t)完全相同，完全相同，R(t)1测出卫星信号到达用户测出卫星信号到达用户传播时间传播时间确定卫星至观测站的距离确定卫星至观测站的距离43第四章 GPS卫星信号4、测距码伪随机噪声码伪随机噪声码两种测距码：两种测距码：C/A码码-粗码粗码码速：码速：1.023MHz码元长度：码元长度：293mP(Y)码码-精码精码码速：码速：10.23MHz码元长度：码元长度：29.3m44第四章 GPS卫星信号（1）C/A码 两个两个10级移位寄存器产生两个伪随机码级移位寄存器产生两个伪随机码G1、G2。特性：特性：码长码长NuNu=2-1=1023=2-1=1023比特比特码元宽码元宽t tu u=1/f10.977752=1/f10.977752s(相应距离相应距离 为为293.1m)293.1m)周期周期TuTu=N Nu ut tu u=1=1msms数码率数码率=1.023Mb/s1.023Mb/s1045第四章 GPS卫星信号C/A码特性C/A码的码长很短，易于捕获。在码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，导航和定位中，为了捕获为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对对C/A码逐个进行搜索。因为码逐个进行搜索。因为C/A码总共只有码总共只有1023个码个码元，所以若以元，所以若以每秒每秒50码元的速度搜索，只需要约码元的速度搜索，只需要约20.5s便便可完成。可完成。由于由于CA码易于捕获，而且通过捕获的码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的码所提供的信信息，又可以方便地捕获息，又可以方便地捕获P码，所以通常码，所以通常CA码也称为码也称为捕获码。捕获码。C/A码的码元宽度较大。相应的测距误差可达码的码元宽度较大。相应的测距误差可达29.32.9m。由于其精度较低，所以。由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。码也称为粗码。46第四章 GPS卫星信号由于每颗卫星的由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经码都不一样，因此，我们经常用它们的常用它们的PRN号来区分它们。号来区分它们。C/A码是普通用码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。号。47第四章 GPS卫星信号P码由两组各由两个码由两组各由两个12级反馈移位寄存器的电路级反馈移位寄存器的电路发生，发生，其基本原理与其基本原理与C/A码相似，但其线路设计码相似，但其线路设计细节远比细节远比C/A码码复杂并且严格保密。复杂并且严格保密。每个移位寄每个移位寄存器产生的伪随机码的码长为：存器产生的伪随机码的码长为：212-1=4095bit，特征特征a.钟频：钟频：10.23MHz；b.码元宽度：码元宽度：0.097752s（相应长度（相应长度29.3m）。c.码元数码元数N（码长）：（码长）：2.351014bitd.周期周期T：0.097752s2.351014=267天天e.被调制在被调制在L1和和L2上。上。（2）P码48第四章 GPS卫星信号P码特性P码码一一个个整整周周期期被被分分为为38部部分分，其其中中1部部分分闲闲置置，5部部分分给给地面监控站使用，地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星。部分分配给不同的卫星。每每颗颗卫卫星星所所使使用用的的P码码不不同同部部分分，便便都都具具有有相相同同的的码码长长和和周期，但结构不同。周期，但结构不同。P码码的的码码长长较较长长，无无法法采采用用C/A码码逐逐个个进进行行搜搜索索。一一般般都都是是先先捕捕获获C/A码码，然然后后根根据据导导航航电电文文中中给给出出的的有有关关信信息息，捕获捕获P码。码。P码码的的码码元元宽宽度度为为C/A码码的的1/10，若若取取码码元元的的对对齐齐精精度度仍仍为为码码元元宽宽度度的的1/101/100，则则由由此此引引起起的的相相应应距距离离误误差差为为0.29m，仅仅为为C/A码码的的1/10。所所以以P码码定定位位精精度度高高，故故也也称称为精码。为精码。49第四章 GPS卫星信号4.4GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理一、接收机测距的基本原理一、接收机测距的基本原理（1）接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；）接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；（2）接收码比复制码滞后一段时间；）接收码比复制码滞后一段时间；（3）时延器将复制码延后（向后移位），直到与接收码对）时延器将复制码延后（向后移位），直到与接收码对齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时间。间。复制码复制码接收码接收码50第四章 GPS卫星信号1、数据接收51第四章 GPS卫星信号2、GPS接收机工作原理GPSGPS接收机工作流程接收机工作流程（1 1）对天线接收到的信号进行捕获；）对天线接收到的信号进行捕获；（2 2）跟踪卫星信号以保证连续测距；）跟踪卫星信号以保证连续测距；（3 3）解调导航电文，进行定位解算。）解调导航电文，进行定位解算。GPSGPS导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定与导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定与测距、电文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是测距、电文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是由接收机内的微处理器（由接收机内的微处理器（CPUCPU）和部分存储器及相关软）和部分存储器及相关软件来完成的。件来完成的。52第四章 GPS卫星信号2、GPS接收机工作原理GPS接收机基本功能结构图53第四章 GPS卫星信号二、二、GPS接收机的分类接收机的分类1、按接收机的用途分类可分为、按接收机的用途分类可分为导航型接收机导航型接收机车载型车载型用于车辆导航定位；用于车辆导航定位；航海型航海型用于船舶导航定位；用于船舶导航定位；航空型航空型用于飞机导航定位。用于飞机导航定位。星载型星载型用于卫星的导航定位用于卫星的导航定位。测地型接收机测地型接收机授时型接收机授时型接收机54第四章 GPS卫星信号(1)导航型接收机导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低一般为25m,有SA影响时为100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。4.4.1 GPS4.4.1 GPS接收机的分类接收机的分类55第四章 GPS卫星信号(2)测地型接收机测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。(3)授时型接收机授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。56第四章 GPS卫星信号2、按接收机的载波频率分类(1)(1)单频接收机单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。(2)(2)双频接收机双频接收机 双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。单频接收机双频接收机57第四章 GPS卫星信号3、按接收机通道数分类 GPSGPS接收机能同时接收多颗接收机能同时接收多颗GPSGPS卫星的信号，为了分离卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：接收机所具有的通道种类可分为：(1)多通道接收机 (2)序贯通道接收机(3)多路复用通道接收机58第四章 GPS卫星信号4、按接收机工作原理分类码相关型接收机；码相关型接收机；码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。平方型接收机；平方型接收机；利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。混合型接收机；混合型接收机；综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值；59第四章 GPS卫星信号三、三、GPS信号接收机组成信号接收机组成天线单元带前置放大器带前置放大器接收天线接收天线接收单元信号通道信号通道存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源电源天线单元天线单元接收单元接收单元60第四章 GPS卫星信号本章结构GPSGPS卫星信号卫星信号载波载波测距码测距码导航电文导航电文GPSGPS接收机接收机接收接收类型类型组成组成计算卫星位置计算卫星位置基本原理基本原理61第四章 GPS卫星信号4.5GPS数据通讯与数据格式数据通讯与数据格式NMEA协议是为了在不同的协议是为了在不同的GPS（全球定位系统）导航设（全球定位系统）导航设备中建立统一的备中建立统一的BTCM（海事无线电技术委员会）标准，（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（由美国国家海洋电子协会（NMEA-TheNationalMarineElectronicsAssociation）制定的一套通讯协议。）制定的一套通讯协议。GPS接收接收机根据机根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到息通过串口传送到PC机、机、PDA等设备。等设备。输出采用输出采用ASCII码，其串行通信的参数为：波特率码，其串行通信的参数为：波特率4800bps，数据位，数据位8bit，开始位，开始位=1bit，停止位，停止位1bit，无，无奇偶校验。奇偶校验。GPS 通讯协议 NMEA介绍62第四章 GPS卫星信号NMEA-0183协议是协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是接收机应当遵守的标准协议，也是目前目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。容这个协议。NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。下面给出这些常用等。下面给出这些常用NMEA-0183语句的字段定义解释。语句的字段定义解释。63第四章 GPS卫星信号64第四章 GPS卫星信号$GPGGA例：$GPGGA,092204.999,4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,0000*1F字段0：$GPGGA，语句ID，表明该语句为Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息定位信息字段1：UTC 时间，hhmmss.sss，时分秒格式 字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段3：纬度N（北纬）或S（南纬）字段4：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段5：经度E（东经）或W（西经）字段6：GPS状态，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，3=无效PPS，6=正在估算 字段7：正在使用的卫星数量（00-12）（前导位数不足则补0）字段8：HDOP水平精度因子（0.5-99.9）字段9：海拔高度（-9999.9-99999.9）字段10：地球椭球面相对大地水准面的高度 字段11：差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）字段12：差分站ID号0000-1023（前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空）字段13：校验值65第四章 GPS卫星信号$GPGSV例：$GPGSV,3,1,10,20,78,331,45,01,59,235,47,22,41,069,13,32,252,45*70字段0：$GPGSV，语句ID，表明该语句为GPS Satellites in View（GSV）可见卫星信息可见卫星信息字段1：本次GSV语句的总数目（1-3）字段2：本条GSV语句是本次GSV语句的第几条（1-3）字段3：当前可见卫星总数（00-12）（前导位数不足则补0）字段4：PRN 码（伪随机噪声码）（01-32）（前导位数不足则补0）字段5：卫星仰角（00-90）度（前导位数不足则补0）字段6：卫星方位角（00-359）度（前导位数不足则补0）字段7：信噪比（0099）dbHz字段8：PRN 码（伪随机噪声码）（01-32）（前导位数不足则补0）字段9：卫星仰角（00-90）度（前导位数不足则补0）字段10：卫星方位角（00-359）度（前导位数不足则补0）字段11：信噪比（0099）dbHz字段12：PRN 码（伪随机噪声码）（01-32）（前导位数不足则补0）字段13：卫星仰角（00-90）度（前导位数不足则补0）字段14：卫星方位角（00-359）度（前导位数不足则补0）字段15：信噪比（0099）dbHz字段16：校验值66第四章 GPS卫星信号对于通常的情况，我们所关心的定位数据如经纬对于通常的情况，我们所关心的定位数据如经纬度、速度、时间等均可以从度、速度、时间等均可以从“$GPRMC”帧中获取帧中获取得到。接收机不断地向主机发送各种数据帧，但得到。接收机不断地向主机发送各种数据帧，但在处理时一般先通过对帧头的判断对在处理时一般先通过对帧头的判断对“$GPRMC”帧进行数据的提取处理。帧进行数据的提取处理。该帧的结构及各字段释义如下：该帧的结构及各字段释义如下：67第四章 GPS卫星信号$GPRMC：Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐定位信息推荐定位信息$GPRMC,*hh UTC时间，hhmmss（时分秒）格式 定位状态，A=有效定位，V=无效定位 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前导位数不足则补0）纬度半球N（北半球）或S（南半球）经度dddmm.mmmm（度分）格式（前导位数不足则补0）经度半球E（东经）或W（西经）地面速率（000.0999.9节，前面的0也将被传输）地面航向（000.0359.9度，以真北为参考基准，前导位数不足则补0）UTC日期，ddmmyy（日月年）格式 磁偏角（000.0180.0度，前导位数不足则补0）磁偏角方向，E（东）或W（西）模式指示（仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）68第四章 GPS卫星信号NMEA的用途 可以通过数据线（串口或可以通过数据线（串口或USB口）输出标准的口）输出标准的NMEA格式格式数据给另一端的数据给另一端的PC或或PDA；在；在PC或或PDA（放在附驾驶位（放在附驾驶位置或使用专用车载支架）上运行兼容置或使用专用车载支架）上运行兼容NMEA协议的导航软协议的导航软件（灵图之类的），由此就可以实现自动路由、语音导航。件（灵图之类的），由此就可以实现自动路由、语音导航。这时，手持机只做为这时，手持机只做为GPS信号的接收器，数据由信号的接收器，数据由PC或或PDA上运行的软件处理。这种用法弥补了手持机在自动路上运行的软件处理。这种用法弥补了手持机在自动路由、语音导航方面的不足。由、语音导航方面的不足。69第四章 GPS卫星信号70第四章 GPS卫星信号RINEX数据格式 目前，目前，RINEXRINEX格式已成为各厂商、学校、研究单位在编格式已成为各厂商、学校、研究单位在编制软件时采用的标准输入格式。制软件时采用的标准输入格式。RINEXRINEX格式是纯格式是纯ASCIIASCII码文码文本文件，共包含本文件，共包含4 4个文件：个文件：（1 1）观测数据文件：）观测数据文件：ssssdddf.yyossssdddf.yyo （2 2）导航文件：）导航文件：ssssdddf.yynssssdddf