第 4 章 GPS 系统组成及信号

1. 第4章GPS系统组成及信号

2. 4.1 GPS的系统组成 本章内容 • 4.2 GPS的信号结构 • 4.3 美国政府GPS政策

3. GPS的空间部分 4.1 系统组成 • GPS的系统组成 • 用户设备部分

4. 4.1.1 GPS的系统组成 GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成

5. 4.1.2 GPS的空间部分 • GPS卫星星座 • 设计星座：21+3 • 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 • 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min • 保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星 • 当前星座：28颗

6. GPS卫星 • 作用： 发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置 • 类型 • 试验卫星：Block Ⅰ • 工作卫星：Block Ⅱ • Block Ⅱ • Block ⅡA • Block ⅡR • Block ⅡF（新一代的GPS卫星）

8. 第一代卫星现已停止工作。 • 第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。Block ⅡA的功能比Block Ⅱ大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。Block Ⅱ只能存储供45天用的导航电文，而Block ⅡA则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。

9. 第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。

10. Block Ⅰ卫星

11. Block Ⅱ卫星

12. Block ⅡR卫星

14. GPS卫星星座（=35  ，=90）

17. 主控站 监控站 监控站 注入站/监控站 注入站/监控站 注入站/监控站 4.1.3 地面监控部分 • GPS的地面控制部分（地面监测系统） 组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个） 作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。

18. 地面监控系统工作流程

20. 主控站（1个） 作用： 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态； 通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。

21. 跟踪站（5个） 作用：接收卫星数据，采集气象信息， 并将所收集到的数据传送给主控站。 地点：夏威夷、主控站及三个注入站。

22. 注入站（3个） 作用：将导航电文注入GPS卫星。 地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。

23. 4.1.3 用户设备部分 • 用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备 多数采用石英钟 GPS接收机: 能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号接收设备

25. 1.按接收机的用途分类可分为： (1) 导航型接收机 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。单点实时定位精度较低，一般为±25m,有SA影响时为±100m。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：

26. 车载型——用于车辆导航定位； 航海型——用于船舶导航定位； 航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。 星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/秒以上，因此对接收机的要求更高。

27. (2) 测地型接收机 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) 授时型接收机 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。

28. 2.按接收机的载波频率分类 (1) 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) 双频接收机 双频接收机可以同时接收Ｌ１，Ｌ２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。

29. 3.按接收机通道数分类 GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为： • 多通道接收机 • 序贯通道接收机 (3) 多路多用通道接收机

30. 4.按接收机工作原理分类 (1)码相关型接收机 码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距 观测值。 (2)平方型接收机 平方型接收机是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。

31. (3)混合型接收机 这种仪器是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。 (4)干涉型接收机 这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。

32. 天线单元 • 接收单元（频率维持通常采用石英钟） • 接收单元（频率维持通常采用石英钟） 信号通道类型： 多路复用，序惯，多通道；码相关通道，平方通道 • 存储器 • 计算与显控 • 电源

33. GPS信号接收机 • 组成 • 天线单元 • 带前置放大器 • 接收天线 天线单元 • 接收单元 • 信号通道 • 存储器 • 微处理器 • 输入输出设备 • 电源 接收单元

34. 天线单元 • 类型 • 单极天线 • 微带天线 • 锥形（螺旋）天线 • 四丝螺旋天线 • 空间螺旋天线 • 背腔平面盘旋天线 GPS天线

35. 特点 • 单极天线 • 单频获双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单 • 微带天线 • 结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛

36. 锥形（螺旋）天线 • 四丝螺旋天线 –单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板 • 空间螺旋天线 –双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称 • 背腔平面盘旋天线

37. H R H’ H H’ h • 天线特性 • 相位中心、增益方式、带宽、极化 • 相位中心 • 天线的平均相位中心与几何中心 • 天线平均相位中心的偏差 • 天线平均相位中心偏差的消除：归心改正、消去法 • 天线高 –标志至平均相位中心所在平面的垂直距离

38. 接收（信号）通道 • 定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。 • 类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等

39. 存储器 微处理器 作用：数据处理、控制 输入输出设备 电源

40. 基本结构 天线前置放大器 信号处理器 微处理器 电源 振荡器 控制、显示及存储设备

41. GPS接收机的天线 ——作用 • 接收来自卫星的信号 • 放大 • 经（频率变换） • 用于（跟踪、处理、量测）

42. ——天线的相位中心 • 天线的几何中心与相位中心 • 几何中心 • 相位中心 • 相位中心偏差 • 天线相位中心的变化 • 与信号的高度角有关 • 与信号的方位角有关 • 相同类型的天线具有相同的相位中心特性

43. 重要的物理与几何特性 • 天线相位中心 • 接收钟差 • 接收机信号通道间的延迟

44. 4.2 GPS的信号结构 • 载波 • 导航电文 • 测距码

45. 4.2.1 码的基本概念 用于导航定位的GPS信号由三部分组成： • 载波（L1和L2） • 导航电文 • 测距码（C/A码和P(Y)码）

47. GPS卫星信号的产生与构成是比较复杂的，考虑了以下几方面的要求: • 适应多用户系统的要求 • 满足实时定位的要求 • 满足高精度定位的需求 • 满足军事保密的要求

48. 4.2.2 载波 • 载波 作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距） • 类型 目前 L1：频率：1575.43MHz，波长：19cm L2：频率：1227.60MHz，波长：24cm 现代化后 增加L5：1176.45MHz，波长：26cm

49. 4.2.3 导航电文 • 方波 • 码速：50bps • 导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。它包含该卫星的星历、工作状况、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正以及由C/A码捕获P码等导航信息，也是由卫星信号中解调出来的数据码D(t)。这些信息以50bit/s的数据流调制在载频上，数据采用不归零制（NRZ）的二进制码。

50. GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。