1、第第4章章GPS卫星的导航电文卫星的导航电文和卫星信号和卫星信号主要内容：1 GPS卫星的导航电文2 GPS卫星信号3 GPS卫星的位置计算 4 GPS接收机工作原理第第4章章GPS卫星的导航电文卫星的导航电文和卫星信号和卫星信号卫星信号的组成与测距原理卫星信号的组成与测距原理GPS信号包含有三种信号分量，即载波、测距码和数据码，在这三种分量中载波、和测距码 用于测量卫星到地面接收机之间的距离；而数据码则提供计算卫星坐标所需的参数，由卫星坐标和卫星到地面间的距离求得地面点的坐标。 GPS测量是根据单程测距原理建立的，即用户只需通过接收设备来接收卫星发播的信号，并测定信号传播的单程时间延迟或相位
2、延迟，进而确定从观测站至GPS卫星间的距离，在这种系统中卫星信号的发射和接收，都是由原子钟来控制，所以，这就要求卫星和接收机两者的原子钟，应保持严格同步。 4.1.1GPS卫星的导航电文卫星的导航电文 GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，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C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。4.1GPS卫星的导航电文卫星的导航电文基本单位：1500bit的一个主帧（如图4-1所示）传输速率：50bit/s,30秒钟传送完毕一
3、个主帧。主 帧：5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一 次，内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要 750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一 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。 卫星导航电文4.1.1GPS卫星的导航电文卫星的导航电文卫星导航电文4.1.1GPS卫星的导航电文卫星的导航电文导航电文的结构卫星导航电文内容遥测字TLW (telemetry word)转换字HOW (how-hand over word)数据块第一数据块，第一子帧第二数据块， 第二，三子帧第三数据块，第四，五子帧4.1.1GPS卫星的导航电文卫星的导航电文
4、卫星导航电文内容遥测字(TLMTelemetry Word)，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了个同步的起点，使用户便于解释电文数据。交接字(HOWHand Over Word），紧接着各子帧开头的遥测字，主要是向用户提供用于捕获P码的Z计数。所谓Z计数是从每星期六星期日子夜零时起算的时间计数它表示下一子帧开始瞬间的GPS时。但为了实用方便，Z计数一般表示为从每星期六星期日子夜零时开始发播的子帧数。因为每一子帧播送延续的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬时即为6x Z。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获P码。第一数
5、据块 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。现对其中的主要内容介绍于下： 1电离层延迟改正数 第7字码的第1724比特表示载波L1、L2的电离层时延差改正Tgd。当使用单频接收机时，用Tgd改正所观测的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。 4.1.2 第一数据块内容第一数据块内容2数据龄期AODC 第3字码的第23、和第24比特,以及第8字码的第18比特，均表示卫星时钟的数据龄期AODC。GPS试验卫星的AODC只占8个比特，而GPS工作卫星却扩展到了10个比特。A0DC是时钟改正数的外推时
6、间间隔，它向用户指明对卫星时钟改正数的置信度，且知 AODCtoc-tl (4-1)式中:toc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。4.1.2 第一数据块内容第一数据块内容3.星期序号WN 表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。4.卫星钟改正参数 a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率。当巳知这些参数后，便可按下式计算任意时刻t的钟改正数t ta0十a1(ttoc)十a2(ttoc)2 (4-2) 4.1.2 第一数据块内容第一数据块内容 第二数据块 包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据块一
7、般称为卫星星历，其主要包括的参数及符号如表(p41)33所列。数据块二提供了用户利用GPS实时导航和定位的基本数据。4.1.3第二数据块内容第二数据块内容主要参数分为三类 （1）开普勒六参数 （2）轨道摄动九参数 （3）时间两参数描述卫星的运行及其轨道的参数：4.1.3第二数据块内容第二数据块内容1.开普勒六参数 这6个参数为：a，e,i0,0,M0（其含义同 3.4）。2.轨道摄动九参数 这9个参数为：n，,，Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis3.时间二参数(1)从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe；(2)星历表的数据龄期AODE，有： AODEtoe-t1 式 中 tl
8、为 作 预 报 星 历 测 量 的 最 后 观 测 时 间 ， 因 此 AODE就 是预报星历的外推时间长度。4.1.3第二数据块内容第二数据块内容第三数据块第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。 1.第4子帧 (1)第2，3，4，5，7，8，9，10页面提供第2532颗卫星 的历书； (2)第17页面提供专用电文，第18页面给出电离层改正模型参数和UTC数据； (3)第25页面提供所以卫星的型号、防电子对抗特征符和第2532颗卫星的健康状况； (4)第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24页作备用，第13，14，15页为空闲页。 4.1
9、.4第三数据块内容第三数据块内容2.第5子帧 (1)第124页面给出第124颗卫星的历书； (2)第25页面给出第124颗卫星的健康状况和星期编号。 在第三数据块中，第4和第5子帧的每个页面的第3字码，其开始的8个比特是识别字符，且分成两种形式：（a）第1和第2比特为电文识别（DATA ID）；(b)第38比特为卫星识别（SV ID）。第三数据块的作用 当接收机捕获到某颗GPS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。 4.1.4第三数据块内容第三数据块内容4.1.5Rinex导航文件内容导
10、航文件内容 2.10 NAVIGATION DATA G (GPS) RINEX VERSION / TYPEDAT2RINW 3.10 001 zfh 05MAR05 19:43:57 PGM / RUN BY / DATE COMMENT .1024D-07 .0000D+00 -.5960D-07 .0000D+00 ION ALPHA .9011D+05 .0000D+00 -.1966D+06 .0000D+00 ION BETA .000000000000D+00 .266453525910D-14 589824 1312 DELTA-UTC: A0,A1,T,W 13 LEAP
11、SECONDS END OF HEADER 7 05 3 3 1 59 44.0 -.506662763655D-04 -.322870619129D-10 .000000000000D+00 .160000000000D+02 .546250000000D+02 .475948396590D-08 .264564885844D+01 .275671482086D-05 .130038867937D-01 .986270606518D-05 .515368780136D+04 .352784000000D+06 .132247805595D-06 .106666591480D+01 -.139
12、698386192D-06 .936272702648D+00 .172125000000D+03 -.180705826076D+01 -.782318300983D-08 -.250010413937D-09 .100000000000D+01 .131200000000D+04 .000000000000D+00 .240000000000D+01 .000000000000D+00 -.232830643654D-08 .160000000000D+02 .348570000000D+06 .400000000000D+01 8 05 3 3 1 59 44.0 -.226236879
13、826D-04 -.909494701773D-12 .000000000000D+00 .223000000000D+03 -.296875000000D+02 .451125934063D-08 .590526055701D+002.10 N: GPS NAV DATA RINEX VERSION / TYPE/ RINEX导航数据teqc 2002Mar14 ACS Operations 20040101 01:06:55UTCPGM / RUN BY / DATEHP-UX 10.20|PA-RISC|cc A.10.32.03|=+|=| COMMENT END OF HEADER
14、4 03 12 31 23 59 44.0-3.471504896879D-05-7.048583938740D-12 0.000000000000D+00 卫星钟参考时刻 卫星钟差改正参数7.500000000000D+01 3.850000000000D+01 4.748054918403D-09 2.163259075372D+00 IODE CRS N M02.173706889153D-06 6.642933003604D-03 4.539266228676D-06 5.153756921768D+03 CUC E CUS SQRT A3.455840000000D+05-4.470
15、348358154D-08-2.730536492548D+00 1.508742570877D-07 TOE CIC CIS9.621750014223D-01 2.946562500000D+02-1.184847400736D-01-8.303203004591D-09 I0 CRC (dot) -9.000374901741D-11 0.000000000000D+00 1.251000000000D+03 0.000000000000D+00 (idot) GPS周2.000000000000D+00 0.000000000000D+00-6.053596735001D-09 7.5
16、00000000000D+01 卫星精度 卫星健康状况 TGD IDOC 3.455400000000D+05 4.000000000000D+004.1.5Rinex导航文件内容导航文件内容4.2 GPS卫星信号GPS卫星播发的三种信号数据码，称D码，也称基带信号测距码，包括C/A码，P码或Y码载波信号：L1和L2（L5）GPS卫星播发的信号的特点：能够保密通讯，能够抗干扰能对各卫星发射的信号区分选择能够精密定位和实时导航4.2.1卫星信号的基本概念码的概念： 利用二进制0或者1排列组合表示各种信息的二进制数据序列称为码随机码的概念： 假设一组码序列u(t)，对于任意时刻t，码元的取值为0或者1是完全随机的，两种状态的概率是50，这种完全无规律的码序列称为随机码序列随机码的特点： 它是一种非周期序列，无法复制。随机码的特性是其自相关性好，而自相关性的好坏，对于提高利用GPS卫星码信号测距的精度是极其重要的。伪随机噪声码伪随机噪声码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序列，不服从任何编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此，为了实际的应用，GPS采用了一种伪随机噪声
