武汉大学 测绘学院 GPS原理及其应用课程组
GPS原理及其应用
(四 )
GPS原理及其应用
第二章 全球定位系统的组成及信号结构
§ 2.2 GPS卫星的信号结构
GPS原理及其应用
GPS卫星信号结构
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构
GPS原理及其应用
概述
? GPS卫星信号的组成部分
– 载波（ Carrier）
? L1
? L2
– 测距码（ Ranging Code）
? C/A码（目前只被调制在 L1上）
? P(Y)码（被分别调制在 L1和 L2上）
– 卫星（导航）电文（ Message）
? GPS卫星信号的生成
– 关键设备 – 原子钟
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 概述
GPS原理及其应用
GPS卫星的基准频率 f0
? 由卫星上的原子钟直接产生
? 频率为 10.23MHz
? 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频
或分频 1 0 1
2 0 2
0
0
0
1 5 4 1 5 7 5,4 2 M H z ; 1 9,0 3 c m
1 2 0 1 2 2 7,6 0 M H z ; 2 4,4 2 c m
/ 1 0 1,0 2 3 M H z ;
1 0,2 3 M H z ;
20460000 50
LL
ff
ff
C A f
Pf
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码 码 率
码 码 率
卫 星 （ 导 航 ） 电 文 码 率
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星的基准频率
GPS原理及其应用
载波①
? 作用
– 搭载其它调制信号
– 测距
– 测定多普勒频移
? 类型
– 目前
? L1 – 频率,154?f0 = 1575.43MHz；波长,19.03cm
? L2 – 频率,120?f0 = 1227.60MHz；波长,24.42cm
– 现代化后
? 增加 L5 –频率,115?f0 = 1176.45MHz；波长,25.48cm
L
1
1 9, 0 3 c m
L
2
2 4, 4 2 c m
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 载波
GPS原理及其应用
载波②
? 特点
– 所选择的频率有利于测定多普勒频移
– 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（电离层折射延迟于信号的频率有关）
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 载波
GPS原理及其应用
测距码①
? 作用
– 测距
? 性质
– 为伪随机噪声码（ PRN － Pseudo Random
Noise）
– 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关
系数为 0或 1/n（ n为码元数）
– 对齐的同一组码间的相关系数为 1
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 测距码
GPS原理及其应用
测距码②
? 类型
– 目前
? C/A码（ Coarse/Acquisition Code） – 粗码 /捕获码；
码率,1.023MHz；周期,1ms； 1周期含码元数：
1023；码元宽度,293.05m；仅被调制在 L1上
? P（ Y）码（ Precise Code） – 精码；码率：
10.23MHz；周期,7天； 1周期含码元数：
6187104000000；码元宽度,29.30m；被调制在 L1和
L2上
– 现代化后
? 在 L2上调制 C/A码
? 在 L1和 L2增加调制 M码
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 测距码
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文①
? 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参
数、卫星状态信息及其它信息
? 基本结构
...
第 1 字
遥测字
(30bits)
第 2 字
交接字
(30bits)
..,第 10 字
(30bits)
第 1 子帧
（第 1 数据块）
(300bits)
第 1 字
遥测字
(30bits)
第 2 字
交接字
(30bits)
..,第 10 字
(30bits)
第 2 子帧
（第 2 数据块）
(300bits)
第 3 子帧
（第 2 数据块）
(300bits)
第 4 子帧
（第 3 数据块）
(300bits)
第 5 子帧
（第 3 数据块）
(300bits)
第 1 主帧
(1500bits)
第 2 主帧
(1500bits)
...
第 1 子帧
（第 1 数据块）
(300bits)
..,第 5 子帧
（第 3 数据块）
(300bits)
第 25 主帧
(1500bits)
导航电文
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文②
– 基本内容
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文③
? 遥测字（ TLM – Telemetry Word）
– 每一子帧的第 1个字
– 用作捕获导航电文的前导
? 交接字（ HOW – Hand Over Word）
– 每一子帧的第 2个字
– 主要内容,Z计数
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文④
? 第一数据块
– 第 1子帧的第 3~10个字
– 内容：
? WN – GPS周
? L2所调制测距码标识符 –“10”表示 C/A码,,01”表示 P(Y)码
? 传输参数 N – URA
? TGD – 信号在卫星内部的时延
? 星钟数据龄期 AODC
? 星钟改正参数 a0（钟偏）,a1（钟速）,a2（钟漂）
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LOC ttA O D C ??
2210 )()( ococSV ttattaat ??????
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文⑤
? 第二数据块
– 第 2,3子帧的第 3~10个字
– 内容
? 该发送信号卫星的星历 － 广播星历
– 星历参数
A O D EtCCCCCCiiaenM oeisicrsrcusuc,,,,,,,,,,,,,,,,000 ????? ?
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文⑥
? 第三数据块
– 第 4,5子帧的第 3~10个字
– 内容：所有卫星历书（概略星历）
– 第三数据块的内容每 12.5分钟重复一次
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
星历参数详解①
：轨道长半轴的平方根A
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解
为平均角速度其中
：参考时刻的平近点角
n
ttnMtM
M
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0
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aa
GM
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n
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0
2314
330
109 8 6 0 0 5.384
)(
系中定义为称为地球引力常数，在
平均角速度的计算值
：平均角速度的改正值
?
?
GPS原理及其应用
星历参数详解②
?
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：偏心率
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k
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Woe
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0
0
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为升交点赤经，则为升交点经度，为地球自转角速度，设
之差周开始时格林尼治赤经与：参考时刻升交点赤经
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解
GPS原理及其应用
星历参数详解③
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解
GPS原理及其应用
星历参数详解④
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i
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0 ?：参考时刻的轨道倾角
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：近地点角距
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轨道倾角的改正项升交距角、轨道向径和
弦调和改正的振幅：轨道倾角的余弦和正，
弦调和改正的振幅：轨道半径的余弦和正，
弦调和改正的振幅：升交距角的余弦和正，
：星历参考时刻oet
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解
GPS原理及其应用
卫星信号的调制①
? 模二和
– 运算规则
– 二进制信号：, 1”表示二进制, 0”,,-1”表示
二进制, 1”，则
000;110;101;011
????
????
111;111;111;111
??????
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全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星信号的调制
GPS原理及其应用
卫星信号的调制②
? 二进制信号的相位调制
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调频 FM 调幅 AM
调相 PM
注
：
其
它
调
制
方
式
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星信号的调制
GPS原理及其应用
卫星信号的调制③
? GPS卫星信号的调制
– 示意图
– 卫星信号的调制原理
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222
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LLiiCLLiiPL
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全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星信号的调制
GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置①
? 计算思路
– 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标
– 然后将上述坐标分别绕 X轴旋转 -i角、绕 Z轴旋
转 -?k角，求出卫星在地固系下的坐标
轨道平面坐标系轨道参数
地心
升交点
x
y
近地点
卫星
近地点角距
真近点角
升交距角
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
升交点
Z '( Z )
Y'
X'
r
o
春分点
轨道平面
卫星
Ω 升交点赤经
i 轨道倾角
轨道椭圆中心
赤道面
近地点
ω 近地点角距
长半径
t 0 过近地点时刻
e 轨道偏心率
地心
f 真 近点角
X
Y
起始子午面
Ω 升交点经度
k
G A S T
x
y
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置③
? 计算过程
– 计算卫星运行的平均角速度
– 计算 t时刻卫星的平近点角
– 计算偏近点角
0 3 3
1 4 3 2
0
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8 4 3, 9 8 6 0 0 5 1 0
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称 为 地 球 引 力 常 数, 在 系 中 定 义 为
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全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置④
? 计算过程（续）
– 计算真近点角
– 计算升交距角（未经改正的）
– 计算卫星向径
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全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
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GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置⑤
? 计算过程（续）
– 计算摄动改正项
– 进行摄动改正
– 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置
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))('2s in ())('2c o s ()(
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全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置⑥
? 计算过程（续）
– 计算升交点经度
– 计算卫星在地固坐标系下的坐标
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Z
Y
X
k
kk
kk
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全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
精密星历
按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位
置、三维速度和钟差
* 2004 1 15 0 0 0.00000000
P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285
P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064
P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932
P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805
P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888
P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584
P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094
P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428
GPS卫星位置的计算 -根据精密星历计算卫星位置
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
? 任意时刻 t卫星位置的计算
– 原理：插值法
– 方法：拉格朗日插值法等
?
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xyyy
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0
0
10
10
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,...,,)(
值为
，其函数点对于插值区间内的任一函数值
及其对应的个结点的已知函数
GPS卫星位置的计算 -根据精密星历计算卫星位置
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
(四 )
GPS原理及其应用
第二章 全球定位系统的组成及信号结构
§ 2.2 GPS卫星的信号结构
GPS原理及其应用
GPS卫星信号结构
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构
GPS原理及其应用
概述
? GPS卫星信号的组成部分
– 载波（ Carrier）
? L1
? L2
– 测距码（ Ranging Code）
? C/A码（目前只被调制在 L1上）
? P(Y)码（被分别调制在 L1和 L2上）
– 卫星（导航）电文（ Message）
? GPS卫星信号的生成
– 关键设备 – 原子钟
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 概述
GPS原理及其应用
GPS卫星的基准频率 f0
? 由卫星上的原子钟直接产生
? 频率为 10.23MHz
? 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频
或分频 1 0 1
2 0 2
0
0
0
1 5 4 1 5 7 5,4 2 M H z ; 1 9,0 3 c m
1 2 0 1 2 2 7,6 0 M H z ; 2 4,4 2 c m
/ 1 0 1,0 2 3 M H z ;
1 0,2 3 M H z ;
20460000 50
LL
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ff
C A f
Pf
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?
?
? ? ? ?
? ? ? ?
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??
? ? ?
码 码 率
码 码 率
卫 星 （ 导 航 ） 电 文 码 率
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星的基准频率
GPS原理及其应用
载波①
? 作用
– 搭载其它调制信号
– 测距
– 测定多普勒频移
? 类型
– 目前
? L1 – 频率,154?f0 = 1575.43MHz；波长,19.03cm
? L2 – 频率,120?f0 = 1227.60MHz；波长,24.42cm
– 现代化后
? 增加 L5 –频率,115?f0 = 1176.45MHz；波长,25.48cm
L
1
1 9, 0 3 c m
L
2
2 4, 4 2 c m
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 载波
GPS原理及其应用
载波②
? 特点
– 所选择的频率有利于测定多普勒频移
– 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（电离层折射延迟于信号的频率有关）
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 载波
GPS原理及其应用
测距码①
? 作用
– 测距
? 性质
– 为伪随机噪声码（ PRN － Pseudo Random
Noise）
– 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关
系数为 0或 1/n（ n为码元数）
– 对齐的同一组码间的相关系数为 1
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 测距码
GPS原理及其应用
测距码②
? 类型
– 目前
? C/A码（ Coarse/Acquisition Code） – 粗码 /捕获码；
码率,1.023MHz；周期,1ms； 1周期含码元数：
1023；码元宽度,293.05m；仅被调制在 L1上
? P（ Y）码（ Precise Code） – 精码；码率：
10.23MHz；周期,7天； 1周期含码元数：
6187104000000；码元宽度,29.30m；被调制在 L1和
L2上
– 现代化后
? 在 L2上调制 C/A码
? 在 L1和 L2增加调制 M码
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 测距码
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文①
? 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参
数、卫星状态信息及其它信息
? 基本结构
...
第 1 字
遥测字
(30bits)
第 2 字
交接字
(30bits)
..,第 10 字
(30bits)
第 1 子帧
（第 1 数据块）
(300bits)
第 1 字
遥测字
(30bits)
第 2 字
交接字
(30bits)
..,第 10 字
(30bits)
第 2 子帧
（第 2 数据块）
(300bits)
第 3 子帧
（第 2 数据块）
(300bits)
第 4 子帧
（第 3 数据块）
(300bits)
第 5 子帧
（第 3 数据块）
(300bits)
第 1 主帧
(1500bits)
第 2 主帧
(1500bits)
...
第 1 子帧
（第 1 数据块）
(300bits)
..,第 5 子帧
（第 3 数据块）
(300bits)
第 25 主帧
(1500bits)
导航电文
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文②
– 基本内容
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文③
? 遥测字（ TLM – Telemetry Word）
– 每一子帧的第 1个字
– 用作捕获导航电文的前导
? 交接字（ HOW – Hand Over Word）
– 每一子帧的第 2个字
– 主要内容,Z计数
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文④
? 第一数据块
– 第 1子帧的第 3~10个字
– 内容：
? WN – GPS周
? L2所调制测距码标识符 –“10”表示 C/A码,,01”表示 P(Y)码
? 传输参数 N – URA
? TGD – 信号在卫星内部的时延
? 星钟数据龄期 AODC
? 星钟改正参数 a0（钟偏）,a1（钟速）,a2（钟漂）
GDSVLSV Ttt ???? 1)(
LOC ttA O D C ??
2210 )()( ococSV ttattaat ??????
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文⑤
? 第二数据块
– 第 2,3子帧的第 3~10个字
– 内容
? 该发送信号卫星的星历 － 广播星历
– 星历参数
A O D EtCCCCCCiiaenM oeisicrsrcusuc,,,,,,,,,,,,,,,,000 ????? ?
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
卫星（导航）电文⑥
? 第三数据块
– 第 4,5子帧的第 3~10个字
– 内容：所有卫星历书（概略星历）
– 第三数据块的内容每 12.5分钟重复一次
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星（导航）电文
GPS原理及其应用
星历参数详解①
：轨道长半轴的平方根A
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解
为平均角速度其中
：参考时刻的平近点角
n
ttnMtM
M
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0
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nnn
smW G S
aa
GM
n
n
???
?
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2314
330
109 8 6 0 0 5.384
)(
系中定义为称为地球引力常数，在
平均角速度的计算值
：平均角速度的改正值
?
?
GPS原理及其应用
星历参数详解②
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
etE
tEe
a r c tgt
tEetMtE
e
)(c o s
)(s in1
)(
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2
?真近点角
：偏心率
oeeoee
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k
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Woe
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tttttG A S T
tG A S Ttt
tG A S Ttt
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][)]([
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)(
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0
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为升交点赤经，则为升交点经度，为地球自转角速度，设
之差周开始时格林尼治赤经与：参考时刻升交点赤经
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 星历参数详解
GPS原理及其应用
星历参数详解③
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GPS原理及其应用
星历参数详解④
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：近地点角距
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轨道倾角的改正项升交距角、轨道向径和
弦调和改正的振幅：轨道倾角的余弦和正，
弦调和改正的振幅：轨道半径的余弦和正，
弦调和改正的振幅：升交距角的余弦和正，
：星历参考时刻oet
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GPS原理及其应用
卫星信号的调制①
? 模二和
– 运算规则
– 二进制信号：, 1”表示二进制, 0”,,-1”表示
二进制, 1”，则
000;110;101;011
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GPS原理及其应用
卫星信号的调制②
? 二进制信号的相位调制
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调频 FM 调幅 AM
调相 PM
注
：
其
它
调
制
方
式
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GPS原理及其应用
卫星信号的调制③
? GPS卫星信号的调制
– 示意图
– 卫星信号的调制原理
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全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > 卫星信号的调制
GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置①
? 计算思路
– 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标
– 然后将上述坐标分别绕 X轴旋转 -i角、绕 Z轴旋
转 -?k角，求出卫星在地固系下的坐标
轨道平面坐标系轨道参数
地心
升交点
x
y
近地点
卫星
近地点角距
真近点角
升交距角
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
升交点
Z '( Z )
Y'
X'
r
o
春分点
轨道平面
卫星
Ω 升交点赤经
i 轨道倾角
轨道椭圆中心
赤道面
近地点
ω 近地点角距
长半径
t 0 过近地点时刻
e 轨道偏心率
地心
f 真 近点角
X
Y
起始子午面
Ω 升交点经度
k
G A S T
x
y
全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置③
? 计算过程
– 计算卫星运行的平均角速度
– 计算 t时刻卫星的平近点角
– 计算偏近点角
0 3 3
1 4 3 2
0
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8 4 3, 9 8 6 0 0 5 1 0
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称 为 地 球 引 力 常 数, 在 系 中 定 义 为
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全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置④
? 计算过程（续）
– 计算真近点角
– 计算升交距角（未经改正的）
– 计算卫星向径
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全球定位系统的组成及信号结构 > GPS卫星信号结构 > GPS卫星位置的计算
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GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置⑤
? 计算过程（续）
– 计算摄动改正项
– 进行摄动改正
– 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置
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GPS原理及其应用
GPS卫星位置的计算 -根据广播星历计算卫星位置⑥
? 计算过程（续）
– 计算升交点经度
– 计算卫星在地固坐标系下的坐标
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Z
Y
X
k
kk
kk
xkZ
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GPS原理及其应用
精密星历
按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位
置、三维速度和钟差
* 2004 1 15 0 0 0.00000000
P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285
P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064
P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932
P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805
P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888
P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584
P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094
P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428
GPS卫星位置的计算 -根据精密星历计算卫星位置
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GPS原理及其应用
? 任意时刻 t卫星位置的计算
– 原理：插值法
– 方法：拉格朗日插值法等
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k
k
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10
10
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值为
，其函数点对于插值区间内的任一函数值
及其对应的个结点的已知函数
GPS卫星位置的计算 -根据精密星历计算卫星位置
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