GPSGPS定定位位的的基基本本观观测测量量是是观观测测站站（接接收收机机天天线线）到到GPSGPS卫卫星星的的距离（时间）距离（时间）。GPSGPS观测更象一种观测更象一种距离测量距离测量距离测量分为距离测量分为几何量距几何量距：直接对被测距离进行量测直接对被测距离进行量测物物理理量量距距：不不直直接接测测定定被被测测距距离离，而而测测量量与与被被测测距距离离有有关的某些物理量，间接测量待测距离。如电磁波测距关的某些物理量，间接测量待测距离。如电磁波测距GPSGPS测距方式与常规电磁波测距相似，属于测距方式与常规电磁波测距相似，属于物理量距物理量距第四章第四章 GPSGPS卫星信号的构成与传播卫星信号的构成与传播主要内容：主要内容：4.1 4.1 电磁波测距原理电磁波测距原理 4.2 GPS4.2 GPS的测距码信号的测距码信号 4.3 GPS4.3 GPS信号传播误差信号传播误差4.4 GPS4.4 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文GPS卫星信号构成与传播新电磁波测距：电磁波测距：利用电磁波反射原理测量距离利用电磁波反射原理测量距离2020世世纪纪8080年年代代后后，电电磁磁波波测测距距技技术术以以高高精精度度、高高效效率率、低低成成本本等优点，逐渐取代传统测距手段，成为当前主流测距技术等优点，逐渐取代传统测距手段，成为当前主流测距技术电磁波测距技术种类较多，按不同的方式可分成不同的类电磁波测距技术种类较多，按不同的方式可分成不同的类按载波种类：按载波种类：单载波、双载波和多载波单载波、双载波和多载波按信号调制类型：按信号调制类型：微波和光波调制微波和光波调制按测程长短：按测程长短：短程（短程（=3km=3km）、中程（）、中程（3 315km15km）和远程（）和远程（=15km=15km按观测方式分按观测方式分脉脉冲冲测测时时、测测相相（相相位位法法）、测测频频、频频分分多多路路测测相相、多多谱勒计数等谱勒计数等4 41 1 电磁波测距的原理电磁波测距的原理 GPS卫星信号构成与传播新脉脉冲冲测测距距基基本本原原理理：测测距距仪仪的的脉脉冲冲发发生生器器发发射射的的光光脉脉冲冲以以调调幅幅方方式式调调制制在在光光波波上上，经经调调制制后后的的光光脉脉冲冲分分成成两两个个部部分分，一一部部分分直直接接进进入入接接收收光光学学系系统统，经经由由光光电电元元件件转转化化为为电电脉脉冲冲，作作为为参参考考脉脉冲冲（也也称称主主波波脉脉冲冲）；另另一一部部分分发发射射后后经经被被测测目目标标反反射射后后进进入入接接收收光光学学系系统统，再再由由光光电电元元件件转转化化为为电电脉脉冲冲，成成为为反反射射脉脉冲（也叫冲（也叫回波脉冲回波脉冲）4 41 11 1 脉冲法测距脉冲法测距 只只要要测测定定反反射射脉脉冲冲和和参参考考脉脉冲冲之之间间的的时时间间差差tt就就可可确确定定到到反射目标之间的距离反射目标之间的距离脉脉冲冲法法测测距距如何确定如何确定tt？GPS卫星信号构成与传播新时时标标脉脉冲冲：测测距距仪仪的的时时标标震震荡荡器器产产生生的的稳稳定定频频率率的的电电脉脉冲冲，又称又称钟脉冲钟脉冲测测距距之之前前，门门电电路路是是关关闭闭的的，时时标标脉脉冲冲不不能能通通过过门门电电路路进进入入脉脉冲冲计计数数器器。测测距距时时，光光脉脉冲冲发发射射的的一一瞬瞬间间，主主波波脉脉冲冲把把门门电电路路“打打开开“，时时标标脉脉冲冲通通过过门门电电路路进进入入脉脉冲冲计计数数器器，脉脉冲冲计数器开始计数计数器开始计数时差时差tt的测定的测定当当回回波波脉脉冲冲经经由由被被测测目目标标反反射射回回测测距距仪仪时时，又又把把门门电电路路“关关闭闭”，脉脉冲冲计计数数器停止计数器停止计数GPS卫星信号构成与传播新利用利用tt可求出待测距离为可求出待测距离为其中其中d d为被测距离，为被测距离，V V为光速为光速假设这期间有假设这期间有n n个脉冲进入脉冲计数器，每个脉冲的时间间个脉冲进入脉冲计数器，每个脉冲的时间间隔为隔为T T，则，则脉冲式测距使用方便，作业效率高，但精度相对较低脉冲式测距使用方便，作业效率高，但精度相对较低2020世世纪纪8080年年代代后后，随随着着锁锁模模激激光光等等新新技技术术的的问问世世，脉脉冲冲式式测测距距仪仪精精度度大大为为提提高高，某某些些型型号号的的测测距距仪仪精精度度已已达达毫毫米米级级水平，与相位式测距仪基本相当水平，与相位式测距仪基本相当GPS卫星信号构成与传播新4 41 12 2 相位法测距相位法测距 1 1、相位法测距的基本原理、相位法测距的基本原理2 2、确定、确定N N值的方法值的方法GPS卫星信号构成与传播新1 1、相位法测距的基本原理、相位法测距的基本原理相位测距基本原理相位测距基本原理由由载载波波光光源源发发出出的的光光信信号号通通过过调调制制器器进进行行调调制制，输输出出光光强强随随高高频频信信号号变变化化的的调调制制光光波波，射射向向被被测测目目标标。与与此此同同时时，高高频频信信号号发发生生器器也也向向混混频频器器A A发发出出相相同同频频率率的的参参考考信信号号，调调制制光光波波经经由由被被测测目目标标反反射射后后回回到到接接收收装装置置，接接着着又又进进入入混频器混频器B B，成为，成为测距信号测距信号由由此此，只只要要比比较较参参考考信信号号和和测测距距信信号号之之间间的的相相位位移移，就就能得出被测距离能得出被测距离GPS卫星信号构成与传播新如如果果把把调调制制光光在在被被测测距距离离上上往往返返路路程程拉拉直直，则则有有如如图所示的波形图所示的波形由图知，调制光在被测距离往返的相位差为由图知，调制光在被测距离往返的相位差为(3-5)(3-5)假设调制信号波长为假设调制信号波长为 ，则被测距离为，则被测距离为（4-44-4） （4-54-5）在在相相位位测测距距中中， 可可以以直直接接测测定定，而而N N不不能能直直接接测测量量。这这样一来，距离值将无法唯一确定样一来，距离值将无法唯一确定为不足一周的波数为不足一周的波数式中式中N N为相位差为相位差整周数整周数（整周波数整周波数），），GPS卫星信号构成与传播新由由 知，如果调制信号足够，使知，如果调制信号足够，使 （称测尺长（称测尺长度）超过待定距离度）超过待定距离d d，即，即 ，则，则N=0N=0。则。则 d d 为为2 2 确定确定N N值的方法值的方法（4-64-6）要要唯唯一一确确定定距距离离值值，必必须须选选择择较较长长的的测测尺尺，但但仪仪器器的的测测相相精精度度有有限限（假假设设为为1010-3-3），如如表表所所示示，测测距距误误差差随随着着测测尺尺长长度度的的增加而扩大，测程越长测距精度越低增加而扩大，测程越长测距精度越低GPS卫星信号构成与传播新为为了了解解决决测测程程和和精精度度之之间间的的矛矛盾盾，可可选选用用一一组组测测尺尺（两两个个或或两两个个以以上上不不同同波波长长的的调调制制光光）共共同同测测距距，以以长长测测尺尺来来确确定定大大数，以短测尺来保证精度。数，以短测尺来保证精度。如测量长度为如测量长度为767.68m767.68m，可选用两把测尺分别为：，可选用两把测尺分别为： 和和用用 得得到到不不足足1000m1000m的的尾尾数数为为767m767m，用用 可可得得到到不不足足10m10m的尾数为的尾数为7.68m7.68m，两者结合起来可得到，两者结合起来可得到767.68m767.68m。既能保证测程足够长，又能保证相当的测距精度既能保证测程足够长，又能保证相当的测距精度相位式测距仪一般采用红外光作为载波，精度可达相位式测距仪一般采用红外光作为载波，精度可达0.50.510mm10mmGPS卫星信号构成与传播新4 42 GPS2 GPS的测距码信号的测距码信号 vGPSGPS卫卫星星发发射射的的信信号号包包括括载载波波信信号号、P P码码（或或Y Y码码）、C/AC/A码码和和数据码（或数据码（或D D码）码）等多种信号分量等多种信号分量vP P码和码和C/AC/A码码统称为统称为测距码测距码vC/AC/A码称码称粗码，粗码，P P码称码称精码，皆属伪随机噪声码精码，皆属伪随机噪声码vGPSGPS卫卫星星信信号号的的产产生生、构构成成和和复复制制等等，都都涉涉及及到到现现代代数数字字通通信信理理论论和和技技术术方方面面的的复复杂杂问问题题，GPSGPS用用户户一一般般可可以以不不去去深深入入研研究，但了解其基本概念，对理解究，但了解其基本概念，对理解GPSGPS定位原理仍是必要的定位原理仍是必要的4 42 21 1 伪随机噪声码伪随机噪声码4 42 22 C/A2 C/A码和码和P P码码GPS卫星信号构成与传播新4 42 21 1 伪随机噪声码伪随机噪声码1 1 几个与码有关的基本概念几个与码有关的基本概念2 2 随机噪声码及其相关性随机噪声码及其相关性3 3 伪随机噪声码及其产生伪随机噪声码及其产生GPS卫星信号构成与传播新1 1 几个与码有关的基本概念几个与码有关的基本概念码码：现现代代数数字字通通信信中中，为为表表达达各各种种不不同同信信息息，广广泛泛采采用用二二进进制数及组合，这种表达不同信息的二进制数组合，称制数及组合，这种表达不同信息的二进制数组合，称码码编编码码：将将文文字字、图图象象、声声音音等等信信息息，按按照照一一定定规规则则表表示示为为二二进制数组合的这个过程进制数组合的这个过程通通过过编编码码可可将将各各种种信信息息转转变变为为相相应应的的文文本本、栅栅格格图图象象、矢矢量量图图形形、音音频频、视视频频等等具具有有固固定定格格式式，便便于于存存储储、编编辑辑、传传播播和显示输出和显示输出的数字信息集合。的数字信息集合。比特比特：一位二进制数为一个比特或一个码元：一位二进制数为一个比特或一个码元比特率比特率：在信息传播中，每秒传输的比特数，又称：在信息传播中，每秒传输的比特数，又称数码率数码率单位是单位是bit/sbit/s或或bps bps 表示表示比特和比特率都是码的基本单比特和比特率都是码的基本单位GPS卫星信号构成与传播新随机噪声码的概念随机噪声码的概念码是一种二进制数组合的数字序列，它可表达为取值码是一种二进制数组合的数字序列，它可表达为取值为为0 0或或1 1的时间函数的时间函数u(t)u(t)设一组码序列设一组码序列u(t)u(t)，在任意时刻，码元为，在任意时刻，码元为0 0或或1 1完全是完全是随机的，概率均为随机的，概率均为1/21/2。这种完全无规律的码序列就称为这种完全无规律的码序列就称为随机噪声码随机噪声码随机噪声码的特点随机噪声码的特点不可复制、非周期性的码序列，具有良好的自相关性不可复制、非周期性的码序列，具有良好的自相关性相关性好坏，对提高相关性好坏，对提高GPSGPS卫星码信号测距精度，极其重要卫星码信号测距精度，极其重要2 2 随机噪声码及其相关性随机噪声码及其相关性GPS卫星信号构成与传播新3 3、伪随机噪声码、伪随机噪声码随随机机噪噪声声码码具具有有良良好好的的自自相相关关性性，但但它它是是一一种种非非周周期期序序列列，不服从任何编码规则不服从任何编码规则，实际中，实际中无法复制和利用无法复制和利用GPSGPS系系统统采采用用了了一一种种伪伪随随机机噪噪声声码码（Pseudo Pseudo Random Random NoiseNoisePRNPRN）简称）简称伪随机码或伪码伪随机码或伪码伪伪随随机机码码的的特特点点：具具有有随随机机码码的的良良好好自自相相关关性性，又又具具有有某某种种确定的编码规则，是周期性的，容易复制确定的编码规则，是周期性的，容易复制GPSGPS的测距码的测距码C/AC/A码和码和P P码码均是均是伪随机噪声码伪随机噪声码GPS卫星信号构成与传播新4 42 22 C/A2 C/A码和码和P P码码vC/AC/A码码码码长长短短，共共10231023个个码码元元，易易于于捕捕获获，且且通通过过C/A码码提提供的信息容易捕获供的信息容易捕获P码，码，C/AC/A码通常也称码通常也称捕获码捕获码vC/AC/A码码码码元元宽宽度度大大，假假设设两两序序列列码码元元对对齐齐误误差差为为码码元元宽宽度度的的1/101/101/1001/100，则则相相应应的的测测距距误误差差为为29.329.32.93m2.93m。精精度度低低，又又称称粗码粗码。现代科技的发展，使得测距分辨率大大提高。现代科技的发展，使得测距分辨率大大提高C/A码：是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码，在频率为1.023MHz钟脉冲驱动下，由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的。基本参数如下基本参数如下v码长码长码元码元v码元周期码元周期（相应距离为（相应距离为293.1m293.1m，码元宽度），码元宽度）v周期周期v数码率数码率=1.023Mbit/s=1.023Mbit/sGPS卫星信号构成与传播新P码产生的基本原理与C/A码相似，是在频率为10.23MHz钟脉冲的驱动下，由两个12级移位寄存器相组合产生的 基本特征参数 P(Y) P(Y)码码v码长码长码元码元v码元周期码元周期( (宽度宽度) )（相应距离为（相应距离为29.3m29.3m）v周期周期v数码率数码率=10.23Mbit/s=10.23Mbit/sP P码频率更高，码元周期较小，假如码序列对齐误差为码元宽码频率更高，码元周期较小，假如码序列对齐误差为码元宽度度1/101/101/1001/100，则相应的测距误差为，则相应的测距误差为2.932.930.29m0.29m，这个误差为，这个误差为C/AC/A码的码的1/101/10，故，故P P码又称码又称精码精码P码码序列太长，实际中通常是先捕获码码序列太长，实际中通常是先捕获C/A码，再根据导航电码，再根据导航电文提供的信息来确认当前文提供的信息来确认当前P码信号在整个码序列中的位置码信号在整个码序列中的位置GPS卫星信号构成与传播新GPSGPS信信号号到到达达接接收收机机天天线线之之前前要要穿穿过过若若干干大大气气层层。由由于于大大气气影影响响，将将改改变变电电磁磁波波传传播播方方向向、速速度度和和状状态态，这这种种现现象称象称大气折射大气折射。大气折射包括。大气折射包括: :电离层和对流层折射电离层和对流层折射 此外，此外，GPSGPS信号在传播过程中还受到信号在传播过程中还受到多路径效应多路径效应的影响的影响卫星信号在卫星信号在传播过程传播过程中所产生的误差主要有：中所产生的误差主要有：电离层折射电离层折射对流层折射对流层折射多路径误差多路径误差43 GPS信号传播误差信号传播误差GPS卫星信号构成与传播新v大气对流层对电磁波传播的折射效应称为大气对流层对电磁波传播的折射效应称为对流层延迟对流层延迟。v包包括括对对流流层层和和平平流流层层的的共共同同影影响响，但但由由于于折折射射的的80%80%都都在在对对流层，因此统称为流层，因此统称为对流层延迟对流层延迟 v目前降低对流层影响的方法有：目前降低对流层影响的方法有：v定位精度要求不高时，忽略不计定位精度要求不高时，忽略不计v采用采用对流层改正模型对流层改正模型加以改正加以改正v引入描述对流层的引入描述对流层的附加待估参数附加待估参数，在数据处理中求解，在数据处理中求解v观观测测量量求求差差，利利用用相相对对定定位位中中测测站站间间对对流流层层延延迟迟的的相相关关性来削弱影响性来削弱影响一、对流层折射一、对流层折射 GPS卫星信号构成与传播新v大气电离层对电磁波传播的折射效应称为大气电离层对电磁波传播的折射效应称为电离层延迟电离层延迟v取决于取决于信号频率信号频率和传播路径上的和传播路径上的电子总量电子总量v削弱电离层影响的措施削弱电离层影响的措施利利用用双双频频观观测测：电电离离层层影影响响是是信信号号频频率率的的函函数数，利利用用不不同同频频率率电电磁磁波波信信号号进进行行观观测测，可可确确定定其其影影响响大大小小，并并对对观测量加以修正。其有效性不低于观测量加以修正。其有效性不低于95%95%利利用用电电离离层层模模型型加加以以修修正正：对对单单频频接接收收机机，一一般般采采用用由由导导航航电电文文提提供供的的或或其其它它合合适适的的电电离离层层模模型型对对观观测测量量进进行行改正。目前模型改正的有效性约为改正。目前模型改正的有效性约为75%75%，仍在完善中，仍在完善中利利用用同同步步观观测测值值求求差差( (差差分分改改正正) )：当当观观测测站站间间的的距距离离较较近近（小小于于20km20km）时时，卫卫星星信信号号到到达达不不同同观观测测站站的的路路径径相相近，通过同步求差，残差不超过近，通过同步求差，残差不超过1010-6-6二、二、电离层折射电离层折射 GPS卫星信号构成与传播新 三、多路径效应（三、多路径效应（MultipathMultipath） 多多路路径径效效应应：也也称称多多路路径径误误差差，是是指指接接收收机机天天线线除除直直接接收收到到卫卫星星发发射射的的信信号号外外，还还可可能能收收到到经经天天线线周周围围地地物物一一次次或或多多次次反反射射的的卫卫星星信信号号，两两种种信信号号迭迭加加，将将使使观观测测量量产产生生误误差差。这这种现象称为种现象称为多路径效应多路径效应GPS卫星信号构成与传播新预防多路径效应的措施预防多路径效应的措施多多路路径径效效应应在在一一般般反反射射环环境境下下，对对测测码码伪伪距距的的影影响响达达米米级级；对对测测相相伪伪距距影影响响达达厘厘米米级级；高高反反射射环环境境中中，影影响响显显著增大，且常导致卫星信号著增大，且常导致卫星信号失锁失锁和产生和产生周跳周跳预防多路径效应的措施预防多路径效应的措施安置接收机天线的环境应避开较强反射面，安置接收机天线的环境应避开较强反射面，如水面、如水面、平坦光滑的地面和建筑表面平坦光滑的地面和建筑表面选择造型适宜且屏蔽良好的天线，选择造型适宜且屏蔽良好的天线，如扼流圈天线如扼流圈天线适当延长观测时间，削弱周期性影响适当延长观测时间，削弱周期性影响有针对性改善接收机内部电路设计，减弱多路径效有针对性改善接收机内部电路设计，减弱多路径效应影响应影响 GPS卫星信号构成与传播新4 44 GPS4 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文 导导航航电电文文（Navigation Navigation MessageMessage）又又称称为为数数据据码码（Data Data MessageMessage）， 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据基基础础。它它是是一一组组包包含含卫卫星星星星历历、卫卫星星工工作作状状态态、系系统统时时间间、时时钟钟改改正正参参数数、轨轨道道摄摄动动改改正正、电电离离层层折折射射参参数数等信息的等信息的二进制码二进制码。是。是GPSGPS实现定位所必须的信息实现定位所必须的信息 GPS卫星信号构成与传播新4 44 41 1 导航电文的格式导航电文的格式 导航电文导航电文是具有一定规则格式的是具有一定规则格式的二进制码二进制码，按帧向用户广播，按帧向用户广播每帧电文有每帧电文有1500bit1500bit，播送速度，播送速度50bit/s50bit/s，每帧播送时间，每帧播送时间30s30s每帧电文包括每帧电文包括5 5个子帧个子帧，每个子帧有，每个子帧有300bit300bit，播发时间为，播发时间为6s6s子子帧帧4 4、5 5各各包包含含2525页页，记记载载多多达达2525颗颗卫卫星星，子子帧帧1 1、2 2、3 3与与子子帧帧4 4、5 5的每一页，均构成完整的一帧的每一页，均构成完整的一帧子子帧帧1 1、2 2、3 3的的内内容容每每小小时时更更新新，子子帧帧4 4、5 5内内容容仅仅在在卫卫星星注注入入新信息后才更新新信息后才更新导航电文全部播发完毕需要导航电文全部播发完毕需要12.5min12.5min每个子帧长每个子帧长6 6秒，含有秒，含有1010个字，每个字占个字，每个字占30bit30bitGPS卫星信号构成与传播新123451234567891030s6s0.02s0.6s子帧4、5各含25页一个子帧一个主帧一个字码1500bit1500bit300bit300bit30bit30bit导航电文的格式导航电文的格式GPS卫星信号构成与传播新4 44 42 2导航电文的基本内容导航电文的基本内容 一帧导航电文的内容一帧导航电文的内容TLWHOW数据块-时钟修正参数TLWHOW数据块-星历表TLWHOW数据块-星历表（续）TLWHOW数据块-卫星历书等TLWHOW数据块-卫星历书等子帧 1一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特子帧 3子帧 4子帧 5子帧 2交接字交接字遥测字遥测字GPS卫星信号构成与传播新45 GPS卫星信号的构成卫星信号的构成vGPSGPS卫星信号包含卫星信号包含三种信号分量三种信号分量：v载波信号、测距码和数据码（导航电文）载波信号、测距码和数据码（导航电文）v信号分量都在同一个基本频率信号分量都在同一个基本频率f f0 0=10.23MHz=10.23MHz控制下产生控制下产生基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码数据码50BPS数据码数据码50BPS15412010204600 vGPSGPS卫星信号结构卫星信号结构GPS卫星信号构成与传播新习题习题1.1.简述脉冲测距法的基本原理简述脉冲测距法的基本原理2.2.简述载波相位测量的基本原理简述载波相位测量的基本原理3.GPS3.GPS卫星信号包括哪些信号分量，卫星信号包括哪些信号分量，GPSGPS测距码有哪两种？测距码有哪两种？4.GPS4.GPS信号传播误差有哪些？什么是多路径效应？信号传播误差有哪些？什么是多路径效应？5.5.什么是什么是GPSGPS的导航电文？一帧导航电文包含多少的导航电文？一帧导航电文包含多少bit?bit?每每帧帧电电文文包包括括几几个个子子帧帧？全全部部导导航航电电文文包包含含多多少少帧帧，需需要要播发多长时间？播发多长时间？GPS卫星信号构成与传播新