卫星导航电文讲解
- 格式：pdf
- 大小：1.55 MB
- 文档页数：19
卫星导航电文讲解
本文内容大纲如下：
⚫ GPS信号讲解
⚫ GPS的导航电文讲解
⚫ GLONASS信号
⚫ GLONASS信号构成
⚫ GLONASS导航电文
⚫ Galileo信号
⚫ Galileo 信号构成
⚫ Galileo导航电文
⚫ 北斗
⚫ 北斗信号构成
⚫ 北斗导航电文
⚫ GPS信号讲解 GPS 卫星传输的信号主要由三个部分组成：
载波
测距码 (伪随机码)
导航电文 每颗卫星使用两种不同的测距码来对导航电文进行扩频：
粗略码 (C/A)，也称为民码，免费提供给全球用户使用，
精细码 (P)，也称为军码，主要用于政府和军事机构中的高精度应用。 C/A 码是长度为 1,023 比特的伪随机码，传输速率为 1.023 Mbps，即每毫秒重复一次。GPS 系统采用码分多址技术，每颗卫星使用不同 C/A 码，在同一频率上
传输信号，接收机通过对 C/A码的识别来确定信号来自哪颗卫星。
P 码是码长为 6.1871 x 1012 比特的伪随机码，传输速率为 10.23 Mbps，P 码的周期很长，每周重复一次。
自 1994 年起，为了反电子欺骗，P 码被W码加密得到 Y 码，通常称为 P (Y) 码，仅限于军事应用。
导航电文，经测距码扩频后，调制到射频载波上。L1 载波 1575.42 MHz 频带上同时调
制了 C/A 和 P (Y) 码信号。L2 载波 1227.6 MHz 频带上只调制了
P (Y)码信号。
⚫ GPS的导航电文讲解 导航电文由一个含有 37,500 比特的主帧组成，传输速率为 50 bps，电文的传送时
间为 12.5 min。主帧分成 25 个页面或帧，每帧由 5 个子帧构成，包括时间和钟差
改正数、卫星健康状况、当前卫星的星历或精密的轨道信息、以及一部分历书 (包含所有卫星粗略轨道信息)。
接收机接收每颗卫星的星历数据，来确定卫星的位置。它还需要传输时间和钟差改正
数来计算伪距，进而确定接收机的位置。这些信息在前三个子帧中传输，接收机至少
需要 16 秒 (在最坏情况下是 30 秒) 来获取这些必要信息。
GPS的导航电文以帧的形式编排为比特流，每一帧为1500比特，这1500比特又分为
5个子帧，每个子帧为300比特。每一子帧又分为10个字，每个字30为比特。发送
时MSB在前。每一比特发送需要20ms，所以发送一帧需要30s。
每周开始的时候（周六半夜12点/周日凌晨0
点），不管之前数据发到哪个子帧，从第
一子帧重新开始发；第四、五子帧从第一页开始发。
对每一个子帧来说，其第一个字是遥测字（TLW: Telemetry Word），第二个字是交接字（HOW: HandOver Word），后8个字为数据。
一、遥测字
其结构如下图所示。其首8个比特为前导码（preamble），前导码固定为10001011。这个
固定的前导码可以用来搜索、确定子帧的起始沿。第9位到第22位提供特许用户使用的数
据，我们不用管。第23位为完好性状态指示标志（ISF：Integrity Status Flag），为1表示
有发射的信号有增强的完好性保证，即更加靠谱。当然这个靠谱是有标准的，在GPS的接
口说明文档里有详细数值指标，需要详细了解的可以去查阅。第24位保留。最后6位为奇
偶校验码。
二、交接字
其结构如下图所示。第1到17比特为被截断的周内时（TOW: Time of Week），表示的是
下一子帧起始沿的GPS时间，单位为6s，即变动1表示时间6s。第18位为警告标志，为
1时非特许用户自行承担使用该卫星信息的风险。第19位为反电子欺骗措施（AS）标志，
为1表示实施了该措施。第20位到22位为子帧ID，每一帧有5个子帧，ID为1~5。第
23、24比特是通过求解得到的，目的是保证奇偶校验码的最后29、30比特为0。
三、数据字
对于数据字，各个子帧就不一样了，下面分子帧来讲。
第一子帧
第一子帧包含的数据有：
第二、三子帧
第二子帧和第三子帧的数据合在一起可以提供一套卫星星历（Ephemeris）参数
除了星历参数以外，还有
第四、五子帧
第四子帧和第五子帧的数据量比较大，无法包含在一帧内，所以进行了分页，完整电文有
25页，即需要25帧才能把完整的数据发送完。发送一帧是30s，所以完整电文发送完一遍需
要750s，即12.5分钟。不过第四、五子帧的内容并不是定位所急需的，所以定位并不需要
等这么久。
第四子帧和第五子帧包含的数据主要有：
Data ID 和 SV ID：主要用于指示该页表示的内容，若为星历数据，则SV ID是卫星PRN
号。
所有卫星的历书（Almanac）参数
历书参数的内容包括：M
从GPS时间计算UTC时间的方法为：
四、星历和历书的比较
两者都是用开普勒轨道参数来表示，都用于描述卫星在各个时刻的空间位置和运动速度。
星历有效期短，只有4小时；历书有效期长达半年。
星历参数多，历书参数少。
星历参数中有摄动校正量，而历书没有，因为历书有效期长，不适用。
星历参数精度高，历书参数精度低。
星历参数与历书参数是由地面站独立推算的，因此它们的参数值有可能不同。
一颗卫星只播发自己的星历，但是会播发所有卫星的历书。
根据星历计算得到的卫星位置和速度值相当准确，可以直接用于定位与定速；根据历书计算的结果准确度不高，一般只能用于卫星信号的搜索和捕获。
⚫ GLONASS 信号 GLONASS-M 卫星使用相同的伪随机码，在不同的频率 (14 个频率) 通道上，发送信
号，因此 GLONASS 系统实际上是频分多址 (FDMA) 系统。由于位于同一轨道面对
径上的两颗卫星可以分配同一通道来实现，因此使用 14 种频率通道足以支持 24 颗
卫星。与 GPS 类似，GLONASS 提供适合公众使用的标准精度信号和适合特定用户群
(国防和军事应用领域) 的高精度信号。两种信号都在 L1 和 L2 频段内传输。
L1 频段: 信号在 16 02 MHz 频率传输，相邻通道频率间距为 562.5 kHz (~1597-1606
MHz)
L1 频率 = 1602 MHz + (K * 562.5 kHz)，其中通道 K = -7, -6, ... , 5, 6
L2 频段: 信号在 1246 MHz 频率传输，相邻通道频率间距为 437.5 kHz(~1238-1254 MHz)
L2 频率 = 1246 MHz + (K * 437.5 kHz)，其中通道 K = -7, -6, ... , 5, 6 GPS 和 GLONASS 的 L1 标准精度 (C/A) 信号的比较。
新一代 GLONASS-K 卫星同时传输这种 FDMA 信号和最新的 CDMA 信号。 CDMA
信号与 GPS 和 Galileo 系统类似，不同卫星使用不同的测距码 (伪随机码)，在同一频率
上传输信号。要使用新的 CDMA 信号提供定位服务，可能还需要几年的时间才能有足够
数量的 GLONASS-K 卫星在轨运行。现在，所有 GLONASS 接收机都将继续使用
FDMA 信号，也就是下面所介绍的信号。
⚫ GLONASS 信号构成 GLONASS 信号具有以下组成部分：
载波
测距码
导航电文
明德码(Meander code)
GLONASS 信号的大部分都与 GPS 相似，但也有非常大的不同。正如前文所述，对于
GLONASS，每颗卫星都会使用不同的 L1 和 L2 载波频率，取决于信号传输所选择的
频率通道。再有就是测距码和导航电文。GPS 系统中，不同的卫星使用不同的测距码，
包括 C/A 码和 P 码，而所有的 GLONASS 卫星则使用相同的测距码。GLONASS 系
统的 C/A 码长度比 GPS 系统的 C/A 码短，码速率为 511 kbps，而P码的码速率
为 5.11 Mbps。明德码是 GLONASS 独有的组成部分，通过模二加法器与测距码、导
航电文合并。下图显示了 GLONASS 信号的生成过程。
⚫ GLONASS 导航电文 标准精度GLONASS信号的导航电文具有超帧结构。一个超帧持续2.5分钟，分为5
帧，每帧30秒，由15个串(String)组成。每帧的前4个串包含发射卫星的星历数据、
卫星钟改正、卫星健康状况以及卫星载波频率与标准值得偏差。其余的串包含系统中所
有卫星的历书数据。每个串包含导航数据和明德码模二加、校验位和时间标记。时间标
记为固定的长度为30比特的伪随机序列，传输速率为100bps。
⚫ Galileo信号
当部署完成时，Galileo导航系统的空间段将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成。
卫星分布在3个轨道平面上，轨道高度为23,222 km。每颗Galileo卫星都在4个不同的频点上传输信号:
—
E1 (1575.42 MHz)
— E6 (1278.75 MHz)
— E5a (1176.45 MHz)
— E5b (1207.14 MHz)
不同频点传输的信号结构和调制方式有着明显的不同。本应用指南主要关注消费类设备及应用，以下描述只针对E1开放服务(OS)信号。
Galileo E1 开放服务信号
Galileo 开放服务信号包括 E1b 数据通道和 E1c 引导信号通道，采用二进制偏移副
载波调制技术 (CBOC) 调制方式。Galileo E1 频点和 GPS L1 频点传输频率相同。
GPS 采用 BPSK 调制方式，频谱形状类似sinc( x )函数，主瓣信号在中心频率附近。
BOC 调制将能量扩散到2个旁瓣，而中心频率处为空值，从而将 GPS 信号的干扰降
至最低。BOC 信号通常被称为 BOC( m,n ) 或 BOC ( fs,fc )，其中副载波频率 ( fs )
= m *1.023 MHz，扩频码速率 ( fc ) = n*1.023 MHz。CBOC 采用窄带 BOC ( 1,1 )
与宽带 BOC ( 6,1 ) 信号的组合，提供更好的抗多径性能。
Galileo 信号构成
