サムネイル|地球軌道上の GPS Block II-F衛星（アーティストによる創作） サムネイル|海洋分野における民生用GPS受信機 ("ハンドヘルドGPS")
GPS信号は衛星測位のためにグローバル・ポジショニング・システム（GPS）衛星から送信されている。地表面上の受信機はGPS信号を使って受信機の位置、時間、速度（PVT）を決定できる。GPS衛星コンステレーションはアメリカ宇宙軍 、第8宇宙部隊、第2宇宙作戦隊（2SOPS）によって運用されている。
GPS信号は衛星までの距離を測定するための測距信号および航法メッセージを持つ。航法メッセージは、三点測位における軌道上の衛星位置を計算するために用いられ、アルマナックと呼ばれる時刻と衛星コンステレーション全体の状態に関する情報を提供するためのエフェメリスデータを含む。
民間利用向けには4種類のGPS信号が存在する。導入時期の順に、L1 C/A、L2C、L5、L1Cである。 L1 C/Aはレガシー信号とも呼ばれ、現在運用中のすべての衛星から送信されている。L2C、L5、L1Cは近代化された信号で比較的新しい衛星のみから送信されている（あるいは送信されていない）。また、2021年1月現在、これらの3つの信号はまだ民間向けに完全に運用を開始されていない。これらの4つの信号に加えて、公開された周波数とチップレートではあるものの暗号化コードを用いていて、許可されたユーザーだけが使用できる、制限のある信号が存在する。制限信号は解読せず限定的な用途で使用できる。これはコードレスアクセス、セミコードレスアクセスと呼ばれ、公式にサポートされている。Civilian GPS Receivers Actually do Have Access to the L2 Frequency.
ユーザーセグメント（GPS受信機）とのインタフェースは Interface Control Documents (ICD)に記載されている。民間用信号のフォーマットはICDのサブセットである Interface Specification (IS) に記載されている。
共通の特徴 GPS衛星（GPS IS内では space vehicles と呼ばれる）は複数の測距コードと航法データを二位相偏移変調 (BPSK)を用いて同時に送信している。限られた数の中心周波数が使われている。同じ周波数を用いる衛星同士はそれぞれ異なる測距コードを用いることで識別する。言い換えると、GPSは符号分割多元接続を用いている。測距コードはチッピングコード（CDMA/DSSSに関連）、擬似ランダムノイズ、擬似ランダムバイナリシーケンス（シーケンスは予測可能であるが統計的にノイズのように見えるという事実に関連）とも呼ばれる。
いくつかの衛星は複数のBPSKストリームを直交した同じ周波数で直角位相振幅変調 により送信している。しかし、単一のビットストリームを半分のシンボルレートによる2つのビットストリームに分割することでスペクトル効率を上げる通常のQAMとは異なり、GPS信号の同相成分と直交成分は（機能的には関連するが）別々のストリームで変調される。
衛星は space vehicle number（SVN）と呼ばれる、衛星の運用期間中は変更されないシリアル番号で識別される。さらに、すべての運用中の衛星は space vehicle identifier（SV ID）と衛星が使用する測距コードを識別する擬似ランダムノイズ番号（PRN番号）で番号付けされる。SV IDとPRN番号は固定された1対1の対応であることがISに記載されている。 SVNと異なり、衛星のSV ID/PRN番号は変更されうる（使用する測距コードの変更による）。つまり、2機の運用中の衛星が一つの有効なSV ID/PRN番号を共有することはない。現在のGPS衛星システムのSVNとPRN番号は NAVCENが発行している。
レガシーGPS信号 当初のGPSの設計には、誰でも利用が可能な coarse/acquisition（C/A）コードと、制限があり通常は軍用である precision（P)コードの2種類の測距コードが含まれている。
周波数情報 サムネイル|GPS送信信号 測距コードと航法メッセージは衛星から受信機まで伝播するために搬送波上で変調されなければならない。当初のGPSの設計では、L1と呼ばれる 1575.42 MHz (10.23 MHz × 154) とL2と呼ばれる 1227.60 MHz (10.23 MHz × 120) の2つの周波数が使われた。
C/AコードはL1周波数で二位相偏移変調（BPSK）を用いて1.023 MHzの信号として送信される。P(Y)コードはL1とL2周波数でBPSK変調を用いて10.23 MHzの信号として送信される。ただし、P(Y)コードの搬送波はC/Aコードの搬送波に直交する（つまり位相が90°ずれている）。
1つの衛星から2つの周波数を送信することの利点として、冗長性とジャミング耐性の増加に加えて、直接測定を行って電離層による電波遅延で生じる誤差を除去できることが重要である。そのような測定ができない場合、GPS受信機は標準的なモデルを使うか、（広域増強システム（WAAS）のような）別のソースから電離層補正情報を受け取らなければならない。GPS衛星と受信機双方に使用される技術の進歩により、電離層遅延がGPS信号における最大の誤差要因として残されている。この測定ができる受信機は大幅に精度を高めることが可能で、通常、二周波受信機と呼ばれる。
変調コード
Coarse/acquisitionコード C/A PRNコードはゴールドコードと呼ばれ、1023チップの長さのコードを1.023 Mチップ/秒で送信、つまり1ミリ秒ごとにコードが繰り返されている。このコードは50ビット/秒の航法メッセージと排他的論理和演算され、その結果により前述した位相偏移変調が行われる。このコードはほぼ完全に一致している場合に、一致または強く自己相関する。各衛星は他のどの衛星のPRNコードとも相関しないユニークなPRNコードを使用する。つまり、PRNコードは互いに直交している。1ミリ秒のC/Aコードの長さは299.8 kmの距離になり、各チップの長さは293 mである。受信機はこのコードを1チップ以内の精度で追尾するため、測定誤差は293 m未満である。
C/Aコードは2つの異なる最大周期10段の線形帰還シフトレジスタ（LFSR）によって生成される2つのビットストリームを（排他的論理和を使って）合成して生成される。片方のビットストリームを選択的に遅延させることによって異なるコードが生成される。したがって、
C/Ai(t) = A(t) ⊕ B(t-Di)
ここで、
C/Ai はPRN番号 i のコードである。 A は生成多項式が x → x10 + x3 + 1 で初期状態が 11111111112 である1つ目のLFSRの出力である。 B は生成多項式が x → x10 + x9 + x8 + x6 + x3 + x2 + 1 で初期状態が11111111112である2つめのLFSRの出力である。 Di は各PRN番号i ごとに定められた遅延（ 周期の整数倍）でGPS interface specification に示されている。 ⊕ は排他的論理和である。
関数の引数はエポックを0としてそこからのビット数またはチップ数である。LFSRのエポックとはLFSRが初期状態にある時点のことであり、C/Aコード全体のエポックは任意のUTC秒の開始時刻に整数ミリ秒を加えた時点である。負の引数の時のLFSRの出力は1023チップの周期に合わせて定義される（上の式でBは負の引数をとることがあるためこの規程が必要である）。
PRN番号34と37の遅延は同じである。したがってそれらのC/Aコードも同一であるが同時には送信されない （各GPS受信機で受信される相対的な出力レベルによっては相互干渉により片方または両方の信号が使えなくなる）。
Precision コード PコードはC/Aコードよりもずっと長いPRNシーケンスで6.187104 x 1012 チップある。Pコードのチップレート（10.23 Mチップ/秒）はC/Aコードの10倍であるが、週に一度しか繰り返されず、距離の曖昧さを解消する。Pコードは長くで速いコードであるため受信機は直接取得することができないので、最初にC/Aコードから衛星のエフェメリスを取得し、おおよその時刻と位置を得てから、Pコードを取得して高精度な測位を行う。
C/A PRNは各衛星ごとにユニークだが、各衛星は約2.35 x 1014チップ（235,000,000,000,000チップ）長のマスターPコードシーケンスの異なるセグメントを送信している。各衛星は割り当てられたマスターコードのセグメントを繰り返し送信し、毎週日曜日の00:00:00 GPS時間に再スタートする。GPSのエポックは1980年1月6日の00:00:00 UTCだが、GPS時刻はうるう秒を採用していないのでUTC時刻に正確には合っていない。GPS時刻はUTC時刻より整数秒だけ進んでいる。
Pコードは公開されているので、不正ユーザーが使用したり、スプーフィングによって潜在的に干渉したりすることを防ぐために、Pコードと暗号化されたシーケンスであるWコードとを排他的論理和演算して Yコードを生成する。Yコードはアンチスプーフィングモジュールが有効化されて以降、各衛星が送信しているコードである。暗号化された信号はP(Y)コードと呼ばれる。
Wコードの詳細は機密であるが、Pコードのチップレートより約20倍遅い約500 kHzでPコードに適用されることが知られている。. このことによりWコードを知ることなくP(Y)信号を追跡できるセミコードレスアプローチが開発された。
航法メッセージ +GPSメッセージフォーマットサブフレームワード説明11–2テレメトリーおよびハンドオーバーワード(TLM and HOW)3–10衛星クロック、GPS時刻関連2–31–2テレメトリーおよびハンドオーバーワード(TLM and HOW)3–10エフェメリス(精密衛星軌道)4–51–2テレメトリーおよびハンドオーバーワード(TLM and HOW)3–10アルマナックコンポーネント(衛星ネットワーク概要、エラー補正) PRN測距コードに加えて、受信機は時刻と各衛星の位置を知る必要がある。GPSはこの情報を航法メッセージ内に符号化し、C/AおよびP(Y)測距コードに50ビット/秒で変調している。このセクションで述べる航法メッセージフォーマットはLNAVデータ（レガシーナビゲーション）と呼ばれる。
航法メッセージは3種類の情報を送っている。
GPS日付と時刻、および衛星の状態 送信衛星の精密な軌道情報であるエフェメリス 各衛星の状態と低解像度な軌道情報であるアルマナック
エフェメリスは4時間のみ有効であるのに対して、アルマナックはほとんど精度が落ちずに最大2週間有効である 。受信機はアルマナックを使って時刻と場所に応じて衛星を捕捉する。受信機が衛星を捕捉すると各衛星のエフェメリスが復号されてナビゲーションに使用することができる。
航法メッセージは、30ビットのワード10個でできている6秒間のサブフレームの5個分からなる、30秒間、1500ビットのフレームで構成される。各サブフレームは6秒ずつ増えていくGPS時刻を持つ。サブフレーム1はGPS日付（週番号）、衛星クロック補正情報、衛星状態、衛星ヘルスを持つ。サブフレーム2と3はともに送信衛星のエフェメリスデータを持つ。サブフレーム4と5はページ1からページ25までの25ページからなるアルマナックを持つ。アルマナックは15,000ビット長で送信に12.5分かかる。
フレームはGPS週の開始とともに始まり、以後30秒毎に繰り返す。毎週、アルマナックのページ1の送信から始める。
航法メッセージにはLNAV-LとLNAV-Uの2種類があり、LNAV-LはPRN番号1から32（下位PRN番号）の衛星で用いられ、LNAV-UはPRN番号33から63（上位PRN番号）の衛星で用いられる。 2種類ともよく似たフォーマットを使っている。サブフレーム1から3は同一で 、サブフレーム4と5はほとんど同じである。各航法メッセージタイプはその航法メッセージを使っている全衛星のアルマナックを持っているが、異なる航法メッセージの衛星のアルマナックは持っていない。
各サブフレームは、受信機がサブフレームの開始を検出しサブフレーム開始時の受信機のクロック時間を決定するためのテレメトリーワード（TLM）で始まる。続いてハンドオーバーワード（HOW）が（次のサブフレームの最初のビットが送信される時刻として）GPS時刻を提示し、完全なフレーム中でのサブフレームの識別をする。 Section 1.4.2.6. サブフレームの残りの8ワードはそのサブフレームに固有の実データを格納する。各ワードはハミング符号に基づくアルゴリズムにより直前のワードの最後の2ビットとそのワードのパリティビット以外の24ビットから生成された6ビットのパリティビットを持っている。
サブフレームが読まれて解釈されると、クロック補正データとHOWを使って次のサブフレームが送信された時刻が計算できる。受信機はテレメトリーワードを検出することで次のサブフレームを受信した時点の受信機クロック時刻がわかる。それによって、信号の伝播時間を計算し、擬似距離を求めることができる。
時刻 GPS時刻は週番号とタイムオブウィーク（TOW）として1.5秒単位で表現される。 GPS時刻の基準点（週番号 0、TOW 0）は1980-01-06T00:00Z と定義されている。TOWは0から403,199までの値でGPS週の開始からの1.5秒単位の経過数を意味する。したがってTOWを表現するには19ビット（219 = 524,288）必要である。GPS時刻はうるう秒を含まないため、GPS週の開始/終了は対応するUTCとは整数秒だけずれている。
各サブフレームの各ハンドオーバーワード（HOW）は次に続くサブフレームの開始点に対応するTOWの上位17ビットを持っている。 ここで、航法メッセージ内のHOWは6秒おきに現れるが、これはTOWの下位2ビットを省略したときの分解能と等しいため、TOWの下位の2ビットは省略してもかまわない。つまり、2ビット省略されたTOWは最後のGPS週の開始/終了から次のフレームまでの時間を6秒単位で表した値と同じである。
各フレームは（サブフレーム1内に）GPS週番号の下位10ビットを持っている。 GPSのフレームはGPS週をまたぐことはないので各フレームの全体は1つのGPS週内に収まっている。 1,024GPS週（約19.6年）ごとにロールオーバーが発生するため、受信機は現在の日付を計算するためにGPS週番号の上位ビットを推測するか別のソースから取得しなければならない。1つの方法は、受信機がシャットダウンするときに現在の日付をメモリに保存しておき、電源が入ったときに新たに復号した週番号が保存した日付から始まる1,024週の期間に含まれると仮定することである。この方法は受信機が1,024週を越えて（あるいは時刻決定と測位をしないで）シャットダウンすることがなければ正しくGPS週番号を推測することができる。
アルマナック アルマナックは各衛星の大まかな軌道、ステータス情報、電離層モデル、協定世界時（UTC）とGPS時刻との関係で構成される。各フレームは（サブフレーム4と5に）アルマナックの一部分の情報を持っていて、完全なアルマナックは各衛星から合計25フレーム（12.5分要する）かかって送信される。 p. 103. アルマナックはいくつかの目的のために提供される。1つ目は、各衛星のエフェメリスがその衛星を使った測位に必要であるのに対し、受信機が保存した位置と時刻に応じた可視衛星リストを生成することで受信機の起動時の衛星の捕捉をアシストすることである。古いハードウエアでは各衛星の探索は遅いプロセスであるのでアルマナックの欠落によって測位がかなり遅延する。ハードウエアの進歩により衛星捕捉プロセスはより高速になったので、アルマナックが無いことはもはや問題ではない。2つめはGPSから導出される時刻（GPS時刻）を国際的な標準時刻であるUTCと関連付けることである。最後に、アルマナックはグローバル電離層モデルを用いることによって一周波受信機が電離層遅延を補正できるようにする。補正はWAASのようなGNSS補強システムや二周波受信機ほど高精度ではない。しかし、電離層による誤差は一周波受信機とって最大の誤差要因であるため、しばしば補正無しよりは良い。
サブフレーム4と5の構造 +LNAV-L フレーム 4 と 5サブフレームページ説明41, 6, 11–12,16, 19–24予約済み2–5, 7–10SV 25–32 のアルマナック13航法メッセージ補正テーブル(NMCT)14–15システム用に予約17特別メッセージ18電離層補正データとUTC25SV 1–32のA-Sフラッグ、SV 25-32のヘルス情報51–24SV 1–24 のアルマナック25SV 1–24 のヘルス情報アルマナック参照時刻+LNAV-U フレーム 4 と 5サブフレームページ説明41, 6, 10–12,16, 19–24予約済み2–5, 7–9SV 89–95 のアルマナック13航法メッセージ補正テーブル (NMCT)14–15システム用に予約17特別メッセージ18電離層補正データとUTC25PRN番号 33–63のA-Sフラッグ、SV 89-95のヘルス情報51–24SV 65–88 のアルマナック25SV 65–88 のヘルス情報アルマナック参照時刻
データ更新 衛星データは定期更新ができない場合に備えて最大60日間分のデータとともに通常24時間ごとに更新される。通常、更新データは新しいエフェメリスと低頻度でアップロードされるアルマナックである。コントロールセグメントは通常の運用中に新しいアルマナックが少なくとも6日ごとにはアップロードされることを保証している。
衛星は2時間ごとに新しいエフェメリスを送信している。エフェメリスは通常は4時間有効であるが、非公称条件下では4時間かそれ以上の間隔で更新される。エフェメリスを取得するための時間が測位に時間がかかる主要因であり、受信機の性能が向上しているため衛星信号を捕捉するまでの時間は減っているものの、送信レートが遅いためエフェメリスの取得には18秒から36秒要する。
近代化と追加のGPS信号 1995年7月17日にfull operational capabilityに達したことでUS Coast Guard. GPS FAQ. 、GPSシステムは当初の設計目標を実現した。しかし、技術の進歩と既存システムへの新たな要求が”近代化”を促した。1998年、副大統領とホワイトハウスはこうした変更の開始を告知し、2000年にアメリカ合衆国議会はGPS IIIと呼ばれるその取り組みを再確認した。
プロジェクトは新しい地上局、および民間・軍用ユーザ向けの追加の航法信号に対応した新しい衛星が関連する。すべてのユーザー向けに精度と可用性の向上を狙ったものである。実装完了の目標は2013年とされ2011年までに完了すればインセンティブが与えられることになった。
一般的な特徴 フレーム|回転する地球とGPSシステムの動きの視覚的な例示。地表面のある地点、ここでは北緯45度の例、における可視衛星の数が時刻とともにどう変化するかに注意。 近代化GPSの民間用信号は従来のものからデータレス捕捉支援と航法メッセージの前方誤り訂正（FEC）という2つの改善がなされている。
データレス捕捉支援はデータ信号とは別のパイロット搬送とも呼ばれる追加信号の送信である。このデータレス信号はデータが符号化された信号よりも捕捉が容易であるように設計され、捕捉された後はデータ信号の捕捉に使われる。この技術はGPS信号捕捉を改善し、相関器での信号強度が向上する。
2つめは航法メッセージ自身に前方誤り訂正（FEC）を使用することである。航法メッセージの送信レートが比較的遅い（通常50ビット/秒）ことから、小さな妨害が大きなインパクトをもたらす可能性がある。したがって、航法メッセージのFECは信号全体の頑健性の大きな向上となる。
L2C 最初の発表の1つはL1周波数による coarse/acquisition（C/A）信号とは別の周波数の新しい民間用信号の追加だった。最終的にこれはL2周波数で送信されたため L2C信号となった。衛星に新しいハードウエアが必要なためブロックII R-Mと呼ばれる設計以降の衛星のみから送信される。L2C信号はナビゲーションの精度向上、容易な信号追尾、局所的な干渉時の冗長信号の役割をもたらす。L2C信号は2014年4月初めから送信されているが未だに運用前とされている。 2023年7月現在、L2Cは25機の衛星から送信されている。
C/Aコードとは異なり、L2Cは civil-moderateコード（CM）とcivil-long lengthコード（CL)という2つの別々の測距情報用PRNコードを持っている。CMコードは10,230チップ長で20 ms ごとに繰り返す。CLコードは 767,250チップ長で1,500 msごとに繰り返す。各信号は毎秒511,500チップ送信されるが、これらは多重化されて 1,023,000チップ/秒の信号を形成している。
CMはCNAV航法メッセージ（下記参照）を変調するのに対し、CLはいかなる変調データも含まずデータレスシーケンスと呼ばれる。長いデータレスシーケンスはL1 C/Aコードに比べて約24 dB強い（250倍強い）相関をもたらす。
C/A信号と比較して、L2Cは送信電力が 2.3 dB 弱いものの、 2.7 dB データ復旧に優れ、0.7 dB 搬送波追尾に優れる。
2023年7月3日現在のL2Cの状態 は以下の通りである。
"healthy"と設定された運用前の信号 25機の衛星から送信（2023年7月3日現在） 2005年からGPSブロック II R-Mにより開始 2023年までに地上管制能力を備えた24機のGPS衛星が利用可能（2020年1月現在）
CM および CL コード civil-moderate および civil-long 測距コードはあらかじめ決められた初期状態に定期的にリセットされるモジュラーLFSR によって生成される。CMとCLの周期はこのリセットにより決定され、（C/Aコードのように）LFSRの自然な周期によるものではない。初期状態はインターフェース仕様で指定されていて、異なるPRN番号ごとにCM/CLで異なる。フィードバック多項式/マスクはCMとCLで同じである。測距コードは以下のようになる。
CMi(t) = A(Xi,t mod 10 230) CLi(t) = A(Yi,t mod 767 250)
ここで、
CMi と CLi はPRN番号 i の測距コードで、引数はGP週の開始/終了からの（0始まりの）累積チップ数、もしくはそれと等価的にGPS時刻スケールの起点からの経過時間である（ §時刻を参照）。 A(x, t) は初期状態 x に初期化され t 回動作した後のLFSRの出力である。 Xi と Yi はPRN番号 i に対するCMとCLそれぞれの初期状態である。 mod は剰余である。 t はGPS時刻の起点からのCMとCLのチップ周期数、あるいはそれと等価的な（0から始まる）GPS秒である。
初期状態はGPSインターフェース仕様に8進数の数値として記載されていて、最下位ビットを出力ビットとし最上位ビットから新しいビットがシフトインするという2進数表記のLFSR状態解釈の規約に従う。この規約を使ってLFSRは最上位ビットから最下位ビットへ、ビッグエンディアンの場合、右方向へシフトする。ISで最終状態と呼ばれる状態は、CMでは10229サイクル後、CLでは767249サイクル後（いずれもリセットの直前）に得られる。
CNAV 航法メッセージ +メッセージ構造(共通フィールド)BitsNumbered starting from 1. Bit 1 is the first bit in the message and bit 300 is the last one.情報内容1–8プリアンブル9–14送信衛星のPRN15–20メッセージタイプID21–37短縮されたTOWカウントTOW count for the beginning of the next message. It uses the same format than the truncated TOW in LNAV.38アラートフラグ277–300巡回冗長検査 +メッセージタイプタイプ ID説明10–11エフェメリスとヘルス12, 31, 37アルマナックパラメータ13–14, 34ディファレンシャル補正15, 36テキストメッセージ30電離層とグループ遅延補正32地球姿勢パラメータ33UTC パラメータ35GPS/GNSS時刻オフセット CNAVデータは従来のNAV航法メッセージのアップグレードバージョンである。より高精密な表記と、名目上はNAVデータよりも高精度なデータを含んでいる。時刻、ステータス、エフェメリス、アルマナックといった情報は新しいCNAVフォーマットでも送信されているが、フレーム / サブフレーム構造の代わりにLNAVのフレームに類似した12秒、300ビットのメッセージで構成する擬似パケットフォーマットを使っている。LNAVフレームの情報コンテンツは固定されているが、CNAVメッセージには複数の定義されたタイプがある。フレームタイプがその情報コンテンツを決めている。メッセージは、どのメッセージタイプが使われるかに関する固定されたスケジュールには従わず、コントロールセグメントによる柔軟な変更を認めている。ただし、いくつかのメッセージタイプについては送信頻度の下限が設定されている。
CNAVでは少なくとも4パケットに1つはエフェメリスデータで、クロックデータパケットについても同様である。 多様なパケットタイプが送信できるように設計されている。32機からなる衛星コンステレーションで現在の必要送信要求仕様では帯域の75%以下しか使われない。定義されているパケットタイプは利用可能なパケットタイプのほんの一部である。このことが互換性を損なわずにシステムが成長し進歩を取り入れることを可能にしている。
新しい CNAVメッセージでは以下のような多くの重要な変更がある。
レート1/2の 畳み込み符号による前方誤り訂正（FEC）を使用し、航法メッセージは25ビット/秒だが50ビット/秒の信号を送信する。 メッセージは24ビットのCRC値を持ち、完全性をチェックする。 GPS週番号は13ビット、8192週で表され、157.0年ごとに繰り返すため、2137年まで0に戻らない。これはL1 NAVメッセージが10ビットの週番号を使用し 19.6年ごとに0に戻るのよりも長い。 GPSとGNSSの時刻オフセットを保持するパケットがある。これによりGalileo、GLONASSなど他のグローバル時間転送システムとの相互運用性が向上する。 追加の帯域によりディファレンシャル補正パケットの保持が可能になり、衛星航法補強システムと同様の方法でL1 NAVクロックデータの補正に使うことができる。 すべてのパケットは衛星データが信頼できないときにセットされるアラートフラグを保持する。これにより衛星がもはや使用できないときにユーザは12秒以内に知ることができる。このような迅速な通知は航空分野など生命の安全に関わるアプリケーションでは重要である。 最後に、L1 NAVが32機であるのに対し、システムが63機の衛星に対応できるように設計されている。