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第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号
中国矿业大学环境与测绘学院
王坚
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本章需学习的内容:
GPS卫星导航电文(指卫星星历、时钟改正、转换码等)
GPS卫星信号(指测距用伪随机码信号及载波信号)
卫星位置的计算(由导航电文计算观测时刻卫星的地球坐标系坐标)
GPS接收机基本工作原理
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§ GPS卫星的导航电文
GPS卫星的导航电文(简称卫星电文又叫数据码(D码)):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、电离层时延码转换到捕获P码的信息。
它的基本单位是长1500bit的一个主帧(如图4-1所示),传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧,第1、2、3子帧每30秒钟重复一次,内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、,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。
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§ GPS卫星的导航电文
(TLW,即Telemetry Word)
遥测码位于各子帧的开头,它用来表明卫星注入数据的状态,以次指示用户是否选用该颗卫星。
(HOW,即Hand Over Word)
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,它表示从每星期天零时到星期六24小时,P码子码X1的周期()重复数。
第一数据块
第一数据块位于第1子帧的第3~10字码,它的主要内容包括:①标识码,时延差改正;②星期序号;③卫星健康状况;④数据龄期;⑤卫星时钟改正系数等。
、L2的电离层时延差。当使用单频接收机时,为了减小电离层的影响,提高定位精度,要用改正观测结果,双频接收机可通过L1,L2两频率的组合来消除电离层的影响,不需要此项改正。
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卫星时钟的数据龄期AODC是时钟改正数的外推时间间隔,它指明卫星时钟改正数的置信度。
AODC=Toc-tl (4-1)
式中:toc为第一数据块的参考时刻;tl是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间。

WN表示从1980年1月6日子夜零点(UTC)起算的星期数,即GPS星期数。

GPS时间系统是以地面主控站的主原子钟为基准。由于主控站主钟的不稳定性,使得GPS时间和UTC时间之间存在着差值。地面监控系统通过临测确定出这种差值,并用导航电文播发给广大用户。
每一颗GPS卫星的时钟相对GPS时系存在着差值,需加以改正,这是卫星时钟改正:
Δts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2
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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。描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类。(如图4-2所示)

这6个参数为: ,e,i0,Ω0,ω,M0

这9个参数为:Δn, , ,Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis(其含义同 )

(1)从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe;
(2)星历表的数据龄期AODE,有:
AODE=toe-t1
式中t1为作预报星历测量的最后观测时间,因此AODE就是预报星历的外推时间长度。
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第三数据块
第三数据块包括第4和第5两个子帧,其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后,根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据,用户可以选择工作正常和位置适当的卫星,并且较快地捕获到所选择的卫星。

(1)第2,3,4,5,7,8,9,10页面提供第25~32颗卫星的历书;
(2)第17页面提供专用电文,第18页面给出电离层改正模型参数和UTC数据;
(3)第25页面提供所以卫星的型号、防电子对抗特征符和第25~32颗卫星的健康状况;
(4)第1,6,11,12,16,19,20,21,22,23,24页作备用,第13,14,15页为空闲页。

(1)第1~24页面给出第1~24颗卫星的历书;
(2)第25页面给出第1~24颗卫星的健康状况和星期编号。
在第三数据块中,第4和第5子帧的每个页面的第3字码,其开始的8个比特是识别字符,且分成两种形式:(a)第1和第2比特为电文识别(DATA ID);(b)第3~8比特为卫星识别(SV ID)。
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GPS卫星信号的产生
GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波,它包含有:载波、测距码和数据码