GPS信号格式和导航电文.ppt

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1、卫星导航原理及应用技术,北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室,秦 红 磊,电话：01082316491 Email:,GPS信号结构与导航电文 5.1 GPS信号结构 5.2 GPS卫星的导航电文,GPS卫星信号示意图,5.2 GPS信号结构,GPS信号,GPS的所有信号分量都是基于同一个频率产生的： 两种载波，即： GPS卫星信号的两种信号分量：测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的，且调制码的幅值只取0或1。,自相关特性,复制信号 接收机产生与卫星相同的信号。 伪距测量基本原理 利用一伪码延时锁相环路，使本地复制的跟踪伪码和接收到的伪码在码元上对齐，也即是在时间上对准，再将跟踪

2、伪码与本地的基准伪码进行比对，得到时间差。假如驱动本地伪码的用户GPS接收机时钟（简称站钟）和卫星中产生伪码的时钟（简称星钟）完全同步，则测得的时差即为电波自卫星到用户的传播延时，相应于获得卫星与用户之间的真实距离。若星钟与站钟不同步，则测得的距离中含有时间误差导致的不精确成分，此时的距离称为伪距。,GPS信号,粗测距码（C/A码） 伪噪声码的长度周期:1023bit 码元宽度：约为293.1m 伪噪声码的重复周期：1ms 时钟脉冲速率：1.023Mbit/s,精码（P码） 伪噪声码的长度周期:6.187bit bit 码元宽度：约为29.3m 伪噪声码的重复周期：7d 时钟脉冲速率：10.2

3、3Mbit/s 可以加密 反欺骗技术（A/S）,GPS信号,导航电文 1500bit播发速率50bit/s 数据 广播星历（S/A） 卫星时钟校正（S/A） 历书数据 电离层校正数据 卫星健康状况,GPS信号,选择可用性技术（S/A） 人为地引入干涉信号，显著地降低非特许用户用GPS信号作实时导航定位测量时的精度。SA技术包括对GPS卫星基准频率所采用的技术，对卫星导航电文所采用的技术，对P码所采用的译密技术。 技术是将卫星的基准频率（10.23MHz）施加高频 抖动噪声信号。该信号使由基准频率派生出来的所有 信号都会出现高频抖动，从而造成测距误差和测速误 差。 技术是将卫星发送的GPS卫星轨

4、道参数人为地施加 一个慢变偏移，使广播星历精度由原来的15m左右降到 75m以上；达到降低用户定位精度的目的。,GPS信号,反欺骗技术（A/S） 它是将更加保密的W码与P码模二相加形成Y 码。使得非特许用户无法接收 载波上的P码。 更不能利用P码实行定位，也不能用P码和C/A码 的相位观测量进行联合测算。,伪距测量,如何将传送的信号进行编码 PRN码产生器 异或二进制函数 线性反馈寄存器 C/A码 P码 如何形成伪距测距 离散自相关技术,在 载波上,调制有C/A码、P码（或Y码）的数据码， 完整的信号结构为： 在 载波上，只用P码进行双相调制，其信号结构为：,最远的距离25785103，发射功

5、率为(14.3dBW14.7dBW)，则接收机接收到的功率为-157.8dBW，如果考虑大气损耗，接收机接收到的信号最小为160dBW 一般条件下，GPS信号到达地面的强度大约为-130dBm/2MHz，室温下的热噪声大约为-111dBm/2MHz，因此，信噪比S/N为-19dB。另外一个表示信噪比的方法是载噪比C/N0(Carrier to Noise)，其参考带宽为1Hz。室温下的热噪声为-174dBm/Hz，C/N044dB(-130+174)。在这个强度下，信号很容易被处理。,GPS卫星天线增益,GPS接收机接收功率,表 L1和L2导航卫星信号的功率预算 下表列出了对于BLOCKGPS

6、卫星来说导航信号功率预算标，此表来自Townsend,B-277-283。,GPS测距法,载波 f=1.5GHz =20cm 2mm 码元时间 t1s =300m 3m PRN码 t=1ms =300km 3km 数据位 t=20ms =6E3km 60km 遥测字（TLM） t=6s =2E6km 20 000km,GPS码发生器示意图,C/A码是用于跟踪、锁定和测量的伪随机码。它的码率是1.023MHz，周期为1ms，因而在一个周期中有1023个码位。它是由m序列优选对组合码形成的Gold码（G码）。 在上图中, 和 分别为两个10级线性移位反馈寄存器。两个移位寄存器于每星期日子夜零时，在

7、置“1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为 周期为1ms的两个m序列 和 。,C/A码,时间基准源产生的10.23MHz脉冲与1.5s周期的脉冲相互同步，以保证帧、子帧、C/A码、P码相互同步。其中 序列经过相位选择器，输入一个与平移等价的m序列，然后 与 模2和相加，便得到C/A码。,C/A码发生器,P码,P码的码率为10.23Mb/s，周期约为267天。它是用4个12位的移位寄存器的伪随机序列产生，这四个寄存器分别为 、 、 （图中简画为 ）。两级12位移位寄存器构成一个伪随机码 ，两个移位寄存器形成周期为1.5s的m序列 。一周期的码位

8、数为:,另两级12位移位寄存器构成伪随机码 ，两个移位寄存器形成两个m序列。码率与 相同，但码位比 多37个码元，即码长为： 因此P码为： 其相应的码元数为： 相应的周期为：,在 中，可取0，1，2，36。这样可得到37种P码。在实际应用中，P码采用7天的周期，即规定在每星期六午夜零点置全“1”状态作为起始点，然后从中截取一段周期为7天的码，作为P码。一共取得37个P码。32个供GPS卫星使用，5个供地面监测站使用。这样保证GPS正常工作的唯一性。 因为P码的码长过长，所以，如果仍采用搜索C/A码的办法，来捕获P码，即逐个个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，那将是无法实现的（约

9、需 天）。因此，一般先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，捕获P码。所以在不知道P码结构的情况下，是无法捕获P码。,P码发生器,5.3 GPS卫星的导航电文 导航电文简介,导航电文包括计算卫星位置的有关数据（卫星星历）、系统时间、卫星钟参数、C/A码到P码的转换字及卫星工作状态。卫星向用户提供，用户将其应用于导航解算。这些数据是以二进制码的形式发送给用户的，故卫星电文又称为数据码，或称之为D码。,电文的基本单位是长达1500bit的一个主帧，广播速率为50bit/s。每一主帧又分为五个子帧，每个子帧长度为6s，第1，2，3子帧各有10个字码，每个字码为30bit，第4，5子帧各有2

10、5个页面，共有37500bit，长达12.5min（如图1所示）。它们不像第1，2，3子帧那样，每30s重复一次，而需要长达750s才能够传送完毕第4，5子帧的全部信息量，亦即，第4，5子帧是12.5min才重复一次。这表明，一台GPS信号接收机获取一帧完整的卫星导航电文，需要750s。,GPS卫星电文的基本内容,标识码（如GPS星期序号等）、星钟数据龄期（AODC）、卫星时钟改正数等,GPS卫星星历（轨道参数等）,第2532颗GPS卫星的历书、UTC和电离层改正参数、第2532颗GPS卫星的健康状况,第124颗GPS卫星的历书和健康状况,GPS导航电文的信息类别和形式,遥测字（TLM）,每一

11、个子帧的第一个字码都是遥测字，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解释电文数据。具体码位如下：第18bit为前导码（10001011）；第922bit为遥测电文，包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息，以此指示用户是否选用该卫星；第23、24bit无意义；第2530bit为奇偶校验码（如下图所示）。,转换字（HOW）,每一个子帧的第二个字码是转换字，它的主要作用是在测距时向用户提供P码的子码自一星期开始的周期计数Z，以便于任一6s子帧结束时自C/A码转至P码捕获。第117bit表示Z计数，它实质上是子帧计数，记录子帧数目；第18bi

12、t是警示标记；第19bit是反欺骗标志（AS）；第18，19位为00；第2022bit是子帧识别标记；第23、24bit无意义（00）；第2530bit为奇偶校验码。,第一数据块,第一子帧的第3-10个字码为第一数据块。它的主要内容是：载波的调制波类型、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期、卫星时钟改正参数等。,字码3:周数WN（1-10bit）：为Z计数的前十位，记录周数，从周 期开始的1980年1月6日零点开始计数。 用户测距精度URA（13-16bit）：该颗卫星提供给未被授权用户 的测距精度（m）。这是为非特许用户设置的。 卫星的健康标记 (17-22bit)：如果17位“=0”，表示所

13、有的卫星数据都是好的。如果17位“=1”，表示一些或者全部卫星数据都不健康；其它5位（18-22bit）是信号组成部分的健康标志位。其意义如下表所示：,IODC的2MSBs（23-24）：与字码8的前八位一起来表示时钟数据龄期。GPS试验卫星的IODC只占8bit，而GPS工作卫星却扩展到了10bit。IODC是时钟改正数的外推时间间隔，它向用户指明了对卫星时钟改正数的置信度。且知： 式中， 计算时钟参数所作测量的最后观测时间； 第一数据块的参考时刻。 字码4: P码数据标志位（1bit）。,字码7：电离层延迟改正参数 （1724bit）； 字码8：时钟校正的基准时刻 （924bit），单位为

14、秒； 字码9：频率误差变化率的多项式校准系数 （18bit）； 频率误差的多项式校准系数 （924bit）； 字码10：相位误差的多项式校准系数 （122bit）。,卫星时钟校正是将每颗卫星上的时钟修正为统一的GPS时。GPS是以时间差测量为基础的，其测量精度与卫星时钟的精度密切相关。卫星钟和接收机钟间的相对误差乘上光速就等于测距误差，因此在GPS测量中必须十分小心地消除各种时钟误差。 卫星时钟按照美国海军天文台（USNO）所维持的UTC由主控站进行遥控调整的（卫星钟的物理调整），可保证卫星钟与GPS时之间的误差（物理同步误差）在1ms之内。显然卫星钟的物理同步精度不能满足导航和定位的精度要求

15、，所以，对卫星钟还需用卫星钟参数进行改正（卫星钟的数学调整）。,卫星时钟校正：,由电文子帧1中得到了在发射数据间隔中表征钟差系数，以此求出卫星伪随机码相位参考于卫星天线相位中心的偏差与发射时刻的GPS系统时的关系，解算用户位置所需要的GPS时间（SV时钟时间） 式中， 为电文发射时刻的卫星伪随机码相位时间,可以很容易地由GPS接收机确定； 为卫星伪随机码相位时间偏移。,卫星伪随机码相位时间偏移确定： 是数据块1的参考时间，从全球定位系统时间,每星期历元开始度量，单位秒。GPS系统每星期历元是指格林尼治平太阳时星期六到星期日早上之间的子夜（0点0分0秒）。可见，数学调整必须配合物理调整才能保证卫

16、星时钟与GPS标准时间之间保持较高的同步精度。,卫星相对论效应改正,其中，（离心率）、（卫星轨道长半轴）、 （偏近点角）都是卫星轨道参数。,第二数据块包括第二和第三子帧，它载有卫星的星历，提供375位修正的开普勒模型信息，用这些数据能估计出发射卫星的位置。 以下是子帧2和3的介绍。,第二数据块,子帧2的介绍：,字码3：星历的数据龄期IODE（18bit）：为广播星历的外推时间 间隔。数据龄期IODE是子帧2和子帧3都要给出的一个信息，它们 与子帧1中IODC项的8个最低有效位LSB进行比较。应当指出，子 帧2和子帧3中的两个IODE必须相互符合，并且应与子帧1给出的 IODC（低八位）相一致。

17、,字码3、字码4、字码5分别给出了轨道半径正弦调和改正项振幅 ；平近地点角速度的修正项 ；平近点角 。,字码6：升交点距的余弦摄动改正项之振幅 (116bit)； 字码7：卫星轨道离心率 字码6（1724bit）和字码7（124bit）,字码8：升交点距的正弦摄动改正项之振幅 （116bit)）； 字码9：轨道长半轴的平方根 字码8（17-24bit）和字码9（1-24bit）； 字码10：GPS卫星星历基准时间 （1-16bit）； 拟合区间标志位17bit：它表明GPS主控是 否采用了4小时或6小时的最小二乘拟合。,子帧3的介绍：,字码3：轨道倾角的余弦摄动改正项之振幅 （116bit）

18、字码4：升交点赤经 字码5：轨道倾角的正弦摄动改正项之振幅 （116bit） 轨道的倾角 的8位MSBs（1724bit）。,字码6：轨道的倾角 的24位LSBs（124bit） 字码7：轨道半轴的余弦摄动改正项之振幅 （116bit） 字码8： 近地点角距 字码7（1724bit）和字码8（116bit） 字码9： 升交点赤经变化率 （124bit） 字码10：星历的数据龄期IODE（18bit）； 轨道的倾角的变化率IDOT（Rate of Inclination Angle）（922bit）,第三数据块,第四和第五子帧共同构成第三数据块，为用户提供其他卫星的概略星历、时钟改正和卫星工作状

19、态等信息。子帧4还含有电离层模型和GPS时钟校正信息。历书数据使用户能选取一组配置最好的卫星，或者直接判定哪些卫星在视野内。用户利用码分址较快地捕获其他卫星信号及选择最合适的卫星。,历书数据所提供的是一组截短的、精度较低的星历参数组。它不仅提供多达32颗卫星的近似星历信息，而且还给出每颗卫星的健康状态数据。对于无效卫星或卫星数据无效的情况，该子帧会交替地发送无意义的“0”和“1”，以帮助完成同步。 与子帧2和子帧3中的详细星历数据相比，历书数据的精度要低得多。然而，历书数据的有效期较长，不必频繁更新。自发射时刻起，1的大致历书精度与时间的函数关系变化如下表：,历书和星历的区别：他们虽都是表示卫

20、星运行轨道的参数。但是前者包括全部卫星的概略位置，用于卫星预报；后者只包括当前观测到的卫星的精确位置，用于定位。历书是从导航电文中提取的。收集完12.5分钟的导航电文才获得一组完整的历书。,子帧四、五内容的简介：,子帧4的介绍：,第1，6，11，16和21页：保留； 第2，3，4，5，7，8，9和10页：分别是SV25到32的历书数据。这些页还可能有其他用处；每一页的格式和内容由此页的SV ID决定。在这种情况下，第25页的6位健康字全设置成1那么此页的从25到32的SV ID将不会有值。 第12，19，20，22，23和24页：保留； 第13页：NMCT（导航电文校正表）； 第14和15页：

21、保留为系统使用； 第17页：特殊电文； 第18页：电离层和UTC数据； 第25页：SV 32颗星配置的A-S特征符，还有SV25到32的健康字。,第四子帧的第1，6，11，16及21页,字码3：数据识别（1-2bit）：定义卫星的数据结构。它提供两种意义： （1）对于那些指定包含一个特定卫星历书的页，数据识别码定义了此颗卫星（此卫星的历书包含在该页中）利用的数据结构， （2）对于其他的页，数据识别码定义了发射卫星的数据结构。数据ID“1”（二进制00）在GPS计划的第一阶段使用，现在已经不再使用。,卫星标识字SV ID（3-8bit）： 虽然子帧4，5的每一页都保留 有特定的ID号，但是第4子

22、帧2，3，4，5，7，8，9和10页中的每 一页的SV ID都可能发生变化当那页的内容发生变化。SV ID有两种 用途：（1）对于包含指定卫星历书的那些页的SV ID，是与用户跟 踪的那颗卫星的伪随机码（PRN码）编号保持一致。规定了各个卫 星的PRN码，它用于识别卫星。（2）对于其它页的SV ID用作“页 码ID”：数字（1-32）用来表示那些包含具体卫星的电文页（子 帧4的2，3，4，5，7，8，9，10以及子帧5的1-24），33-50保 留，51-63表示其它页，0用来表示虚假的卫星。包含相同数据的 页用相同的SV 页码ID表示, 例如：子帧4的1，6，11，16，21页用 57表示，

23、第12，24页用62表示。当SVID全为“0”时表示一个无用的 卫星。,第四子帧的第12，19，20，22及23页,第四子帧的第13页,字码3：有效性指示器（910），说明见下表：,第四子帧的第14，15，及17*页,子帧4的第14，15页被保留； 第17页为特殊信息所保留，它容纳22个 8bit的ASC字符。这176bit占用字码3的 924位，以及字码49的124位，字码10的 116位。它由地面控制部分产生，用于向用 户发播字母、数字信息。如下表所示：,第四子帧的第18页,该页发送电离层改正参数，字码3、字码4、字码5给出电离层改正参数，主要用来计算单频接收机的电离层的延迟。当CS可以上

24、载数据到SV上时，CS至少每六天更新一次电离层改正参数，若CS不能上载数据时，SV发送的电离层改正参数将不再精确。字码6、字码7、字码8、字码9、字码10给出了UTC参数，当CS可以上载数据到SV上时，CS至少每六天更新一次UTC参数，若CS不能上载数据时，SV发送的UTC参数的精度随着时间递减。,第四子帧的第25页,字码3的（924bit）、字码4、字码5、字码6、字 码7的（124bit）、字码8的（116bit）：AS特 征符：标识第一第三十二颗卫星AS特征。 字码8的（1924bit）、字码9的（124 bit）、字 码10的（118bit）分别标示 第2532颗卫星的健 康状况。,子

25、帧5的介绍：,124页包括124颗卫星的历书数据； 第25页包含卫星124颗的健康字，历书参 考时间，还有历书参考星期数。,子帧5（1-24页）和子帧4（2，3，4，5，7，8，9，10页）,字码3：卫星轨道偏心率 （924bit） 字码4：子帧5历书数据校准参数 （18bit） 轨道倾角修正量 （924bit） 字码5：升交点赤径变化率 （116bit） 字码6：轨道长半轴的平方根 （124bit） 字码7：升交点赤径 （124bit） 字码8：近地点角距 （124bit） 字码9：基准时间的平近点角 （124bit） 字码10：相位误差 （18bit和2022bit） 频率误差 （919b

26、it）,第五子帧第25页,字码3：历书参考时间 （916bit） 历书参考星期 （1724bit） 字码(49):用6 bit的数据表示124颗卫星的健康状况。 在子帧4和子帧5中，给出了两类卫星健康状况数据：（1）在含有 历书有关卫星钟和星历数据参数的32个页面（子帧5（124页）和 子帧4（2，3，4，5，7，8，9，10页）中，每一页都有8位表明 有关该颗标定卫星的“健康”状况；（2）子帧4的第25页和子帧5的 第25页为32颗卫星的每一颗设置了6位“健康”状况字组成的卫星状 况简报。8位状态字的前三个最高有效位MSB该颗卫星导航电文的 健康状况如表下1，e.g.显示HOW中的Z-计数是

27、否正常。8位状态字 的后5位LSB加上第二类的6位“健康”状况字一起给出了卫星信号成 分的健康状况如下表2。,表1.卫星数据健康,表2.卫星信号的组成健康状况表,关于子帧4，5的算法： UTC时间的换算：,GPS时是以原子标准时为依据的。由GPS卫星广播的时间是连续的，没有UTC的跳秒，因而GPS时与UTC之间会保留一个差值。由于跳秒的介入可能会使P码接收机在那个时候无法锁定。GPS提供了由GPS时向UTC时间转换的能力。如上给出的UTC至GPS的转换参数。在绝大多数时间里表中所述关系均成立。但是，当用户工作在即将发生跳秒这一时刻，必须进行专门的调整。,在换算中要考虑到由于跳秒产生的 、 星期

28、数 和跳秒结束时的日期数DN，“日期 1”相对于星期结束/开始的第一天。 是有 10bit星期数中的8位低有效位组成，用户必须 考虑该参数被截短。控制站管理这些参数， 使未被截短 和 绝对值不超过127。 下面分三种情况计算UTC时间：,1.当由 和DN表示的有效日期相对于用户当前时间尚未过时， 并且用户的当前时间没有落在 ， 之间的时间段 内，此时UTC与GPS时间关系为： 式中， 单位为秒； ； 是用户根据电离层效应改正的的估计值； 为跳秒的时间差； 为多项式的常数和一阶量； 为UTC数据的参考时间； 为当前星期数； 为UTC参考星期数。 GPS估计时（ ）是相对于一周开始的秒数。UTC参

29、数的参考时 以该周起始时刻为基准的，其周数在子帧4第18页的第8个字出。,2.当用户当前时间落在 内， 式中， 单位为秒。当附加跳秒时，时间序列的计算为 3.当由 和DN表示的跳秒有效日期相对于用户当前时刻尚未过时，第一种情况给出的关系式是有效的，但以 情况除外。,的定义由方程式给出，适用贯穿转换过程。当加入一个跳秒时，不寻常的时间值将出现，形式为23:59:60.xxx。一些用户的设备可能有这样的设计来近似接近UTC时通过减少正在计时的时间一些秒数在发生时间以后，这样可以快速的返回到一个合适的时间指示。无论何时，当遇到跳秒情况的话，用户的设备必须持续不断的传送或借位到任何年/月/日/天计数。下表给出了过去的这些年造成的GPS时与UTC时的差值，十九年后差值是13秒。现在的趋势是大部分现代导航设备都是以GPS时作为基准时间的。因此，以后可能将不再需要GPS时向UTC时转换。,