GPS卫星的导航电文和卫星信号

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。

一、名词解释1.导航电文答：GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。

它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕捉P码的信息。

2.伪距答：GPS定位采用的是被动式单程测距。

它的信号发射时刻是卫星钟确定的，收到时刻则是由接收机钟确定的，这就在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地包含着两台钟不同步的误差影响，所以称其为伪距。

3.静态定位如果在定位时，接收机的天线在跟踪GPS卫星过程中，位置处于固定不动的静止状态，这种定位方式称为静态定位。

4.GPS全球定位系统GPS全球定位系统是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间获取一个通用参照系中的位置，速度和时间信息的要求。

5.岁差在日月引力和其他天体引力对地球隆起部分的作用下，地球自转轴方向不再保持不变，这使春分点在黄道上产生缓慢的西移现象，这种现象在天文学中称为岁差。

6.星历误差答：实际上就是卫星位置的确定误差。

星历误差是一种起始数据误差，其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。

7.SA技术答：其主要内容是：（1）在广播星历中有意地加入误差，使定位中的已知点（卫星）的位置精度大为降低；（2）有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟的频率产生快慢变化，导致测距精度大为降低。

8.差分GPS答：利用相距不太远的两个GPS测站在同一时间分别进行单点定位时所受到的卫星星历误差、大气延迟误差和卫星钟差等误差源的空间相关性较好的原理，利用基准站上的观测结果求得上述误差的影响并通过数据链将误差改正数发送给流动站从而提高流动站定位精度。

9.相对定位答：将两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，并同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置，这种定位模式称为相对定位。

10.相对论效应答：GPS卫星在高20200km的轨道上运行，卫星钟受狭义相对论效应和广义相对论效应的影响，其频率与地面静止钟相比，将发生频率偏移，这是精密定位中必须顾及的一种误差影响因素。

第4章GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1 GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）是用户用来定位和导航的数据基础。

它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。

这些信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，卫星电文又叫数据码（D码）。

他的基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。

一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit；第4,5子帧各有25个页面，共37500bit。

第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一次。

第4,5子帧的全部信息则需要750s才能够传送完毕。

即第4、5子帧是12.5min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。

4.1.1 遥测码遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据状态。

遥测码的第1-8bit 是同步码，使用户便于解释导航电文；第9-23bit为遥测电文，其中包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。

第23和第24bit是连接码；第25-30bit为奇偶检验码，它用于发现和纠正错误。

4.1.2 转换码转换码位于每个子帧的第二个字码。

其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。

Z计数实际上是一个时间计数，它以从每星期起始时刻开始播发的D码子帧数为单位，给出了一个子帧开始瞬间的GPS时间。

由于每一子帧持续时间为6s，所以下一个子帧开始的时间为6xZ s，用户可以据此将接收机时钟精确对准GPS时，并快速捕获P码。

4.1.3 第一数据块第1子帧第3-10字码，主要内容：①标识码，时延差改正②星期序号③卫星的健康情况④数据龄期⑤卫星时钟改正系数等。

4.1.4第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。

1卫星星历：是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。

根据卫星星历可以计算出任时刻的卫星位置及其速度，GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。

2广播星历：是定位卫星发播的无线电信号上载有预报一定时间内卫星根数的电文信息。

3导航电文：导航信息的二进制数据码。

包括卫星星历、时钟改正数、卫星工作状态、轨道摄动改正、大气折射改正等信息。

4无摄运动：仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。

5受摄运动：在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动。

6载波重建：重建载波相位是输入的（经多普勒位移的）GPS载波相位与接收仪产生的（名为固定的）参考频率相位，两者之的差。

7周跳：在GPS载波相位观测中，因卫星信号失锁引起的相位整周跳变。

8章动：指真北天极绕平北天极所做的顺时针椭圆运动。

9重复基线闭合差：当某条基线被两个或多个时段观测时，就构成了所谓的重复基线闭合差条件。

（不同观测时段，对于同一条基线的观测结果就是重复基线）10世界时：以平子夜为0时起算的格林威治平太阳时ＵＴ。

11岁差：地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢移动，春分点在黄道上随之缓慢移动的现象。

12黄道：地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面，它与天球相交的大圆称为黄道。

它就是当地球绕太阳公转时，观测者所看到的太阳在天球上运动的轨道。

13 伪距：GPS定位采用的是被动式单程测距。

它的信号发射时刻是卫星钟确定的，收到时刻则是由接收机钟确定的，这就在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地包含着两台钟不同步的误差影响，所以称其为伪距。

14整周未知数：指卫星信号从发射时刻到接收机接受时刻这个阶段载波的整个周数。

15升交点：指当卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角即轨道倾角不等于零时，轨道与赤道面有两个交点，卫星由南向北飞行时的交点称为升交点。

16升交点赤经：含地轴和春分点的子午面与含地轴和升交点的子午面之间的交角等。

17真近点角：天体从近点起沿轨道运动时其向径扫过的角度。