GPS信号格式和导航电文

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1、卫星导航原理及应用技术北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室秦 红 磊电话：01082316491 Email:GPS信号结构与导航电文 5.1 GPS信号结构 5.2 GPS卫星的导航电文 GPS卫星信号示意图 5.2 GPS信号结构GPS信号GPS的所有信号分量都是基于同一个频率产生的：两种载波，即：GPS卫星信号的两种信号分量：测距码和数据码是 采用调相技术调制到载波上的，且调制码的幅值只取0 或1。 自相关特性 复制信号接收机产生与卫星相同的信号。 伪距测量基本原理利用一伪码延时锁相环路，使本地复制的跟踪伪码和 接收到的伪码在码元上对齐，也即是在时间上对准，再将 跟踪伪码与本地的

2、基准伪码进行比对，得到时间差。假如 驱动本地伪码的用户GPS接收机时钟（简称站钟）和卫星 中产生伪码的时钟（简称星钟）完全同步，则测得的时差 即为电波自卫星到用户的传播延时，相应于获得卫星与用 户之间的真实距离。若星钟与站钟不同步，则测得的距离 中含有时间误差导致的不精确成分，此时的距离称为伪距 。GPS信号粗测距码（C/A码） 伪噪声码的长度周期:1023bit 码元宽度：约为293.1m 伪噪声码的重复周期：1ms 时钟脉冲速率：1.023Mbit/s精码（P码） 伪噪声码的长度周期:6.187bit bit 码元宽度：约为29.3m 伪噪声码的重复周期：7d 时钟脉冲速率：10.23Mb

3、it/s 可以加密反欺骗技术（A/S）GPS信号 导航电文1500bit播发速率50bit/s 数据广播星历（S/A）卫星时钟校正（S/A）历书数据电离层校正数据卫星健康状况GPS信号 选择可用性技术（S/A）人为地引入干涉信号，显著地降低非特许用户用 GPS信号作实时导航定位测量时的精度。SA技术包括对 GPS卫星基准频率所采用的技术，对卫星导航电文所 采用的技术，对P码所采用的译密技术。技术是将卫星的基准频率（10.23MHz）施加高频 抖动噪声信号。该信号使由基准频率派生出来的所有 信号都会出现高频抖动，从而造成测距误差和测速误 差。技术是将卫星发送的GPS卫星轨道参数人为地施加 一个慢

4、变偏移，使广播星历精度由原来的15m左右降到 75m以上；达到降低用户定位精度的目的。GPS信号 反欺骗技术（A/S）它是将更加保密的W码与P码模二相加形成Y 码。使得非特许用户无法接收 载波上的P码。 更不能利用P码实行定位，也不能用P码和C/A码 的相位观测量进行联合测算。伪距测量 如何将传送的信号进行编码PRN码产生器异或二进制函数线性反馈寄存器C/A码P码 如何形成伪距测距离散自相关技术在 载波上,调制有C/A码、P码（或Y码）的数据码，完整的信号结构为：在 载波上，只用P码进行双相调制，其信号结构为：最远的距离25785103，发射功率为(14.3dBW14.7dBW)，则 接收机接

5、收到的功率为-157.8dBW，如果考虑大气损耗，接收机接收 到的信号最小为160dBW 一般条件下，GPS信号到达地面的强度大约为-130dBm/2MHz， 室温下的热噪声大约为-111dBm/2MHz，因此，信噪比S/N为-19dB。 另外一个表示信噪比的方法是载噪比C/N0(Carrier to Noise)，其参考 带宽为1Hz。室温下的热噪声为-174dBm/Hz，C/N044dB(-130+174) 。在这个强度下，信号很容易被处理。GPS卫星天线增益 GPS接收机接收功率 表 L1和L2导航卫星信号的功率预算 下表列出了对于BLOCKGPS卫星来说导航信号功率预算标，此表来自To

6、wnsend,B-277-283。参 数L1(P)L1(C/AL2(P)用户最低接收功率-163dBW-160dBW-166dBW 用户天线增益3.0dB3.0dB3.0dB 自由空间传 播损耗184.4dB184.4dB182.3dB 总的大气损耗2.0dB2.0dB2.0dB 极化失匹配损耗3.4dB3.4dB4.4dB 所要卫星的EIRP+23.8dBW+26.8dBW+19.7dBW 卫星天线增益14.3最差情况 BLOCK13.5dB13.5dB11.5dB离轴角+10.3dBW+13.4dBW+8.2dBW 卫星天线所要求的最低输入功 率10.72W21.88W6.61WGPS测距

7、法 载波f=1.5GHz =20cm 2mm 码元时间t1s =300m 3m PRN码t=1ms =300km 3km 数据位t=20ms =6E3km 60km 遥测字（TLM）t=6s =2E6km 20 000kmGPS码发生器示意图 C/A码是用于跟踪、锁定和测量的伪随机码。它的码率是 1.023MHz，周期为1ms，因而在一个周期中有1023个码位。它是 由m序列优选对组合码形成的Gold码（G码）。在上图中, 和 分别为两个10级线性移位反馈寄存器。 两个移位寄存器于每星期日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处 于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，两个移位寄存器分别产 生码

8、长为 周期为1ms的两个m序列 和 。 C/A码 时间基准源产生的10.23MHz脉冲与1.5s周期的脉冲相互同步，以保证帧、子帧、C/A码、P码相互同步。其中 序列经过相位选择器，输入一个与平移等价的m序列，然后 与 模2和相加，便得到C/A码。 C/A码发生器P码 P码的码率为10.23Mb/s，周期约为267天。它是用4个12位的移位寄存器的伪随机序列产生，这四个寄存器分别为 、 、 （图中简画为 ）。两级12位移位寄 存器构成一个伪随机码 ，两个移位寄存器形成周期为 1.5s的m序列 。一周期的码位数为: 另两级12位移位寄存器构成伪随机码 ，两个移位 寄存器形成两个m序列。码率与 相

9、同，但码位比 多37个码元，即码长为：因此P码为：其相应的码元数为：相应的周期为：在 中，可取0，1，2，36。这样可得到37种P码。 在实际应用中，P码采用7天的周期，即规定在每星期六午夜零点置 全“1”状态作为起始点，然后从中截取一段周期为7天的码，作为P 码。一共取得37个P码。32个供GPS卫星使用，5个供地面监测站使 用。这样保证GPS正常工作的唯一性。因为P码的码长过长，所以，如果仍采用搜索C/A码的办法， 来捕获P码，即逐个个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒 50码元时，那将是无法实现的（约需 天）。因此，一般 先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，捕获P码。所

10、 以在不知道P码结构的情况下，是无法捕获P码。P码发生器5.3 GPS卫星的导航电文导航电文简介 导航电文包括计算卫星位置的有关数据（卫星星历）、系统时间、卫星钟参数、C/A码到P码的转换字及卫星工作状态。卫星向用户提供，用户将其应用于导航解算。这些数据是以二进制码的形式发送给用户的，故卫星电文又称为数据码，或称之为D码。 电文的基本单位是长达1500bit的一个主帧，广播速率为50bit/s。每一 主帧又分为五个子帧，每个子帧长度为6s，第1，2，3子帧各有10个字码，每 个字码为30bit，第4，5子帧各有25个页面，共有37500bit，长达12.5min（ 如图1所示）。它们不像第1，

11、2，3子帧那样，每30s重复一次，而需要长达 750s才能够传送完毕第4，5子帧的全部信息量，亦即，第4，5子帧是12.5min 才重复一次。这表明，一台GPS信号接收机获取一帧完整的卫星导航电文，需 要750s。GPS卫星电文的基本内容子帧1子帧2子帧3标识码（如GPS星期序号 等）、星钟数据龄期（ AODC）、卫星时钟改正 数等子帧4子帧5GPS卫星星 历（轨道 参数等）第2532颗GPS卫星的历书、UTC和电离层改正参 数、第2532颗GPS卫星的健康状况第124 颗GPS卫 星的历书 和健康状 况GPS导航电文的信息类别和形式 信息类别导航电文的提供形式信号发射时刻卫星的精确位置 利用

12、地心惯性坐标系中修正的开普勒模型表示的 卫星星历，并且将它变换到地心地固坐标系卫星信号发射时刻的精确位置 卫星时钟误 差模型和相对论校正以C/A码捕获P（Y）码 发送转换字HOW，使在一周内保持对P（Y）码 1.5秒周期所谓跟踪。这些数据用来辅助对P（ Y）码的捕获。在仰角受限条件下选取最好的一组 卫星，以得到相应最小的GDOP（ 要求获知卫星的概位）中等精度历书可以给出整个GPS星座的大致位 置、时间以及卫星的健康状况。时间传递 信息 GPS时向协调世界时（UTC）的时间转换 数据单频用户的电离层标准 电离层与时间和用户位置之间关系的近似模型卫星信号/数据的质量 用户测距精度（URA）发送U

13、RA指数N可 为民间（非特许）用户提供关于可用卫星精 度的定量测度。遥测字（TLM） 每一个子帧的第一个字码都是遥测字，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起 点，使用户便于解释电文数据。具体码位如下：第18bit 为前导码（10001011）；第922bit为遥测电文，包括地面 监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息，以 此指示用户是否选用该卫星；第23、24bit无意义；第25 30bit为奇偶校验码（如下图所示）。 转换字（HOW） 每一个子帧的第二个字码是转换字，它的主要作用是在测 距时向用户提供P码的子码自一星期开始的周期计数Z，以便于 任一6

14、s子帧结束时自C/A码转至P码捕获。第117bit表示Z计 数，它实质上是子帧计数，记录子帧数目；第18bit是警示标 记；第19bit是反欺骗标志（AS）；第18，19位为00；第20 22bit是子帧识别标记；第23、24bit无意义（00）；第25 30bit为奇偶校验码。第一数据块 第一子帧的第3-10个字码为第一数据块。它的主要内容是：载波的调制波类型、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期、卫星时钟改正参数等。 字码3:周数WN（1-10bit）：为Z计数的前十位，记录周数，从周 期开始的1980年1月6日零点开始计数。 用户测距精度URA（13-16bit）：该颗卫星提供给未被授权用

15、户 的测距精度（m）。这是为非特许用户设置的。 卫星的健康标记 (17-22bit)：如果17位“=0”，表示所有的卫星数 据都是好的。如果17位“=1”，表示一些或者全部卫星数据都不 健康；其它5位（18-22bit）是信号组成部分的健康标志位。其 意义如下表所示：18 -22bit说明0 0 0 0 0 所有的信号都健康0 0 0 0 1所有的信号都弱0 0 0 1 0 所有的信号都不可用（dead）0 0 0 1 1所有的信号都没有数据调制0 0 1 0 0L1上的P信号弱0 0 1 0 1L1上的P信号不能用（dead）0 0 1 1 0L1上的P信号没有数据调制0 0 1 1 1L2上的P信号弱0 1 0 0 0 L2上的P信号不能用（dead）0 1 0 0 1L2上的P信号没有数据调制0 1 0 1 0L1上的C信号弱0 1 0 1