GPS卫星信号分解.pptx

第四章 GPS卫星信号1第四章 GPS卫星信号与导航电文本章学本章学习目目标熟悉熟悉卫星星导航航电文的内容；文的内容；了解了解GPS卫星信号的作用；星信号的作用；掌握掌握GPS卫星信号星信号码结构；构；掌握掌握GPS卫星位置的星位置的计算步算步骤；熟悉熟悉GPS接收机的基本工作原理；接收机的基本工作原理；了解了解GPS数据通数据通讯与常用数据格式。与常用数据格式。第四章 GPS卫星信号24.1GPS卫星的星的导航航电文文4.2GPS卫星位置的星位置的计算算4.3GPS卫星信号星信号4.4GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理4.5GPS数据通数据通讯与数据格式与数据格式第四章 GPS卫星信号3nGPS卫星定位星定位测量是通量是通过用用户接收机接收接收机接收GPS卫星星发射的射的信号来信号来测定定测站坐站坐标的，那么究竟什么是的，那么究竟什么是GPS卫星信号呢星信号呢?GPS卫星信号的内容GPSGPS载波信号载波信号L L1 1载波载波GPSGPS的测距码的测距码C/AC/A码码P P码码导航导航电文电文卫星的星历卫星的星历卫星工作状态卫星工作状态时间系统时间系统卫星钟运行状态卫星钟运行状态轨道摄动改正轨道摄动改正大气折射改正大气折射改正L L2 2载波载波GPSGPS卫卫星星信信号号第四章 GPS卫星信号44.1 GPS卫星的导航电文1、定义、定义就是包含了有关就是包含了有关卫星的星星的星历、卫星工作状星工作状态、时间系系统、卫星星钟运行运行状状态、轨道道摄动改正、大气折射改正和由改正、大气折射改正和由C/A码转换到到P捕捕获码等等导航航信息的数据信息的数据码(或或D码)。是用。是用户用来定位和用来定位和导航的数据基航的数据基础。第四章 GPS卫星信号55u卫卫星星导导航航电电文文包包括括卫卫星星星星历历、时时钟钟改改正正参参数数、电电离离层层延延迟迟改改正正参参数数、工工作作状状态态信信息息，以以及及由由C/A码码转换到转换到P码的的信息。码的的信息。uGPS卫卫星星的的导导航航电电文文是是用用户户用用来来定定位位和和导导航航的的数数据基础。据基础。u电电文文以以二二进进制制码码的的形形式式发发送送，码码率率为为每每秒秒50比比特特，每个二进制码为每个二进制码为20ms。u电电文文按按帧帧传传送送，每每个个主主帧帧电电文文包包含含1500个个二二进进制制码元，周期为码元，周期为30秒。秒。第四章 GPS卫星信号66u每每个个主主帧帧又又分分为为5个个子子帧帧，每每个个子子帧帧都都包包含含300个个二二进制码，进制码，6秒钟传完。秒钟传完。u第第1、2、3子子帧帧每每30秒秒重重复复一一次次，内内容容每每小小时时更更新新一一次。次。u第第4、5子子帧帧各各有有25个个页页面面，其其内内容容仅仅在在卫卫星星注注入入新新的导航数据后才得到更新。的导航数据后才得到更新。第四章 GPS卫星信号77第四章 GPS卫星信号82、遥测码、遥测码遥遥测码(TLMTelemetryWord)，位于各子，位于各子帧的的开开头，作，作为捕捕获导航航电文的前文的前导。其中所含的同。其中所含的同步信号步信号为各子各子帧提供了一个同步的起点，使用提供了一个同步的起点，使用户便于解便于解释电文数据。文数据。同步码同步码遥测电文遥测电文连接码连接码奇偶检验码奇偶检验码第四章 GPS卫星信号99u每每个个子子帧帧的的第第一一个个字字为为遥遥测测字字（TLM），用用来来表表明明卫卫星星注入数据的状态。注入数据的状态。u遥遥测测字字开开头头的的8个个比比特特可可作作为为捕捕获获导导航航信信息息的的前前导导，其其中中所所含含的的同同步步信信号号，为为各各子子帧帧提提供供了了一一个个同同步步的的起起点点，使使用用户便于解调电文数据。户便于解调电文数据。u随随后后的的14个个比比特特是是遥遥测测码码的的电电文文，其其内内容容包包括括控控制制站站注注入入数数据据时时的的状状态态、诊诊断断信信息息和和其其他他信信息息，以以此此指指示示用用户户是是否选用该颗卫星。否选用该颗卫星。u接接下下来来是是两两个个无无信信息息意意义义的的连连接接比比特特和和6个个奇奇偶偶校校验验比比特特，奇奇偶偶校校验验位位用用于于发发现现并并纠纠正正个个别别错错误误，确确保保正正确确传传输输导导航航电文。电文。第四章 GPS卫星信号103 3、转换码、转换码转换码(HOW(HOWHand Over WordHand Over Word），），紧接着各子接着各子帧开开头的遥的遥测字，主要是向用字，主要是向用户提供用于捕提供用于捕获P P码的的Z Z计数。数。转换码表示从每星期日零表示从每星期日零时至星期六至星期六2424时，P P码子子码X1X1的的周期（周期（1.5s1.5s）重复数。因此，知道）重复数。因此，知道Z Z计数，就知道数，就知道观测时刻刻P P码在周期中的准确位置，便能在周期中的准确位置，便能较快的快的 捕捕获到到P P码。通通过交接字可以交接字可以实时地了解地了解观测瞬瞬时在在P P码周期中所周期中所处的的准确位置，以便迅速地捕准确位置，以便迅速地捕获P P码。第四章 GPS卫星信号114、第一数据块第一数据块 第第1子子帧的第的第310个字个字含有关于含有关于卫星星钟改正参数及其数据改正参数及其数据龄期、星期的周数期、星期的周数编号以及号以及电离离层改正参数和改正参数和卫星工作状星工作状态等信息。等信息。主要内容：主要内容：（1）标识码和时延差改正）标识码和时延差改正Tgd：第第7 7字码的第字码的第17172424比特表示载波比特表示载波L1L1、L2L2的电离层时延的电离层时延差改正差改正TgdTgd。当使用单频接收机时，用。当使用单频接收机时，用TgdTgd改正所观测改正所观测的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采的结果，以减小电离层效应影响提高定位精度；当采用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。用双频接收机时，就不必要采用这个时延差改正。第四章 GPS卫星信号12（2）星期序号）星期序号WN-GPS周周（3）星）星钟数据数据龄期期AODC（4）星）星钟改正参数：改正参数：a0，a1，a2，计算任意算任意时刻刻t的的钟改正数改正数4、第一数据块（内容）第一数据块（内容）a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率 toc为第一数据块的参考时刻，为第一数据块的参考时刻，tL是计算时钟参数所作测量的最后观测时间是计算时钟参数所作测量的最后观测时间 第四章 GPS卫星信号135、第二数据块第第2和第和第3子子帧共同共同构成第二数据构成第二数据块，它表示它表示GPS卫星的星的星星历。这些数据些数据为用用户提供了有关提供了有关计算算卫星运星运动位置的位置的信息，信息，这是是GPS定定位中最有用的位中最有用的电文。文。第四章 GPS卫星信号146、第三数据块第三数据第三数据块包括第包括第4和第和第5两个子两个子帧，其内容包括了所有，其内容包括了所有GPS卫星的星的历书数据。数据。第三数据第三数据块的作用：当接收机捕的作用：当接收机捕获到某到某颗GPS卫星后，根星后，根据第三数据据第三数据块提供的其他提供的其他卫星的概略星星的概略星历、时钟改正、改正、卫星工作状星工作状态等数据，用等数据，用户可以可以选择工作正常和位置适当的工作正常和位置适当的卫星，并且星，并且较快地捕快地捕获到所到所选择的的卫星。星。第三数据第三数据块的内容每的内容每12.5分分钟重复一次。重复一次。第四章 GPS卫星信号15GPS卫星广播星历预报参数及其定义 第四章 GPS卫星信号164.2 GPS卫星位置的计算根据根据卫星星电文所提供的文所提供的轨道参数按一定公式道参数按一定公式计算：算：计算思路：计算思路：（1 1）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标（2 2）然后将上述坐标分别绕）然后将上述坐标分别绕X X轴旋转轴旋转-i-i角、绕角、绕Z Z轴旋轴旋转转-k k角，求出卫星在地固系下的坐标。角，求出卫星在地固系下的坐标。轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道参数轨道参数第四章 GPS卫星信号17第四章 GPS卫星信号181 1、计算卫星运行的平均角速度、计算卫星运行的平均角速度(n)(n)第四章 GPS卫星信号192 2、计算归化时间、计算归化时间首先对观测时间首先对观测时间t t作卫星钟差改正：作卫星钟差改正：t=tt=t-t t然后将观测时刻然后将观测时刻t t归化到归化到GPSGPS时系时系参考时刻参考时刻GPSGPS时时间系统间系统 GPS卫星的时钟相对卫星的时钟相对GPS时间系统存在着差值，需加以改正，这便时间系统存在着差值，需加以改正，这便是卫星时钟改正。是卫星时钟改正。第四章 GPS卫星信号203、计算算t时刻刻卫星的平近点角星的平近点角4、计算偏近点角算偏近点角5、计算真近点角算真近点角电文中参考时刻的电文中参考时刻的平近点角平近点角第四章 GPS卫星信号216 6、计算升交距角、计算升交距角 7 7、计算摄动改正项、计算摄动改正项是卫星电文中的近地点是卫星电文中的近地点角距角距升交距角摄动量：升交距角摄动量：卫星矢径摄动量：卫星矢径摄动量：轨道倾角摄动量：轨道倾角摄动量：卫星与升交点的地心夹角，即真卫星与升交点的地心夹角，即真近点角与近地点角距之和。近点角与近地点角距之和。第四章 GPS卫星信号228 8、进行摄动改正、进行摄动改正升交距角：升交距角：卫星矢径：卫星矢径：轨道倾角：轨道倾角：9 9、计算卫星在轨道平面坐标系中的位置、计算卫星在轨道平面坐标系中的位置第四章 GPS卫星信号231010、计算观测时刻升交点经度、计算观测时刻升交点经度观测时刻的升交点经度观测时刻的升交点经度=升交点赤径与升交点赤径与格林尼治视恒星时格林尼治视恒星时GASTGAST之差之差第四章 GPS卫星信号241111、计算卫星在地固坐标系下的坐标、计算卫星在地固坐标系下的坐标1212、卫星在协议地球坐标系下的坐标、卫星在协议地球坐标系下的坐标其中其中 为地极瞬时坐标。为地极瞬时坐标。第四章 GPS卫星信号2525第四章 GPS卫星信号264.3 GPS卫星信号GPS卫星信号包括星信号包括测距距码信号信号(即即P码和和C/A码信信号号)、导航航电文文(或称或称D码，即数据，即数据码信号信号)和和载波信号。波信号。GPS卫星信号的星信号的产生、生、调制和解制和解调都非常复都非常复杂，涉及到，涉及到现代数字通代数字通讯理理论和技和技术方面的若干高科技方面的若干高科技问题。作。作为GPS信号用信号用户，虽然可以不去深入然可以不去深入钻研研这些些问题，但了解其基，但了解其基本知本知识和概念，将有助于理解和概念，将有助于理解GPS卫星星导航和定位航和定位测量的量的原理，因而原理，因而显得十分必要。得十分必要。第四章 GPS卫星信号27GPS卫星信号的内容GPSGPS载波信号载波信号L L1 1载波载波GPSGPS的测距码的测距码C/AC/A码码P P码码导航导航电文电文卫星的星历卫星的星历卫星工作状态卫星工作状态时间系统时间系统卫星钟运行状态卫星钟运行状态轨道摄动改正轨道摄动改正大气折射改正大气折射改正L L2 2载波载波GPSGPS卫卫星星信信号号第四章 GPS卫星信号28一、GPS卫星信号 第四章 GPS卫星信号291、GPS卫星的基准频率 f0由由卫星上的原子星上的原子钟直接直接产生生频率率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是星信号的所有成分均是该基准基准频率的倍率的倍频或分或分频第四章 GPS卫星信号302、GPS信号的组成载波（波（L1，L2两个民用两个民用频率）率）测距距码（C/A码和和P码（Y码）导航航电文（数据文（数据码，D码）第四章 GPS卫星信号313、信号调制的原因GPS卫星的星的测距距码信号和信号和导航航电文信号都属于低文信号都属于低频信号信号其中其中C/A码和码和P码的数码率分别为码的数码率分别为1.023Mbit/s与与10.23Mbit/s，D码码(导航电文，又称为数据码导航电文，又称为数据码)的数码率仅为的数码率仅为50bit/s。GPS卫星离地面远达卫星离地面远达20000km，其电能又非常紧张，其电能又非常紧张，因此很难将因此很难将上述数码率很低的信号传输到地面。上述数码率很低的信号传输到地面。解决解决这一一难题的的办法，就是另外法，就是另外发射一种高射一种高频信号，并将信号，并将低低频的的测距距码信号和信号和导航航电文信号加文信号加载到到这一高一高频信号上，信号上，构成一高构成一高频的已的已调波波发射射给地面。地面。第四章 GPS卫星信号32信号调制(补充)任何能量有限的信号都可以余弦波表示任何能量有限的信号都可以余弦波表示:用一个信号（调制信号）去控制另一个信号（载波信号）用一个信号（调制信号）去控制另一个信号（载波信号）的某个参量，产生已调制信号。的某个参量，产生已调制信号。幅度频率相位第四章 GPS卫星信号334、载波作用作用搭载其它调制信号搭载其它调制信号测距测距类型型目前目前L1频率：率：154 f0=1575.43MHz；波；波长：19.03cmL2频率：率：120 f0=1227.60MHz；波；波长：24.42cm现代化后现代化后增加增加L5频率：率：115 f0=1176.45MHz；波；波长：25.48cm第四章 GPS卫星信号344、载波特点特点所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响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）（电离层折射延迟于信号的频率有关）第四章 GPS卫星信号35二、GPS测距码1、码：表达信息的二表达信息的二进制数及其制数及其组合。合。码元码元一位二进制数叫一个码元。一位二进制数叫一个码元。编码编码用二进制数表示信息的过程。用二进制数表示信息的过程。信息量信息量某种事物有某种事物有2 2r r种类型，可用种类型，可用r r位二进制数表位二进制数表示，即含有示，即含有r r比特的信息量。比特的信息量。信息的传输速度信息的传输速度单位时间内传输的比特数。单位时间内传输的比特数。码元宽度码元宽度传输一个码元所用时间传输一个码元所用时间。第四章 GPS卫星信号362、随机噪声码定义：每一时刻，码元是定义：每一时刻，码元是0 0或是或是1 1完全是随机的一组码完全是随机的一组码序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随序列，这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列机噪声码序列。特性：特性：非周期性序列；自相关性好；无法复制非周期性序列；自相关性好；无法复制。应用：应用：随机噪声码序列却有良好的自相关性，随机噪声码序列却有良好的自相关性，GPSGPS码码信号测距就是利用了信号测距就是利用了GPSGPS测距码的良好的自相关性才测距码的良好的自相关性才获得成功。获得成功。第四章 GPS卫星信号37随机码自相关性自相关性是指两个自相关性是指两个结构相同的构相同的码序列的相关程度，它由序列的相关程度，它由自相关函数描述。自相关函数描述。自相关函数自相关函数将将U（t）平移）平移k个个码元，平移后与平移前元，平移后与平移前两序列相同两序列相同码元个数元个数A，相异个数，相异个数D，用，用R（t）表示自相表示自相关系数关系数。R（t）=（A-D）/（A+D）自相关性好自相关性好原原码与复制与复制码对齐R（t）=1，不，不对齐0。例子：自相关系数：例子：自相关系数：11101001110100 11101001110100R（t）=(6-6)/12=0。第四章 GPS卫星信号38当平移的当平移的码元个数元个数 k=0时，两个，两个结构相同的构相同的码序列其相序列其相应码元完全相同，元完全相同，这时 D=0，而自相关函数而自相关函数 R(t)=1；当当 k 0时，且假定，且假定码序列序列中的中的码元元总数充分大，那么由数充分大，那么由于于码序列的随机性，有序列的随机性，有 A D，自相关函数，自相关函数R(t)0。由此，根据自相关函数由此，根据自相关函数 R(t)的取的取值，即可确定两个随机噪，即可确定两个随机噪声声码序列是否已序列是否已经相关相关，或者通俗地，或者通俗地讲，两个，两个码序列的序列的相相应码元是否已完全元是否已完全对齐。第四章 GPS卫星信号393 伪随机噪声码(Pseudo Random Noise-PRN )虽然随机然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的期性的码序列，没有确定的序列，没有确定的编码规则，所以，所以实际上无法复上无法复制和利用。制和利用。GPS采用了一种采用了一种伪随机噪声随机噪声码(PseudoRandomNoise-PRN)，简称称伪随机随机码或或伪码。这种种码序列的主要特点是，不序列的主要特点是，不仅具有具有类似随机似随机码的良好自的良好自相关特性，而且具有某种确定的相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的、。它是周期性的、可人工复制的可人工复制的码序列。序列。第四章 GPS卫星信号403、伪随机噪声码伪随机噪声随机噪声码表面上看无表面上看无规律，律，实际上有一定的上有一定的规律律和周和周期性，且可以复制。期性，且可以复制。伪随机噪声随机噪声码由多由多级反反馈移位寄存器移位寄存器产生。生。这种移位寄存器由一种移位寄存器由一组连接在一起的存接在一起的存储单元元组成，每个成，每个存存储单元只有元只有“0”或或“1”两种状两种状态，并，并接受接受钟脉冲和置脉冲和置“1”脉冲的脉冲的驱动和控制。和控制。如：如：1111000100110101111000100110101a an-1n-12a an-2n-2ra an-rn-r时钟脉冲信号第四章 GPS卫星信号41码序列的示意图码序列的示意图第四章 GPS卫星信号42GPS信号使用随机噪声码当当r足足够大大时，就有，就有R(t)0。所以。所以伪随机噪声随机噪声码与随机噪与随机噪声声码一一样，具有良好的自相关性，又是一种，具有良好的自相关性，又是一种结构确定，可构确定，可以复制的周期性序列。以复制的周期性序列。用用户接收机可方便地复制接收机可方便地复制卫星所星所发射的射的伪随机噪声随机噪声码信号，信号，并通并通过和接收到的和接收到的码信号比信号比较(相关相关)，精确，精确测定信号的定信号的传播播时延，延，进一步一步计算出某一算出某一时刻刻测站和站和卫星星间的距离。的距离。第四章 GPS卫星信号43卫星测距原理卫星发射一个随机序列卫星发射一个随机序列U(t)U(t)GPSGPS接收机复制随机序列接收机复制随机序列U U(t)(t)由于信号传播时间延迟由于信号传播时间延迟R(t)0;序列产生了平移序列产生了平移调整时间延迟调整时间延迟U(t)与与U(t)完全相同，完全相同，R(t)1测出卫星信号到达用户测出卫星信号到达用户传播时间传播时间确定卫星至观测站的距离确定卫星至观测站的距离第四章 GPS卫星信号444、测距码伪随机噪声随机噪声码两种两种测距距码：C/A码码-粗码粗码 码速：码速：1.023MHz 码元长度：码元长度：293mP(Y)码码-精码精码 码速：码速：10.23MHz 码元长度：码元长度：29.3m第四章 GPS卫星信号45（1）C/A码 两个两个10级移位寄存器移位寄存器产生两个生两个伪随机随机码G1、G2。特性：特性：码长码长NuNu=2-1=1023=2-1=1023比特比特码元宽码元宽t tu u=1/f10.977752=1/f10.977752s(相应距离相应距离 为为293.1m)293.1m)周期周期Tu=NTu=Nu ut tu u=1=1msms数码率数码率=1.023Mb/s1.023Mb/s10第四章 GPS卫星信号46C/A码特性C/A码的的码长很短，易于捕很短，易于捕获。在。在GPS导航和定位中，航和定位中，为了捕了捕获C/A码以以测定定卫星信号星信号传播的播的时延，通常需要延，通常需要对C/A码逐个逐个进行搜索。因行搜索。因为C/A码总共只有共只有1023个个码元，所以若以元，所以若以每秒每秒50码元的速度搜索，只需要元的速度搜索，只需要约20.5s便便可完成。可完成。由于由于CA码易于捕易于捕获，而且通，而且通过捕捕获的的C/A码所提供的所提供的信信息，又可以方便地捕息，又可以方便地捕获P码，所以通常，所以通常CA码也称也称为捕捕获码。C/A码的的码元元宽度度较大。相大。相应的的测距距误差可达差可达29.32.9m。由于其精度。由于其精度较低，所以低，所以C/A码也称也称为粗粗码。第四章 GPS卫星信号47由于每由于每颗卫星的星的C/A码都不一都不一样，因此，我，因此，我们经常用它常用它们的的PRN号来区分它号来区分它们。C/A码是普通用是普通用户用以用以测定定测站到站到卫星星间的距离的一种主要的信的距离的一种主要的信号。号。第四章 GPS卫星信号48P码由两由两组各由两个各由两个12级反反馈移位寄存器的移位寄存器的电路路发生，生，其基本原理与其基本原理与C/A码相似，但其相似，但其线路路设计细节远比比C/A码复复杂并且并且严格保密。每个移位寄格保密。每个移位寄存器存器产生的生的伪随机随机码的的码长为：212-1=4095bit，特征特征a.钟频：钟频：10.23MHz；b.码元宽度：码元宽度：0.097752s（相应长度（相应长度29.3m）。c.码元数码元数N（码长）：（码长）：2.351014bitd.周期周期T：0.097752s2.351014=267天天e.被调制在被调制在L1和和L2上。上。（2）P码第四章 GPS卫星信号49P码特性P码一一个个整整周周期期被被分分为38部部分分，其其中中1部部分分闲置置，5部部分分给地面地面监控站使用，控站使用，32部分分配部分分配给不同的不同的卫星。星。每每颗卫星星所所使使用用的的P码不不同同部部分分，便便都都具具有有相相同同的的码长和和周期，但周期，但结构不同。构不同。P码的的码长较长，无无法法采采用用C/A码逐逐个个进行行搜搜索索。一一般般都都是是先先捕捕获C/A码，然然后后根根据据导航航电文文中中给出出的的有有关关信信息息，捕捕获P码。P码的的码元元宽度度为C/A码的的1/10，若若取取码元元的的对齐精精度度仍仍为码元元宽度度的的1/101/100，则由由此此引引起起的的相相应距距离离误差差为0.29m，仅为C/A码的的1/10。所所以以P码定定位位精精度度高高，故故也也称称为精精码。第四章 GPS卫星信号504.4GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理一、接收机一、接收机测距的基本原理距的基本原理（1）接收机接收）接收机接收卫星星发射的射的测距距码并并产生相同的复制生相同的复制码；（2）接收）接收码比复制比复制码滞后一段滞后一段时间；（3）时延器将复制延器将复制码延后（向后移位），直到与接收延后（向后移位），直到与接收码对齐为止，止，记录延后延后时间，即，即为电磁波在星站磁波在星站间传播所用播所用时间。复制复制码接收接收码第四章 GPS卫星信号511、数据接收第四章 GPS卫星信号522、GPS接收机工作原理GPSGPS接收机工作流程接收机工作流程（1 1）对天线接收到的信号进行捕获；）对天线接收到的信号进行捕获；（2 2）跟踪卫星信号以保证连续测距；）跟踪卫星信号以保证连续测距；（3 3）解调导航电文，进行定位解算。）解调导航电文，进行定位解算。GPSGPS导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定与导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定与测距、电文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是测距、电文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是由接收机内的微处理器（由接收机内的微处理器（CPUCPU）和部分存储器及相关软）和部分存储器及相关软件来完成的。件来完成的。第四章 GPS卫星信号532、GPS接收机工作原理GPS接收机基本功能结构图第四章 GPS卫星信号54二、二、GPS接收机的分类接收机的分类1、按接收机的用途分、按接收机的用途分类可分可分为导航型接收机航型接收机车载型车载型用于车辆导航定位；用于车辆导航定位；航海型航海型用于船舶导航定位；用于船舶导航定位；航空型航空型用于飞机导航定位。用于飞机导航定位。星载型星载型用于卫星的导航定位用于卫星的导航定位。测地型接收机地型接收机授授时型接收机型接收机第四章 GPS卫星信号55(1)导航型接收机航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低一般为25m,有SA影响时为100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。4.4.1 GPS4.4.1 GPS接收机的分类接收机的分类第四章 GPS卫星信号56(2)测地型接收机地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。(3)授授时型接收机型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。第四章 GPS卫星信号572、按接收机的载波频率分类(1)(1)单频接收机单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。(2)(2)双频接收机双频接收机 双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。单频接收机双频接收机第四章 GPS卫星信号583、按接收机通道数分类 GPSGPS接收机能同接收机能同时接收多接收多颗GPSGPS卫星的信号，星的信号，为了分离了分离接收到的不同接收到的不同卫星的信号，以星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、星信号的跟踪、处理和量理和量测，具有，具有这样功能的器件称功能的器件称为天天线信号通道。根据信号通道。根据接收机所具有的通道种接收机所具有的通道种类可分可分为：(1)多通道接收机 (2)序贯通道接收机(3)多路复用通道接收机第四章 GPS卫星信号594、按接收机工作原理分类码相关型接收机；相关型接收机；码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。平方型接收机；平方型接收机；利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。混合型接收机；混合型接收机；综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值；第四章 GPS卫星信号60三、三、GPS信号接收机组成信号接收机组成天线单元带前置放大器带前置放大器接收天线接收天线接收单元信号通道信号通道存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源源天线单元天线单元接收单元接收单元第四章 GPS卫星信号61本章结构GPSGPS卫星信号卫星信号载波载波测距码测距码导航电文导航电文GPSGPS接收机接收机接收接收类型类型组成组成计算卫星位置计算卫星位置基本原理基本原理第四章 GPS卫星信号624.5GPS数据通讯与数据格式数据通讯与数据格式NMEA协议是是为了在不同的了在不同的GPS（全球定位系（全球定位系统）导航航设备中建立中建立统一的一的BTCM（海事无（海事无线电技技术委委员会）会）标准，准，由美国国家海洋由美国国家海洋电子子协会（会（NMEA-TheNationalMarineElectronicsAssociation）制定的一套通）制定的一套通讯协议。GPS接收接收机根据机根据NMEA-0183协议的的标准准规范，将位置、速度等信范，将位置、速度等信息通息通过串口串口传送到送到PC机、机、PDA等等设备。输出采用出采用ASCII码，其串行通信的参数，其串行通信的参数为：波特率：波特率4800bps，数据位，数据位8bit，开始位，开始位=1bit，停止位，停止位1bit，无，无奇偶校奇偶校验。GPS 通讯协议 NMEA介绍第四章 GPS卫星信号63NMEA-0183协议是是GPS接收机接收机应当遵守的当遵守的标准准协议，也是，也是目前目前GPS接收机上使用最广泛的接收机上使用最广泛的协议，大多数常，大多数常见的的GPS接收机、接收机、GPS数据数据处理理软件、件、导航航软件都遵守或者至少兼件都遵守或者至少兼容容这个个协议。NMEA-0183协议定定义的的语句非常多，但是常用的或者句非常多，但是常用的或者说兼兼容性最广的容性最广的语句只有句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。下面等。下面给出出这些常用些常用NMEA-0183语句的字段定句的字段定义解解释。第四章 GPS卫星信号64第四章 GPS卫星信号65$GPGGA例：$GPGGA,092204.999,4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,0000*1F字段0：$GPGGA，语句ID，表明该语句为Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息定位信息字段1：UTC 时间，hhmmss.sss，时分秒格式 字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段3：纬度N（北纬）或S（南纬）字段4：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段5：经度E（东经）或W（西经）字段6：GPS状态，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，3=无效PPS，6=正在估算 字段7：正在使用的卫星数量（00-12）（前导位数不足则补0）字段8：HDOP水平精度因子（0.5-99.9）字段9：海拔高度（-9999.9-99999.9）字段10：地球椭球面相对大地水准面的高度 字段11：差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）字段12：差分站ID号0000-1023（前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空）字段13：校验值第四章 GPS卫星信号66$GPGSV例：$GPGSV,3,1,10,20,78,331,45,01,59,235,47,22,41,069,13,32,252,45*70字段0：$GPGSV，语句ID，表明该语句为GPS Satellites in View（GSV）可可见卫星信息星信息字段1：本次GSV语句的总数目（1-3）字段2：本条GSV语句是本次GSV语句的第几条（1-3）字段3：当前可见卫星总数（00-12）（前导位数不足则补0）字段4：PRN 码（伪随机噪声码）（01-32）（前导位数不足则补0）字段5：卫星仰角（00-90）度（前导位数不足则补0）字段6：卫星方位角（00-359）度（前导位数不足则补0）字段7：信噪比（0099）dbHz字段8：PRN 码（伪随机噪声码）（01-32）（前导位数不足则补0）字段9：卫星仰角（00-90）度（前导位数不足则补0）字段10：卫星方位角（00-359）度（前导位数不足则补0）字段11：信噪比（0099）dbHz字段12：PRN 码（伪随机噪声码）（01-32）（前导位数不足则补0）字段13：卫星仰角（00-90）度（前导位数不足则补0）字段14：卫星方位角（00-359）度（前导位数不足则补0）字段15：信噪比（0099）dbHz字段16：校验值第四章 GPS卫星信号67对于通常的情况，我于通常的情况，我们所关心的定位数据如所关心的定位数据如经纬度、速度、度、速度、时间等均可以从等均可以从“$GPRMC”帧中中获取取得到。接收机不断地向主机得到。接收机不断地向主机发送各种数据送各种数据帧，但，但在在处理理时一般先通一般先通过对帧头的判断的判断对“$GPRMC”帧进行数据的提取行数据的提取处理。理。该帧的的结构及各字段构及各字段释义如下：如下：第四章 GPS卫星信号68$GPRMC：Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐定位信息推荐定位信息$GPRMC,*hh UTC时间，hhmmss（时分秒）格式 定位状态，A=有效定位，V=无效定位 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前导位数不足则补0）纬度半球N（北半球）或S（南半球）经度dddmm.mmmm（度分）格式（前导位数不足则补0）经度半球E（东经）或W（西经）地面速率（000.0999.9节，前面的0也将被传输）地面航向（000.0359.9度，以真北为参考基准，前导位数不足则补0）UTC日期，ddmmyy（日月年）格式 磁偏角（000.0180.0度，前导位数不足则补0）磁偏角方向，E（东）或W（西）模式指示（仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）第四章 GPS卫星信号69NMEA的用途 可以通可以通过数据数据线（串口或（串口或USB口）口）输出出标准的准的NMEA格式格式数据数据给另一端的另一端的PC或或PDA；在；在PC或或PDA（放在附（放在附驾驶位位置或使用置或使用专用用车载支架）上运行兼容支架）上运行兼容NMEA协议的的导航航软件（灵件（灵图之之类的），由此就可以的），由此就可以实现自自动路由、路由、语音音导航。航。这时，手持机只做，手持机只做为GPS信号的接收器，数据由信号的接收器，数据由PC或或PDA上运行的上运行的软件件处理。理。这种用法弥种用法弥补了手持机在自了手持机在自动路路由、由、语音音导航方面的不足。航方面的不足。第四章 GPS卫星信号70第四章 GPS卫星信号71RINEX数据格式 目前，目前，RINEXRINEX格式已成为各厂商、学校、研究单位在编格式已成为各厂商、学校、研究单位在编制软件时采用的标准输入格式。制软件时采用的标准输入格式。RINEXRINEX格式是纯格式是纯ASCIIASCII码文码文本文件，共包含本文件，共包含4 4个文件：个文件：（1 1）观测数据文件：）观测数据文件：ssssdddf.yyossssdddf.yyo （2 2）导航文件：）导航文件：ssssdddf.yynssssdddf.yyn （3 3）气象数据文件：）气象数据文件：ssssdddf.yymssssdddf.yym （4 4）GLONASSGLONASS数据文件：数据文件：ssssdddf.yygssssdddf.yyg 其中：其中：ssss4ssss4个字母的测站名；个字母的测站名；dddddd第一组数据的年积日；第一组数据的年积日；ff当天的观测期序；当天的观测期序；yyyy年。年。第四章 GPS卫星信号72由于由于GPS接收机接收机类型多种多型多种多样,GPS原始数据的数据原始数据的数据处理理是非常繁重而复是非常繁重而复杂的。的。RINEX是英文是英文“ReceiverIndependentExchangeFormat”(接收机通用数据交接收机通用数据交换格式格式)的的缩写形式。写形式。为使使GPS数据数据处理理软件通用化件通用化,同同时验证所所用算法的可行性用算法的可行性,GPS数据需要首先数据需要首先转换为RINEX标准格准格式式,然后再然后再设计与与编制所需制所需软件。在件。在这种方式下种方式下,一种一种软件件能能处理多种理多种类型的型的GPS接收机所采集的数据。接收机所采集的数据。由于气象数据文件在由于气象数据文件在绝大多数大多数场合下并不通用，而合下并不通用，而GLONASS导航信息与航信息与GPS信息在内容上有很大不同，并信息在内容上有很大不同，并且只能由且只能由GPS/GLONASS接收机接收机获得，因此得，因此这里主要里主要讨论观测数据文件和数据文件和导航数据文件。航数据文件。第四章 GPS卫星信号73RENIX 2.0 标准格式的预报星历文件第四章 G