衛(wèi)星定位理論與方法-第12次課-衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu)

1、 測量與導(dǎo)航工程系導(dǎo)航與定位教研室陳明劍第第1212次課次課 衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu) GPS Signal Characteristicsl GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送的導(dǎo)航定位信號均采用的是衛(wèi)星向用戶發(fā)送的導(dǎo)航定位信號均采用的是L（22cm）波段做為載波，有其優(yōu)點波段做為載波，有其優(yōu)點：減少擁擠，避免干擾減少擁擠，避免干擾適用于擴(kuò)頻，傳送寬帶信號適用于擴(kuò)頻，傳送寬帶信號衛(wèi)星高軌運行，能獲得較大的多普勒頻移衛(wèi)星高軌運行，能獲得較大的多普勒頻移大氣衰減小，有益于研制用戶設(shè)備大氣衰減小，有益于研制用戶設(shè)備cossdmsVffC 載波頻率越高，多普勒頻移越大，載波頻率越高，多普勒頻移越大，有利于用戶

2、的行駛速度有利于用戶的行駛速度l GPSGPS衛(wèi)星的測距信號和導(dǎo)航電文都屬于低頻信號，衛(wèi)星的測距信號和導(dǎo)航電文都屬于低頻信號，GPSGPS衛(wèi)星軌衛(wèi)星軌道較高，其電能緊張，很難將信號傳輸?shù)降孛?，所以只能將道較高，其電能緊張，很難將信號傳輸?shù)降孛妫灾荒軐⒌皖l信號加載到高頻載波上。低頻信號加載到高頻載波上。 L L波段可以避開大氣諧振吸收，能量耗損小。波段可以避開大氣諧振吸收，能量耗損小。2lg (1)SCBN 在系統(tǒng)容量在系統(tǒng)容量C C一定時，頻帶寬度一定時，頻帶寬度B B越大，信噪越大，信噪比越小。擴(kuò)頻的目的：節(jié)省衛(wèi)星電能，增強(qiáng)比越小。擴(kuò)頻的目的：節(jié)省衛(wèi)星電能，增強(qiáng)衛(wèi)星信號的抗干擾性，實現(xiàn)保

3、密信息傳送衛(wèi)星信號的抗干擾性，實現(xiàn)保密信息傳送MHzENSCB74. 7)5 . 11 (lg623.101lg22MHzBNS40.74101時，當(dāng)Schematic of GPS codes and carrier phase衛(wèi)星的信號衛(wèi)星的信號 GPS衛(wèi)星信號包含三種信號分量：載波、測距碼和數(shù)衛(wèi)星信號包含三種信號分量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。信號分量的產(chǎn)生都是在同一個基本頻率據(jù)碼。信號分量的產(chǎn)生都是在同一個基本頻率f0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生的控制下產(chǎn)生fundamentalfrequency10.23 MHzL1 Carrier1575.42 MHzL2 Carrier1227.6

4、 MHzC/A Code1.023 MHzP Code10.23 MHzP Code10.23 MHzNavigationMessage50 BPSNavigationMessage50 BPS15412020460010l 將調(diào)制信號擴(kuò)頻方法：將調(diào)制信號擴(kuò)頻方法：用用50hz的的D碼調(diào)制一個偽隨機(jī)碼，例如調(diào)制碼調(diào)制一個偽隨機(jī)碼，例如調(diào)制p碼，碼率碼，碼率高達(dá)高達(dá)10.23MHZ，形成組合碼，形成組合碼P（t)D(t).用組合碼調(diào)制用組合碼調(diào)制L波段的載波，實現(xiàn)波段的載波，實現(xiàn)D碼的二級調(diào)制。碼的二級調(diào)制。l 在無線電通信中，為有效地傳播信息，一般將頻率較低在無線電通信中，為有效地傳播信息，一

5、般將頻率較低的信號加載到頻率較高的載波上，此時頻率較低的信號的信號加載到頻率較高的載波上，此時頻率較低的信號稱為稱為調(diào)制信號調(diào)制信號。Codes on L1 and L2S1p(t) ApPp(t)DP(t)cos(2f1t) AcGP(t)DP(t)sin(2f1t)whereAp,Ac amplitudes (power) of P(Y)-code and C/ A-codePP(t) pseudorandom P(Y)-codeGP(t) C / A-code (Gold code)DP(t) navigation data streamandS2p(t) BpPp(t)DP(t)cos

6、(2f2t)Spread Spectrum PrincipleSin(t)-11TPRNPRN*Sin(t)Signal StructureL1 Carrier Wave 1575.42MHzC/A Code 1.023 MHzNavigation Message50HzPrecise Code 10.23 MHzSignal StructureL2 Carrier Wave 1227.6MHzNavigation Message50 HzPrecise Code10.23 MHz GPS衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上，且調(diào)制碼的幅值只取0或1。如果碼值取0，則對應(yīng)的碼狀態(tài)取+

7、1；而碼值取1時，對應(yīng)碼狀態(tài)為-1，載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后，即實現(xiàn)了載波的調(diào)制。GPS Signal Structure for L1 SignalMessage Data modulated on Ranging CodeUser Received Signal PowerGPS Signal Structure(3)GPS Signal Structure(4) Navigation Data StructureContents of GPS Navigation DataContents of GPS Navigation Data1、TLM和和HOW 遙測字（遙測字（TLM: Tel

8、emetry Word）：）：位于各子幀的開頭，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。其中所含位于各子幀的開頭，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。其中所含的同步信號，為各子幀提供了一個同步的起點，使用戶便于的同步信號，為各子幀提供了一個同步的起點，使用戶便于解譯電文數(shù)據(jù)。解譯電文數(shù)據(jù)。 交接字（交接字（HOW: Hand-Over Word）:緊接著各子幀的遙測字，主要向用戶提供從緊接著各子幀的遙測字，主要向用戶提供從C/A碼捕獲碼捕獲P碼碼的的Z計數(shù)。所謂計數(shù)。所謂Z計數(shù)，就是從每星期六計數(shù)，就是從每星期六/日子夜零時起算的日子夜零時起算的時間計數(shù)，它表示下一子幀開始瞬間的時間計數(shù)，它表示下一子幀開始瞬間的GPS時

9、。但為了實用時。但為了實用方便，方便，Z計數(shù)一般表示為從每星期六計數(shù)一般表示為從每星期六/日子夜零時開始發(fā)播的日子夜零時開始發(fā)播的子幀數(shù)。因為每一子幀播送延遲的時間為子幀數(shù)。因為每一子幀播送延遲的時間為6秒，所以，下一秒，所以，下一子幀開始的瞬間為子幀開始的瞬間為6Z。Contents of GPS Navigation Data2、數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)塊I： 它含有關(guān)于它含有關(guān)于衛(wèi)星鐘改正參數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期衛(wèi)星鐘改正參數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期，星期的周數(shù)編星期的周數(shù)編號，電離層改正參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)號，電離層改正參數(shù)和衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息等信息。 計算衛(wèi)星鐘差的多項式參數(shù)：計算衛(wèi)星鐘差的多項式參數(shù)： a0,a1,

10、a22210)()(toctocttattaatttoc: 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊I的參考時刻，從的參考時刻，從GPS時的每星期日零時起算，時的每星期日零時起算，在在0604800秒之間變化；秒之間變化；AODC: 鐘數(shù)據(jù)齡期，主要用來評估鐘差改正數(shù)的可靠性。鐘數(shù)據(jù)齡期，主要用來評估鐘差改正數(shù)的可靠性。 ttTContents of GPS Navigation Data3、數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)塊 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊占有第二子幀和第三子幀。占有第二子幀和第三子幀。主要向用戶提供有關(guān)計算衛(wèi)星位置的參數(shù)。該數(shù)據(jù)塊一般主要向用戶提供有關(guān)計算衛(wèi)星位置的參數(shù)。該數(shù)據(jù)塊一般稱作衛(wèi)星星歷稱作衛(wèi)星星歷(Ephemeris)。衛(wèi)星位置

11、的計算。衛(wèi)星位置的計算 toetieA, iISICRSRCUSUCCCCCCC,nM ,0三、GPS數(shù)據(jù)文件 semimajor axis, a eccentricity, e right ascension of the ascending node, o argument of perigee, inclination, io mean anomaly, Moascending node Algorithm for computing satellite coordinates from broadcast ephemerides is given in GPS Interface Co

12、ntrol Document ICD-GPS-200 (see also enclosed hand out)Contents of GPS Navigation Data4、數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊包含在包含在4，5子幀里。子幀里。主要向用戶提供計算主要向用戶提供計算GPS衛(wèi)星概略坐標(biāo)的星歷，衛(wèi)星概略坐標(biāo)的星歷，包括衛(wèi)星的概略坐標(biāo)，衛(wèi)星鐘的概略改正數(shù)及衛(wèi)星包括衛(wèi)星的概略坐標(biāo)，衛(wèi)星鐘的概略改正數(shù)及衛(wèi)星工作狀態(tài)的信息。一般這些信息也稱作衛(wèi)星的歷書工作狀態(tài)的信息。一般這些信息也稱作衛(wèi)星的歷書(Almanac)。有了這些信息，用戶可以方便地選擇適。有了這些信息，用戶可以方便地選擇適宜的觀測衛(wèi)星，以

13、獲取最佳的衛(wèi)星幾何圖形。由于宜的觀測衛(wèi)星，以獲取最佳的衛(wèi)星幾何圖形。由于已知衛(wèi)星的概略坐標(biāo)，在同時已知接收機(jī)概略位置已知衛(wèi)星的概略坐標(biāo)，在同時已知接收機(jī)概略位置和鐘差近似值時，可以加快信號的捕獲。和鐘差近似值時，可以加快信號的捕獲。三、GPS數(shù)據(jù)文件 2 NAVIGATION DATA RINEX VERSION / TYPEDAT2RIN 1.00e The Boss 29JUN98 17:59:25 GMTPGM / RUN BY / DATE COMMENT .1118D-07 .0000D+00 -.5960D-07 .0000D+00 ION ALPHA .9011D+05 .000

14、0D+00 -.1966D+06 .0000D+00 ION BETA -.142108547152D-13 -.372529029846D-08 61440 159 DELTA-UTC: A0,A1,T,W 12 LEAP SECONDS END OF HEADER 3 97 10 10 18 0 0.0 .605774112046D-04 .352429196937D-11 .000000000000D+00 .760000000000D+02 .494687500000D+02 .448018661776D-08 .220198356145D+00 .264309346676D-05 .

15、244920048863D-02 .842288136482D-05 .515366117668D+04 .496800000000D+06 .335276126862D-07 -.790250226717D+00 -.372529029846D-07 .951777921211D+00 .211531250000D+03 .259765541557D+01 -.819891294621D-08 .160720980388D-10 .100000000000D+01 .926000000000D+03 .000000000000D+00 .700000000000D+01 .000000000

16、000D+00 .139698386192D-08 .588000000000D+03 .490320000000D+06 6 97 10 10 15 59 44.0 -.358093529940D-06 .000000000000D+00 .000000000000D+00 .220000000000D+02 .526250000000D+02 .438268255632D-08 -.281081720890D+00 .GPS Signal Structure(5) Summary of GPS Signal ParametersParameterC/A SignalP SignalCode

17、 clock rate, RC1.023 MbpsRP = 10.23 MbpsCode length1023 6 x 1012Data rate, RD50 bps50 bpsTransmission frequencyL1L1, L2Data includes : Telemetry Satellite ephemeris Satellite clock correction Ionospheric model Synchronization information for resolving C/A code ambiguities- Preamble- Time Almanacs En

18、crypted data for autorized usersRapid acquisitionPrecisionL1 = 154 RPL2 = 120 RPOne weekTotal 38 weeks32 for SV5 for pseudolitePrecise, 2 hour rule-of- thumb duration dataLess accurate, 2 week rule-of-thumb duration dataGPS Code, Data, Subframe, and Frame Timing Relationships230aGMn 231410005986. 3s

19、mGMnnn0RStttt2210)()(ococSttattaat22sinCEaeFtSSKRVR )(0ocsttnMMsssEeMEsinsssEeeEfcos1coscossssEeEefcos1sin1sin2eEEefssscossin1arctan2sf000000002cos2sin2cos2sin2cos2sinicisirsrsrususuCCuCCCCu0rEears)cos1 ()(0oeittiiisincosryrxGAST)(oeoett )()()(00tttGASTtteoeoe)()(00tttGASTGASTesrade/1067115292. 75)(

20、00tGASToe)()(0tttteoeooeeoeeotttw)(0)()(13yxiRRZYXCS0sincos)()(13rriRRZYXCSiyiyxiyxZYXCSsincoscossinsincoscosCSTSZYXiiiiiiZYXcossin0sincoscoscossinsinsincossincosTSppppZYXYXYXZYX11001qGPS信號結(jié)構(gòu)信號結(jié)構(gòu) q載波相位載波相位q偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼q偽隨機(jī)碼的特性偽隨機(jī)碼的特性 qC/A碼和碼和P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 Carrier Phase (Carrier Waves)fL1 = f0 x 154 = 1575.4

21、2MHzfL2 = f0 x 120 = 1227.60MHzequivalent wavelength： 1=19.03 cmequivalent wavelength： 2=24.42 cmqGPS信號結(jié)構(gòu)信號結(jié)構(gòu) q載波相位載波相位q偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼q偽隨機(jī)碼的特性偽隨機(jī)碼的特性 qC/A碼和碼和P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 所謂偽隨機(jī)碼也稱偽噪聲碼所謂偽隨機(jī)碼也稱偽噪聲碼(Pseudo Random Noise Code PRN碼碼)，是可預(yù)先確定并可以重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制的，其統(tǒng)，是可預(yù)先確定并可以重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制的，其統(tǒng)計特性具有隨機(jī)特性的二進(jìn)制碼序列。計特性具有隨機(jī)特性的二進(jìn)制碼序列。 偽隨機(jī)碼可

22、以實現(xiàn)低信噪比接收，且可實現(xiàn)碼分多址通訊，偽隨機(jī)碼可以實現(xiàn)低信噪比接收，且可實現(xiàn)碼分多址通訊，此外偽隨機(jī)噪聲碼還有高性的的保密性，這些特點符合了全此外偽隨機(jī)噪聲碼還有高性的的保密性，這些特點符合了全球定位系統(tǒng)的要求。球定位系統(tǒng)的要求。 全球定位系統(tǒng)采用了一種易于產(chǎn)生，應(yīng)用廣泛的偽隨機(jī)碼全球定位系統(tǒng)采用了一種易于產(chǎn)生，應(yīng)用廣泛的偽隨機(jī)碼最長線性移位寄存器序列，簡稱最長線性移位寄存器序列，簡稱M序列。序列。M序列是由若干序列是由若干級帶有特定反饋電路的移位寄存器產(chǎn)生的。而移位寄存器又級帶有特定反饋電路的移位寄存器產(chǎn)生的。而移位寄存器又涉及到模二運算，因此在介紹偽隨機(jī)碼之間先介紹移位寄存涉及到模二運

23、算，因此在介紹偽隨機(jī)碼之間先介紹移位寄存器和模二運算。器和模二運算。 Pseudo Random Noise CodeGPS Ranging Code模 二 運 算1與 非 門2雙 穩(wěn) 態(tài) 存 儲 器3移 位 寄 存 器4最 長 線 性 移 位 寄 存 器5M序 列截 短 碼 、 復(fù) 合 碼Gold碼678011101110000111 11 11 111 1 1 1、模二運算、模二運算Pseudo Random Noise Signal GenerationModulo-2 recovery of GPS codeModulo-2 arithmetic: 0 + 0 = 0; 0 + 1 =

24、 1; 1 + 0 = 1; 1 + 1 = 0Bit shifts alignedMUST MOD-2 ADD RECEIVER-GENERATED CODE TO RECOVERACBDQQ反RSCP2、雙穩(wěn)態(tài)存儲器、雙穩(wěn)態(tài)存儲器Pseudo Random Noise Signal Generation移位寄存器是由數(shù)個串接的雙移位寄存器是由數(shù)個串接的雙穩(wěn)態(tài)存儲器和一個時鐘脈沖發(fā)穩(wěn)態(tài)存儲器和一個時鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生。組成移位寄存器的生器產(chǎn)生。組成移位寄存器的每一個雙穩(wěn)態(tài)存儲器稱作移位每一個雙穩(wěn)態(tài)存儲器稱作移位寄存器的級。由寄存器的級。由r級雙穩(wěn)態(tài)存級雙穩(wěn)態(tài)存儲器的構(gòu)成的移位寄存器稱為儲器的構(gòu)

25、成的移位寄存器稱為r級移位寄存器。雙穩(wěn)態(tài)存儲級移位寄存器。雙穩(wěn)態(tài)存儲器可以是一個器可以是一個R-S（Reset-Set）觸發(fā)器。如圖是一種觸發(fā)器，觸發(fā)器。如圖是一種觸發(fā)器，它是由四個與非門構(gòu)成它是由四個與非門構(gòu)成 2、雙穩(wěn)態(tài)存儲器、雙穩(wěn)態(tài)存儲器當(dāng)當(dāng)CP = 0時，時，R = 1，S = 0或或R = 0，S = 1時，時，Q和和Q一個為高電平，另一個為低電平一個為高電平，另一個為低電平當(dāng)當(dāng)CP = 1時，時，R = 1，S = 0 Q = 0， =1R = 0，S = 1 Q = 1， =0 R = 0，S = 0 不定；不定；R = 1，S = 1 不變；不變；QQPseudo Random

26、 Noise Signal GenerationABCD四個與非門四個與非門與非門的特性：與非門的特性：11 = 1 取反取反 010 = 001 = 0 取反取反 100 = 0 在雙穩(wěn)態(tài)存儲器中在雙穩(wěn)態(tài)存儲器中R稱為復(fù)位輸入端，稱為復(fù)位輸入端，S稱為置位輸入端。稱為置位輸入端。RS4RS3RS2RS1CPRSRSSSRRQQQQQQQQ3、移位寄存器、移位寄存器Pseudo Random Noise Signal Generation若干個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按一定的方式串接起來構(gòu)成一個移位寄若干個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按一定的方式串接起來構(gòu)成一個移位寄存器。存器。 脈沖脈沖信號信號RS4 RS3 RS2

27、RS1000101100121100311104111151111Pseudo Random Noise Signal Generation由于由于RS4的輸入的輸入端始終為端始終為1，因，因此經(jīng)過四次移位此經(jīng)過四次移位后就全成為后就全成為1的的狀態(tài)并保持下去。狀態(tài)并保持下去。這樣得到的這樣得到的RS1輸出端序列顯然輸出端序列顯然不是隨機(jī)序列。不是隨機(jī)序列。 A1A2A3A4CP4 4、最長線性移位寄存器、最長線性移位寄存器Pseudo Random Noise Signal Generation一個普通的移位寄存器并不能產(chǎn)生一個偽隨機(jī)序列。但是帶有一個普通的移位寄存器并不能產(chǎn)生一個偽隨機(jī)序列

28、。但是帶有某些特定的反饋的移位寄存器的輸出端可以產(chǎn)生一個偽隨機(jī)序某些特定的反饋的移位寄存器的輸出端可以產(chǎn)生一個偽隨機(jī)序列。列。 SlipsA1A2A3A4A3+A410001121000030100040010151001161100070110181011090101110101011111011121110113111101401110150011016000111710000Pseudo Random Noise Signal Generation Properties of M Sequence我們可以看到我們可以看到A4的輸出端：的輸出端：1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1

29、0 1 1 1 1 0 這種序列具有周期性，一周期內(nèi)包含這種序列具有周期性，一周期內(nèi)包含15個碼元（個碼元（ ）這個長度稱作該序列的碼長。這個長度稱作該序列的碼長。這種序列取決于移位寄存器的初始狀態(tài)和反饋電路。這種序列取決于移位寄存器的初始狀態(tài)和反饋電路。反饋電路相同而初始狀態(tài)不同的兩個序列是完全等價的反饋電路相同而初始狀態(tài)不同的兩個序列是完全等價的，只要通，只要通過序列的平移就能獲取與另一個序列完全相同的序列。過序列的平移就能獲取與另一個序列完全相同的序列。 12154A1A2A3A4CP其它的反饋電路 Pseudo Random Noise Signal Generation Slips

30、A1A2A3 A4A1+A410001121000131100141110151111060111171011080101191010110110101101100120011113100101401000150010016000111710000Pseudo Random Noise Signal Generation Pseudo Random Noise Signal Generation但應(yīng)注意的是，并不是所有的反饋電路都能產(chǎn)生偽隨機(jī)碼序但應(yīng)注意的是，并不是所有的反饋電路都能產(chǎn)生偽隨機(jī)碼序列。對于四級移位寄存器而言，只能產(chǎn)生上述兩種偽隨機(jī)碼列。對于四級移位寄存器而言，只能產(chǎn)生上述兩種偽

31、隨機(jī)碼序列。序列。 由由r級移位寄存器連同某些特定的反饋電路可以產(chǎn)生碼長級移位寄存器連同某些特定的反饋電路可以產(chǎn)生碼長為為2r-1的最長線性移位寄存器序列，即的最長線性移位寄存器序列，即m序列。序列。m序列是一個序列是一個周期序列，每個周期包含周期序列，每個周期包含 2r-1 個碼元個碼元。 級數(shù)相同而反饋電路級數(shù)相同而反饋電路不同不同產(chǎn)生不同的碼序列稱為產(chǎn)生不同的碼序列稱為同族碼序同族碼序列列。通常采用多項式來表達(dá)這種反饋電路：。通常采用多項式來表達(dá)這種反饋電路： rrXCXCXCXF1100)(上面兩圖對應(yīng)的表達(dá)式分別為：上面兩圖對應(yīng)的表達(dá)式分別為： 431)(XXXF41)(XXXF q

32、GPS信號結(jié)構(gòu)信號結(jié)構(gòu) q載波相位載波相位q偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼q偽隨機(jī)碼的特性偽隨機(jī)碼的特性 qC/A碼和碼和P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 Properties of M Sequencel統(tǒng)計特性統(tǒng)計特性l循環(huán)相加特性循環(huán)相加特性l相關(guān)特性相關(guān)特性 Statistic Properties of M Sequencel 碼序列中兩種元素出現(xiàn)的次數(shù)大致相等，相差碼序列中兩種元素出現(xiàn)的次數(shù)大致相等，相差1 1次。次。 0: 20: 2r-2r-2 1: 2 1: 2r-2r-2-1 -1 l 長度為長度為n n的元素的元素游程游程比長度為比長度為n+1n+1的元素的元素游程游程多一倍。多一倍。 游程即是連續(xù)

33、出現(xiàn)游程即是連續(xù)出現(xiàn)n n次同一元素叫作一個長度為次同一元素叫作一個長度為n n的游的游程。程。222211nrnrnnNN統(tǒng)計特性統(tǒng)計特性隨機(jī)噪聲、偽隨機(jī)碼的區(qū)別隨機(jī)噪聲、偽隨機(jī)碼的區(qū)別：M M序列是人造的不同于自然噪聲或偶然誤差序列是人造的不同于自然噪聲或偶然誤差 它是由一種叫作偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的，它是由一種叫作偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的，只要使用相同的偽隨機(jī)碼發(fā)生器，就可以產(chǎn)生完只要使用相同的偽隨機(jī)碼發(fā)生器，就可以產(chǎn)生完全一樣的碼序列。任何兩批多次測量不能產(chǎn)生完全一樣的碼序列。任何兩批多次測量不能產(chǎn)生完全相同的偶然誤差；同樣，人們也無法得到完全全相同的偶然誤差；同樣，人們也無法得到完全一樣的

34、噪聲。一樣的噪聲。它具有周期性它具有周期性( (噪聲或偶然誤差是無周期的噪聲或偶然誤差是無周期的) )M M序列的幅值始終為序列的幅值始終為1 1或或0 0 偶然誤差序列幅值大的出現(xiàn)的機(jī)會小，幅值偶然誤差序列幅值大的出現(xiàn)的機(jī)會小，幅值小的機(jī)會多，服從正態(tài)分布。小的機(jī)會多，服從正態(tài)分布。Comparison Between M Sequence and Random ErrorComparison Between M Sequence and Random Error相似：相似：M M序列與偶然誤差都有具有統(tǒng)計特性序列與偶然誤差都有具有統(tǒng)計特性出現(xiàn)正誤差的機(jī)會和負(fù)誤差的機(jī)會相等；出現(xiàn)正誤差的機(jī)會

35、和負(fù)誤差的機(jī)會相等；0 0和和1 1出現(xiàn)的概率大致相等。出現(xiàn)的概率大致相等。序列連續(xù)序列連續(xù)N+1N+1個個1(0)1(0)的機(jī)會比連續(xù)出現(xiàn)的機(jī)會比連續(xù)出現(xiàn)N N個個1(0)1(0)的機(jī)會少一倍；誤差小的出現(xiàn)的概率大。的機(jī)會少一倍；誤差小的出現(xiàn)的概率大。 循環(huán)相加特性循環(huán)相加特性 M M序列為周期序列，因此將一個序列為周期序列，因此將一個M M序列平移若序列平移若干個碼元，仍然為原碼元，只是初相不同。平移干個碼元，仍然為原碼元，只是初相不同。平移前后的兩個序列稱作前后的兩個序列稱作平移等價序列平移等價序列。 循環(huán)相加特性循環(huán)相加特性是指一個是指一個M M序列序列與平移序序列序列與平移序列的模二

36、和為此序列的平移等價序列。列的模二和為此序列的平移等價序列。nmpmmaaa dttStSTdttStSRTT021021)()(1)()()(互相關(guān)函數(shù)：互相關(guān)函數(shù)：自相關(guān)函數(shù)：自相關(guān)函數(shù)：dttStSRT)()()(101 ( )( ) / RTPmmmPmmmbaPbaR111)()()(1)()()(11PmmmPmmmbaPbaRAutocorrelation and Correlation Function of M Sequence1111)(11PmPmmmPaaP=0 !=0 PaPaaPPmqmPmmm111)(11Autocorrelation Function of M

37、 Sequence 截短碼截短碼: :為了從碼長為為了從碼長為P P的的m m序列中獲得一個序列中獲得一個碼長為碼長為P(PP)P(PP)的碼序列，可以通過對的碼序列，可以通過對m m序序列截去列截去a=P-Pa=P-P來獲得。來獲得。 由兩個或兩個以上的小碼的邏輯函數(shù)所構(gòu)由兩個或兩個以上的小碼的邏輯函數(shù)所構(gòu)成的碼序列稱為復(fù)合碼。成的碼序列稱為復(fù)合碼。 如果由如果由n n個碼長分別為個碼長分別為P1P1、P2P2、PNPN的子的子碼構(gòu)成的復(fù)合碼，且碼構(gòu)成的復(fù)合碼，且P1P1、P2P2、PNPN互素。則復(fù)互素。則復(fù)合碼的碼長合碼的碼長P P為為P1P1* *P2P2* *.* *PN.PN.。

38、截短碼和復(fù)合碼截短碼和復(fù)合碼m序列具有良好的自相關(guān)特性，但互相關(guān)特性不太序列具有良好的自相關(guān)特性，但互相關(guān)特性不太理想。理想。 一是互相關(guān)函數(shù)的最大值往往可以達(dá)到一是互相關(guān)函數(shù)的最大值往往可以達(dá)到1/3左右，左右， 二是雖然可以找到少量的二是雖然可以找到少量的m序列組成的組，在序列組成的組，在組內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)值較小，但組的數(shù)目較少，不能組內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)值較小，但組的數(shù)目較少，不能滿足碼分多址的需要。滿足碼分多址的需要。 因此在因此在m序列的基礎(chǔ)上引入了序列的基礎(chǔ)上引入了Gold碼。碼。 Gold Code設(shè)兩個具有相同碼長設(shè)兩個具有相同碼長P P的的m m序列序列a a與與b b babTab

39、Tabar22 形成一個周期序列，其碼長仍為形成一個周期序列，其碼長仍為P P，稱為，稱為GoldGold碼序列。碼序列。 G a babTi( , ) Gold Code GoldGold碼序列族內(nèi)，各序列間的碼序列族內(nèi)，各序列間的自相關(guān)特性和兩兩互相關(guān)特性取決自相關(guān)特性和兩兩互相關(guān)特性取決于于m序列的互相關(guān)函數(shù)序列的互相關(guān)函數(shù) 如果構(gòu)成如果構(gòu)成Gold碼序列的兩個碼序列的兩個m序列具有良好的互相關(guān)特性，則所序列具有良好的互相關(guān)特性，則所構(gòu)成的構(gòu)成的2 2r r+1+1個不同的個不同的Gold碼將碼將具有具有良好的自相關(guān)特性和良好的兩兩互良好的自相關(guān)特性和良好的兩兩互相關(guān)特性相關(guān)特性。Ran

40、ging Code：Coarse Acquistion CodeqGPS信號結(jié)構(gòu)信號結(jié)構(gòu) q載波相位載波相位q偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼q偽隨機(jī)碼的特性偽隨機(jī)碼的特性 qC/A碼和碼和P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生 Ranging Code：Coarse Acquistion CodeC/AC/A碼碼( (Coarse Acquisition Code),),也稱粗捕獲碼。也稱粗捕獲碼。 碼長為碼長為10231023比特。由于碼長短，易于捕獲。為了給所比特。由于碼長短，易于捕獲。為了給所有衛(wèi)星賦以不同的碼序列，有衛(wèi)星賦以不同的碼序列，GPSGPS的的C/AC/A碼采用兩個具有碼采用兩個具有良好互相關(guān)特性的同族碼序列

41、構(gòu)成的良好互相關(guān)特性的同族碼序列構(gòu)成的GoldGold碼。碼。1098632210311)(1)(XXXXXXXGXXXGP P碼是由兩個碼長互素的碼是由兩個碼長互素的m m序列組成的模二和復(fù)合碼。序列組成的模二和復(fù)合碼。 )()()(021tntXtXtPiiX1X1的周期為的周期為1.51.5秒，碼長為秒，碼長為15,345,00015,345,000碼長；碼長； X2X2碼長比碼長比X1X1長長3737個碼元。這兩個子碼都是個碼元。這兩個子碼都是2424位位移位寄存器產(chǎn)生的截短碼；移位寄存器產(chǎn)生的截短碼； 為一碼元對應(yīng)的時刻；為一碼元對應(yīng)的時刻； 是子碼是子碼X2X2的延遲參數(shù)，范圍為的

42、延遲參數(shù)，范圍為0 03636。0tinRanging Code：Precise CodeC/AC/A碼碼P P碼碼碼長碼長10231023.35 碼元寬度碼元寬度0.98s0.98s相當(dāng)于相當(dāng)于293.1 m293.1 m0.098s0.098s相當(dāng)于相當(dāng)于29.3 m29.3 m周期周期1ms1ms約約267267天天精度精度3 3米米0.30.3米米1014Properties of C/A Code and P CodeProperties of C/A Code and P CodeC/AC/A碼作用：碼作用： 1 1、精確、無模糊的測距（自相關(guān)特性）、精確、無模糊的測距（自相關(guān)特性

43、） 2 2、識別衛(wèi)星（碼分多址）、識別衛(wèi)星（碼分多址） （自相關(guān)特性（自相關(guān)特性+ +互相關(guān)特性）互相關(guān)特性） 3 3、調(diào)制導(dǎo)航信息、調(diào)制導(dǎo)航信息 4 4、快速捕獲、快速捕獲P P碼碼 C/AC/A碼的捕獲碼的捕獲v自動搜索檢自動搜索檢測自相關(guān)函數(shù)測自相關(guān)函數(shù)峰值峰值v搜索并跟蹤搜索并跟蹤載波多普勒，載波多普勒，實現(xiàn)載波匹配實現(xiàn)載波匹配v碼搜索，實碼搜索，實現(xiàn)最大自相關(guān)現(xiàn)最大自相關(guān)v9090秒秒C/AC/A碼的捕獲碼的捕獲Example Peak Correlation Outputs Receiver Processing for the GPS Waveform)cos()(/)(2)(t

44、tACtdStsC/A code waveformSignal power S(nW)50 Bits/sec data stream(1)1 Mbits/sec pseudo-random code (1)1575.42MHz L1 carrier frequencyTime(sec)Carrier phase(rad)Track the carrier to get delta pseudorange(doppler)Track C/A code to get pseudorangeDemodulate d(t) to strip off dataAmplify S for subseque

45、nt processingAntenna picks up signals(pico-watts) and filters reject sidelobesSATELLITESIGNALRECEIVERPROCESSINGOnly L1 C/A codefrom single satelliteshown hereGPS Receiver FunctionsLocalOscillatorCode Offset DetectorCodeGeneratorPhase ErrorDetectorCarrierFrequencyGeneratorCodeErrorPhaseErrorFILTER157

46、5.42Mhz1MhzAMPLIFIER35dBMIXERGHz MHz 13 to 70MHzQuartz crystalRFIFIFLow noise preamplifier boosts signal levelCombines satellite signal with sinusoidal local signalRejects sidelobesANTENNA(pico-watts)L1 & L2 carrier waves modulated with C/A & P code signalCODE TRACKING LOOP(P or C/A CODE)CAR

47、RIER TRACKING LOOP(L1 or L2)Intercepts circular polarized signals from all visible satellitesConverts electromagnetic wave energy into electric current Delay lock loop aligns locally generated C/A code with satellites C/A code. Multiply and integration circuits automatically shifts its own code in t

48、ime & cross correlates Decodes 50 bits/sec data stream Uses handover word to lock onto P-code Aligns phase of local oscillator with IF beat frequency Measures current doppler shift from IF phase signal frequency difference (Costas loop)CodeLock LoopPhaseLock LoopPseudo-rangePseudo-range rateNavi

49、gationProcessor Satellite selection Kalman filtering Navigation SolutionPure sinusoidal signalIntermediate frequency(IF)Carrier wave contains all of C/A code, P code and dataSignal travel time for each satelliteSatellite instantaneous doppler shiftReal-time Code Matching is Used to Identify Satellit

50、e and Measure Signal Travel Time1100011110100011Unique C/A code from satelliteIdentical C/A code from user110001111010001111000111101000111100011110100011SATELLITETransit time to user 1/11 secUSER SETGenerates code delay is transit time.Receiver slews(shifts) pulse train for match. Satellites unique

51、 C/A code identifies itself to receiver Satellite & user generate identical coded sequence starting at same time When satellite pulse train 1s and 0s match receiver pulse train 1s and 0s auto-correlation function value changes from 0 to 1+10NdtjtstsN0)()(1 After LOCK-ON user can measuretBCt User

52、 clock bias results from not starting sequences at same time)(ts)(jts BCtTRtttLOCK-ONP-Code Receivers Match to C/A Code First and Then Decode Handover Word to Match to P-CodeTLMHOW30sec1200123012601500MULTIPLEXALMANAC/HEALTH STATUSTLMHOW30sec900930960MULTIPLEXMESSAGE1200TLMHOW30sec600630660EPHMERIS900TLMHOW30sec300330360EPHMERIS600TLMHOW30sec03060CLOCK CORRECTION300TLM=TELEMETRY WORDSHOW=HANDOVER WORDSDATA STREAM : 50-Bits/sec