第四章 电磁波传播与 GPS卫星信号
第一节 电磁波的基本知识
1、参数
周期 T、频率 f、速度 v、波长 λ、相位 φ及其相互关系,T=1/ f,
λ=T.v,φ=2π ft。
2、电磁波普
1）全普与窗口
2）卫星大地测量常用普
全普与窗口
卫星定位常用波普
符号 频率 GHz 平均波长 （ cm）
P 0.22~0.30 115
L 1~2 20
S 2~4 10
C 4~8 5
X 8~12.5 3
第二节 大气层对电磁波传播的影响
一、大气结构及性质
对流层, 40km以下，冷热、雨雪风、水蒸气。属非弥散介质。
电离层, 70km以上，空气分子以带电粒子的形式存在，属弥散介
质，对电磁波传播影响显著，折射率主要取决于带电子数的多少和电磁
波频率的高低。
折射数 —— N0=(n-1)× 106。
对流层与电离层比较
对流层 电离层
H越大,t越低 H越大,t越高
与气象有关 与气象无关
与 f无关 与 f有关
n>1 n<1
电离层对不同频率电磁波折射
二、电离层影响及对策
1、电离层影响：
dion=-c40.28NΣ/f 2
NΣ—— 断面为 1m2传播路径上的电子数总合。
若 NΣ=5× 1017，而 f 1=1.57542GHz,f 2=1.22760GHz
dion 1=8.11m,dion2=-13.36m。
2、对策：
1）双频观测；
2）利用电离层模型改正（是否改正取决于数据处理软件）；
3）同步观测求差（相对定位或差分定位）。
4） 载波相位观测与码相位观测取平均。
3、影响带电离子密度的因素
? 电离层高度,200~400km时密度最大；
? 地方时，白天是晚上的 5倍，地方时 11时最大；
? 季节，夏天是冬天的 4倍；
? 测站纬度，赤道最高，南北极最低；
? 年份，太阳黑子活动周期为 11年，最高年份可达 1016/m2,最低年份近于
零。 58,69,80,91,02年最高。
三、对流层影响及对策
与电磁波频率无关，与传播路径上的大气状况、大气压、温度、
高程、高度角等有关。
减弱措施：
1）模型改正；
2）作为未知数求解；
3）同步观测值求差；
4）用水汽辐射计求路径折射率。
第三节 GPS卫星的测距码信号
一,GPS卫星信号概述
载波信号：
L1 1.57542GHz。
L2 1.22760GHz 。
测距码信号,C/A码,P码。
数据码信号：导航电文。
二、码的概念及其产生
1） 码的基本概念
码 —— 表达不同信息的二进制数及其组合。（波形与序列见下一
幻灯片。）
码元 —— 一位二进制数叫一个码元。
编码 —— 用二进制数表示信息的过程。
信息量 —— 某种事物有 2r种类型，可用 r位二进制数表示，即含有 r
比特的信息量。
信息的传输速度 —— 单位时间内传输的比特数。
码元宽度 —— 传输一个码元所用时间。
码元、信息的传播速度、码元宽度三概念应牢固掌握
符号与波形
名称 二进制序列
符号序列 1 1 1 0
信号电位 -1 -1 -1 1
信号波形
模二加法, 110,101,000,011 ????????
二进制码的模二加法等价于电位的乘法。
码序列 —— 将 r比特的二进制数看作是由 0,1组成的序列。
2）随机码 —— 在一个码序列中,0和 1出现的概率相等，而某一码元是 0或
是 1却是随机的，事先无法确定的，这样的码序列叫随机码。
随机码特点：非周期性序列；自相关性好；无法复制。
自相关性用自相关系数表示，
自相关系数 —— 将 U（ t）平移 k个码元，平移后与平移前两序列相同码元
个数 A，相异个数 B，（ A-B） /（ A+B）叫自相关系数，用 R（ t）表示。
自相关性好 —— 原码与复制码对齐 R（ t） =1，不对齐 ≈0。
自相关系数：
11101001110100
11101001110100
R（ t） =(3-4)/7=-1/7。
11101001110100
11101001110101
R(t)=(3-4)/7=-1/7
3）噪声码
信号强度远低于噪声强度的信号码。
优点：耗能少；隐蔽性好。
4）伪随机噪声码及其产生
伪随机码 —— 有良好的自相关性且按周期重复出现的二进制码。
产生：多级反馈移位寄存器；也可用程序产生。
111100010011010111100010011010
码的产生
输出
+
4321
钟冲
置1脉冲
状态号 各级状态 1,2,3,4 输出
1 1 1 1 1 1 周日子夜零时置 1
脉
冲与钟冲 1同时作用
2 0 1 1 1 1 钟冲 2
3 0 0 1 1 1 钟冲 3
4 0 0 0 1 1 钟冲 4
5 1 0 0 0 0 钟冲 5
6 0 1 0 0 0 钟冲 6
7 0 0 1 0 0
8 1 0 0 1 1
9 1 1 0 0 0
10 0 1 1 0 0
四级移位寄存器产生的伪随机码的特性
码序列,111100010011010111100010011010
钟频,fc ； 码元宽度,τ0=1/ fc ；
码长,Nu=24-1=15bit；周期,T=τ0,Nu ；
自相关系数：对齐,1，不对齐,-1/15。
r级移位寄存器产生的伪随机码的特性
码元宽度,τ0=1/ fc ； 码长,Nu=2r-1；
周期,T=τ0,Nu ；
自相关系数：对齐,1，不对齐,-1/(2r-1)。
三,GPS的测距码
1） C/A码
两个 10级移位寄存器产生两个伪随机码 G1,G2。
G2平移 1~1023码元，得 1023个新码，与 G1模二相加。不同卫星用不
同码。
钟频,1.023MHz；
码元宽度,0.97752μs，
码长,210-1= 1023bit，
周期,0.97752μs × 1023=1ms，
测尺长度,300km，
测时精度,0.97752μs /100=0.0097752μs，
测距精度,299792458m/s× 9.7752× 10-9=2.93m。
2） P码
4个 12级移位寄存器，每个移位寄存器产生的伪随机码的码长为：
212-1=4095bit，
设 4个码为,A,B,C,D；将其组合成复杂的复合码，如：
ADDBACAADCBA等。
钟频,10.23MHz；
码元宽度,0.097752μs，
码长,2.35× 1014bit，
周期,0.097752μs× 2.35× 1014= 267天
测时精度,0.097752μs/100=9.7752× 10-10s，
测距精度,299792458× 9.7752× 10-10=0.293m。
第四节 GPS卫星的导航电文
1、遥测码：主要是说明注入数据是否可靠。
2、转换码：用 C/A码捕获 P码用。
3、传输参数：定位精度,<9可用于导航,>9不能导航。
————————————————————————————————
4、电离层改正。
5、钟差改正。
6、星历，各卫星播发的自已的位置参数，文件类型为 E文件，用于定位。
7、历书，各卫星播发的所有卫星的概略位置参数，文件名以 al 开头，用于
估算可见卫星数。 （ G:\ＧＰＳ教学 \数据 \课堂实习 \ASHTECH）
———————————————————————————————
8、卫星健康及其它。
第五节 GPS卫星信号的调制与解调
１、调制
调制就是在载波上加上信号码，方法是用调相技术将信号调制到载
波上。
二进制码（电位） 1 (-1) 0(1)
载波相位 改变 180° 不变
2、解调
解调就是去掉二进制码，只留下载波。方法有两种：
1）复制码与信号码对齐时相乘（电位相乘，二进制数模二相加）
2）平方解调（电位平方）
解调后得载波，用载波可进行载波相位测量（原理是测出载波由卫
星传播到接收机产生的载波相位延迟）。
3、载波精度
L1 频率,1.57542GHz。
波长,299792458/1.57542× 109=19.03cm。
测距精度,19.03cm/100=1.9mm。
L2 频率,1.22760GHz。
波长,299792458/1.22760× 109=24.42cm。
测距精度,24.42cm/100=2.4mm。
第六节 接收机的基本原理
1、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；
2、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），直到与接收码对齐为止，
记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时间。
复制码 １１１１０００１００１１０１０１１１
接收码 １１１１０００１００１１０１０
4*、冷启动，接收码 (来自某卫星）与 50多个复制码（接收机产
生）一一比较，两者相同叫 锁定 （ 如图 ）。
热启动，冷启动后有记忆，以后启动不必一一比较。
数据接收
第一节 电磁波的基本知识
1、参数
周期 T、频率 f、速度 v、波长 λ、相位 φ及其相互关系,T=1/ f,
λ=T.v,φ=2π ft。
2、电磁波普
1）全普与窗口
2）卫星大地测量常用普
全普与窗口
卫星定位常用波普
符号 频率 GHz 平均波长 （ cm）
P 0.22~0.30 115
L 1~2 20
S 2~4 10
C 4~8 5
X 8~12.5 3
第二节 大气层对电磁波传播的影响
一、大气结构及性质
对流层, 40km以下，冷热、雨雪风、水蒸气。属非弥散介质。
电离层, 70km以上，空气分子以带电粒子的形式存在，属弥散介
质，对电磁波传播影响显著，折射率主要取决于带电子数的多少和电磁
波频率的高低。
折射数 —— N0=(n-1)× 106。
对流层与电离层比较
对流层 电离层
H越大,t越低 H越大,t越高
与气象有关 与气象无关
与 f无关 与 f有关
n>1 n<1
电离层对不同频率电磁波折射
二、电离层影响及对策
1、电离层影响：
dion=-c40.28NΣ/f 2
NΣ—— 断面为 1m2传播路径上的电子数总合。
若 NΣ=5× 1017，而 f 1=1.57542GHz,f 2=1.22760GHz
dion 1=8.11m,dion2=-13.36m。
2、对策：
1）双频观测；
2）利用电离层模型改正（是否改正取决于数据处理软件）；
3）同步观测求差（相对定位或差分定位）。
4） 载波相位观测与码相位观测取平均。
3、影响带电离子密度的因素
? 电离层高度,200~400km时密度最大；
? 地方时，白天是晚上的 5倍，地方时 11时最大；
? 季节，夏天是冬天的 4倍；
? 测站纬度，赤道最高，南北极最低；
? 年份，太阳黑子活动周期为 11年，最高年份可达 1016/m2,最低年份近于
零。 58,69,80,91,02年最高。
三、对流层影响及对策
与电磁波频率无关，与传播路径上的大气状况、大气压、温度、
高程、高度角等有关。
减弱措施：
1）模型改正；
2）作为未知数求解；
3）同步观测值求差；
4）用水汽辐射计求路径折射率。
第三节 GPS卫星的测距码信号
一,GPS卫星信号概述
载波信号：
L1 1.57542GHz。
L2 1.22760GHz 。
测距码信号,C/A码,P码。
数据码信号：导航电文。
二、码的概念及其产生
1） 码的基本概念
码 —— 表达不同信息的二进制数及其组合。（波形与序列见下一
幻灯片。）
码元 —— 一位二进制数叫一个码元。
编码 —— 用二进制数表示信息的过程。
信息量 —— 某种事物有 2r种类型，可用 r位二进制数表示，即含有 r
比特的信息量。
信息的传输速度 —— 单位时间内传输的比特数。
码元宽度 —— 传输一个码元所用时间。
码元、信息的传播速度、码元宽度三概念应牢固掌握
符号与波形
名称 二进制序列
符号序列 1 1 1 0
信号电位 -1 -1 -1 1
信号波形
模二加法, 110,101,000,011 ????????
二进制码的模二加法等价于电位的乘法。
码序列 —— 将 r比特的二进制数看作是由 0,1组成的序列。
2）随机码 —— 在一个码序列中,0和 1出现的概率相等，而某一码元是 0或
是 1却是随机的，事先无法确定的，这样的码序列叫随机码。
随机码特点：非周期性序列；自相关性好；无法复制。
自相关性用自相关系数表示，
自相关系数 —— 将 U（ t）平移 k个码元，平移后与平移前两序列相同码元
个数 A，相异个数 B，（ A-B） /（ A+B）叫自相关系数，用 R（ t）表示。
自相关性好 —— 原码与复制码对齐 R（ t） =1，不对齐 ≈0。
自相关系数：
11101001110100
11101001110100
R（ t） =(3-4)/7=-1/7。
11101001110100
11101001110101
R(t)=(3-4)/7=-1/7
3）噪声码
信号强度远低于噪声强度的信号码。
优点：耗能少；隐蔽性好。
4）伪随机噪声码及其产生
伪随机码 —— 有良好的自相关性且按周期重复出现的二进制码。
产生：多级反馈移位寄存器；也可用程序产生。
111100010011010111100010011010
码的产生
输出
+
4321
钟冲
置1脉冲
状态号 各级状态 1,2,3,4 输出
1 1 1 1 1 1 周日子夜零时置 1
脉
冲与钟冲 1同时作用
2 0 1 1 1 1 钟冲 2
3 0 0 1 1 1 钟冲 3
4 0 0 0 1 1 钟冲 4
5 1 0 0 0 0 钟冲 5
6 0 1 0 0 0 钟冲 6
7 0 0 1 0 0
8 1 0 0 1 1
9 1 1 0 0 0
10 0 1 1 0 0
四级移位寄存器产生的伪随机码的特性
码序列,111100010011010111100010011010
钟频,fc ； 码元宽度,τ0=1/ fc ；
码长,Nu=24-1=15bit；周期,T=τ0,Nu ；
自相关系数：对齐,1，不对齐,-1/15。
r级移位寄存器产生的伪随机码的特性
码元宽度,τ0=1/ fc ； 码长,Nu=2r-1；
周期,T=τ0,Nu ；
自相关系数：对齐,1，不对齐,-1/(2r-1)。
三,GPS的测距码
1） C/A码
两个 10级移位寄存器产生两个伪随机码 G1,G2。
G2平移 1~1023码元，得 1023个新码，与 G1模二相加。不同卫星用不
同码。
钟频,1.023MHz；
码元宽度,0.97752μs，
码长,210-1= 1023bit，
周期,0.97752μs × 1023=1ms，
测尺长度,300km，
测时精度,0.97752μs /100=0.0097752μs，
测距精度,299792458m/s× 9.7752× 10-9=2.93m。
2） P码
4个 12级移位寄存器，每个移位寄存器产生的伪随机码的码长为：
212-1=4095bit，
设 4个码为,A,B,C,D；将其组合成复杂的复合码，如：
ADDBACAADCBA等。
钟频,10.23MHz；
码元宽度,0.097752μs，
码长,2.35× 1014bit，
周期,0.097752μs× 2.35× 1014= 267天
测时精度,0.097752μs/100=9.7752× 10-10s，
测距精度,299792458× 9.7752× 10-10=0.293m。
第四节 GPS卫星的导航电文
1、遥测码：主要是说明注入数据是否可靠。
2、转换码：用 C/A码捕获 P码用。
3、传输参数：定位精度,<9可用于导航,>9不能导航。
————————————————————————————————
4、电离层改正。
5、钟差改正。
6、星历，各卫星播发的自已的位置参数，文件类型为 E文件，用于定位。
7、历书，各卫星播发的所有卫星的概略位置参数，文件名以 al 开头，用于
估算可见卫星数。 （ G:\ＧＰＳ教学 \数据 \课堂实习 \ASHTECH）
———————————————————————————————
8、卫星健康及其它。
第五节 GPS卫星信号的调制与解调
１、调制
调制就是在载波上加上信号码，方法是用调相技术将信号调制到载
波上。
二进制码（电位） 1 (-1) 0(1)
载波相位 改变 180° 不变
2、解调
解调就是去掉二进制码，只留下载波。方法有两种：
1）复制码与信号码对齐时相乘（电位相乘，二进制数模二相加）
2）平方解调（电位平方）
解调后得载波，用载波可进行载波相位测量（原理是测出载波由卫
星传播到接收机产生的载波相位延迟）。
3、载波精度
L1 频率,1.57542GHz。
波长,299792458/1.57542× 109=19.03cm。
测距精度,19.03cm/100=1.9mm。
L2 频率,1.22760GHz。
波长,299792458/1.22760× 109=24.42cm。
测距精度,24.42cm/100=2.4mm。
第六节 接收机的基本原理
1、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；
2、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），直到与接收码对齐为止，
记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时间。
复制码 １１１１０００１００１１０１０１１１
接收码 １１１１０００１００１１０１０
4*、冷启动，接收码 (来自某卫星）与 50多个复制码（接收机产
生）一一比较，两者相同叫 锁定 （ 如图 ）。
热启动，冷启动后有记忆，以后启动不必一一比较。
数据接收
