GPS理論與應(yīng)用07

1、GPS理論與應(yīng)用（7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)）劉瑞華 教授中國民航大學(xué) 電子信息工程學(xué)院GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)授課內(nèi)容授課內(nèi)容1.GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號 2.衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)3.PRN碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n1.GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號nGPS系統(tǒng)的空間區(qū)段由系統(tǒng)的空間區(qū)段由24顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星布顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星布置完畢后，不斷向地面廣播置完畢后，不斷向地面廣播測距碼測距碼和和導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文信號。信號。nGPS衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道經(jīng)過精心設(shè)計，世界各地的用戶經(jīng)過精心設(shè)計，世界各地的用戶無論在任何時候、任

2、何地點(diǎn)，均可以同時觀測無論在任何時候、任何地點(diǎn)，均可以同時觀測到至少并接收到至少并接收4顆衛(wèi)星的信號。顆衛(wèi)星的信號。n通過測距碼可以計算接收機(jī)至衛(wèi)星的距離，通通過測距碼可以計算接收機(jī)至衛(wèi)星的距離，通過對衛(wèi)星導(dǎo)航電文的讀取，可以獲取衛(wèi)星運(yùn)行過對衛(wèi)星導(dǎo)航電文的讀取，可以獲取衛(wèi)星運(yùn)行參數(shù)及其他修正參數(shù)，從而并解算參數(shù)及其他修正參數(shù)，從而并解算衛(wèi)星位置衛(wèi)星位置。n得到站星距離及衛(wèi)星位置后，便可以求解用戶得到站星距離及衛(wèi)星位置后，便可以求解用戶的的位置和速度位置和速度信息。信息。GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n衛(wèi)星發(fā)射的衛(wèi)星發(fā)射的測距碼測距碼是一組是一組偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪

3、聲碼（簡（簡稱稱PRN碼），是一個具有一定周期的取值碼），是一個具有一定周期的取值0和和1的離散符號串。的離散符號串。nPRN碼不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相碼不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相關(guān)特征，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。是關(guān)特征，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。是周期性周期性的、的、可人工復(fù)制可人工復(fù)制的碼序列。的碼序列。nGPS信號中使用了偽隨機(jī)碼編碼技術(shù)，識別信號中使用了偽隨機(jī)碼編碼技術(shù)，識別和分離各顆衛(wèi)星信號，并提供無模糊度的測和分離各顆衛(wèi)星信號，并提供無模糊度的測距數(shù)據(jù)。距數(shù)據(jù)。nGPS信號中的信號中的C/A碼和碼和P碼，都是由最長線性碼，都是由最長線性移位寄存器序列（簡稱移位寄

4、存器序列（簡稱m序列）產(chǎn)生的偽隨序列）產(chǎn)生的偽隨機(jī)測距碼。機(jī)測距碼。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文是包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作是包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲碼捕獲P碼等碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼（或?qū)Ш叫畔⒌臄?shù)據(jù)碼（或D碼）。碼）。n衛(wèi)星導(dǎo)航電文是一種不歸零二進(jìn)制碼組成的衛(wèi)星導(dǎo)航電文是一種不歸零二進(jìn)制碼組成的編碼脈沖串，稱之為數(shù)據(jù)碼，其碼率為編碼脈沖串，稱之為數(shù)據(jù)碼，其碼率為50 b/s。n衛(wèi)星發(fā)射載波信號同時被測

5、距碼和導(dǎo)航電文衛(wèi)星發(fā)射載波信號同時被測距碼和導(dǎo)航電文調(diào)制，即將衛(wèi)星的調(diào)制，即將衛(wèi)星的導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文（稱為基帶信號）（稱為基帶信號）經(jīng)經(jīng)偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻為組合碼，再對擴(kuò)頻為組合碼，再對L頻段載波進(jìn)頻段載波進(jìn)行行BPSK調(diào)制。調(diào)制。GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n衛(wèi)星所發(fā)射的導(dǎo)航電文和測距碼，通過兩個衛(wèi)星所發(fā)射的導(dǎo)航電文和測距碼，通過兩個載波頻率載波頻率f1=1575.42MHz和和f2=1227.6MHz分分別向地面發(fā)射。別向地面發(fā)射。nGPS系統(tǒng)通過系統(tǒng)通過CDMA技術(shù)來區(qū)分衛(wèi)星，即給技術(shù)來區(qū)分衛(wèi)星，即給不同的衛(wèi)星分配不同的偽隨機(jī)碼。不同的衛(wèi)星分配不同的偽隨

6、機(jī)碼。n當(dāng)接收機(jī)收到某顆當(dāng)接收機(jī)收到某顆衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號時，接收機(jī)在機(jī)時，接收機(jī)在機(jī)內(nèi)產(chǎn)生與該衛(wèi)星的偽碼相同的本地碼，并讓內(nèi)產(chǎn)生與該衛(wèi)星的偽碼相同的本地碼，并讓本地碼本地碼移位直到與衛(wèi)星偽碼相關(guān)函數(shù)為移位直到與衛(wèi)星偽碼相關(guān)函數(shù)為1，從，從而計算至衛(wèi)星的距離。而計算至衛(wèi)星的距離。GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n由于對由于對PRN碼的精心選擇，不同衛(wèi)星之間的碼的精心選擇，不同衛(wèi)星之間的PRN碼相關(guān)數(shù)值很小。碼相關(guān)數(shù)值很小。n設(shè)設(shè)Ps為要接收的衛(wèi)星信號功率，為要接收的衛(wèi)星信號功率，Pj為其他衛(wèi)為其他衛(wèi)星的信號功率，則接收機(jī)輸出的有用信號與星的信號功率，則接收機(jī)輸出的有用

7、信號與其他衛(wèi)星的比值為其他衛(wèi)星的比值為n當(dāng)當(dāng)f=10.23MHz時，時，k=2105n當(dāng)當(dāng)f=1.023MHz時，時，k=2104n于是就可以達(dá)到于是就可以達(dá)到捕獲捕獲和和跟蹤跟蹤GPS衛(wèi)星的目的。衛(wèi)星的目的。 ssjjPPfkPFPGPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n因此，在因此，在GPS中采用偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)中采用偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)可以起到以下可以起到以下作用作用：n1.利用碼分多址實(shí)現(xiàn)對不同衛(wèi)星的識別、利用碼分多址實(shí)現(xiàn)對不同衛(wèi)星的識別、捕獲和跟蹤；捕獲和跟蹤；n2.作為測定衛(wèi)星到接收機(jī)天線間距離的作為測定衛(wèi)星到接收機(jī)天線間距離的信號；信號；n3.傳送導(dǎo)航電文；傳送

8、導(dǎo)航電文；n4.加強(qiáng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)軍事保密。加強(qiáng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)軍事保密。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n2.衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nGPS衛(wèi)星發(fā)射兩個頻率的載波，分別稱為主衛(wèi)星發(fā)射兩個頻率的載波，分別稱為主載波載波L1和次載波和次載波L2。兩個載波上調(diào)制的信號。兩個載波上調(diào)制的信號有所不同，其方框圖如下圖所示。有所不同，其方框圖如下圖所示。 nGPS衛(wèi)星信號由衛(wèi)星信號由三個部分三個部分組成：組成：1).載波載波(Carrier)：L1和和L2。2).測距碼測距碼(Ranging Code)：C/A碼碼(目前只被調(diào)目前只被調(diào)制在制在L1上上)和和P(Y)碼碼

9、(被分別調(diào)制在被分別調(diào)制在L1和和L2上上)。3).衛(wèi)星衛(wèi)星(導(dǎo)航導(dǎo)航)電文電文(Message)。nGPS衛(wèi)星信號的生成的關(guān)鍵設(shè)備是星載高精衛(wèi)星信號的生成的關(guān)鍵設(shè)備是星載高精度度原子鐘原子鐘。GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nGPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率 f0n由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生，頻率為由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生，頻率為10.23MHz。衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準(zhǔn)頻率的倍頻或衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準(zhǔn)頻率的倍頻或分頻。分頻。1012020001541575.42MHz;19.03cm1201

10、227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffC AfPffHz碼碼率碼碼率衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文碼率GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nGPS衛(wèi)星的載波衛(wèi)星的載波n載波的作用：載波的作用：1).搭載其它調(diào)制信號搭載其它調(diào)制信號2).測距測距3).測定多普勒頻移測定多普勒頻移n載波的類型載波的類型L1載波：載波： 154f0 = 1575.43MHz；波長：；波長：19.03cmL2載波：載波： 120f0 = 1227.60MHz；波長：；波長：24.42cmGPS現(xiàn)代化后，將增加現(xiàn)代化后，將增加L5載波：

11、載波：L5載波：載波：115f0 = 1176.45MHz；波長：；波長：25.48cmL119.03c mL224.42c mGPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nGPS衛(wèi)星載波的特點(diǎn)衛(wèi)星載波的特點(diǎn)n所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移n所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響離層折射影響n選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號離層折射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關(guān)）的頻率有關(guān)）GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信

12、號結(jié)構(gòu)nGPS測距碼測距碼n測距碼的作用是測距。測距碼的作用是測距。n測距碼的主要性質(zhì)測距碼的主要性質(zhì)為偽隨機(jī)噪聲碼（為偽隨機(jī)噪聲碼（PRN：Pseudo Random Noise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為相關(guān)系數(shù)為0或或1/n（n為碼元數(shù)）為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nGPS測距碼的類型測距碼的類型n1).C/A碼碼(Coarse/Acquisition Code)：粗碼粗碼/捕獲碼；碼率：捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：；周期：

13、1ms；1周期含碼元數(shù)：周期含碼元數(shù)：1023；碼元寬度：；碼元寬度：293.05m；僅；僅被調(diào)制在被調(diào)制在L1上上n2).P(Y)碼碼(Precise Code) ：精碼；碼率：精碼；碼率：10.23MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含周期含碼元數(shù)：碼元數(shù)：6187104000000；碼元寬度：；碼元寬度：29.30m；被調(diào)制在被調(diào)制在L1和和L2上上n3).GPS現(xiàn)代化后，在現(xiàn)代化后，在L2上調(diào)制上調(diào)制C/A碼，在碼，在L1和和L2增加調(diào)制增加調(diào)制M碼。碼。GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nGPS衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文n作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)

14、、衛(wèi)星鐘參作用：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息及其它信息n數(shù)據(jù)基本結(jié)構(gòu)如下圖所示數(shù)據(jù)基本結(jié)構(gòu)如下圖所示.第1字遙測字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第1子幀（第1數(shù)據(jù)塊）(300bits)第1字遙測字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第2子幀（第2數(shù)據(jù)塊）(300bits)第3子幀（第2數(shù)據(jù)塊）(300bits)第4子幀（第3數(shù)據(jù)塊）(300bits)第5子幀（第3數(shù)據(jù)塊）(300bits)第1主幀(1500bits)第2主幀(1500bits).第1子幀（第1數(shù)據(jù)塊）(300

15、bits).第5子幀（第3數(shù)據(jù)塊）(300bits)第25主幀(1500bits)導(dǎo)航電文GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nL1載波載波(154f0)由兩個由兩個PRN碼和導(dǎo)航電碼和導(dǎo)航電文所調(diào)制。兩個文所調(diào)制。兩個PRN碼分別稱為碼分別稱為C/A碼碼（粗（粗/捕獲碼）和捕獲碼）和P碼（精密碼）。碼（精密碼）。nL2載波載波(120f0)在任何時候只用一種在任何時候只用一種PRN碼調(diào)制，其中一種方式是只有碼調(diào)制，其中一種方式是只有P碼碼（加密后稱為（加密后稱為P(Y)碼）而無數(shù)據(jù)（導(dǎo)航碼）而無數(shù)據(jù)（導(dǎo)航電文）。電文）。n衛(wèi)星產(chǎn)生發(fā)射信號的原理如下圖所示。衛(wèi)星產(chǎn)生發(fā)射

16、信號的原理如下圖所示。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n主載波主載波L1和次載波和次載波L2都由基準(zhǔn)頻率都由基準(zhǔn)頻率f0產(chǎn)產(chǎn)生。為了補(bǔ)償相對論效應(yīng)，衛(wèi)星上的基生。為了補(bǔ)償相對論效應(yīng)，衛(wèi)星上的基準(zhǔn)頻率為準(zhǔn)頻率為f0=10.22999999543MHz。n對于地面接收機(jī)來說，對于地面接收機(jī)來說，C/A碼的基碼速碼的基碼速度為度為1.023MHz，而，而P碼的基碼速度為碼的基碼速度為10.23MHz。n導(dǎo)航電文的速度為導(dǎo)航電文的速度為50bps。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n由

17、上圖可見，由上圖可見，50bps的導(dǎo)航數(shù)據(jù)首先與的導(dǎo)航數(shù)據(jù)首先與C/A碼和碼和P(A)疊加，疊加，然后才調(diào)制然后才調(diào)制L1載波。載波。這個疊加使用異或過這個疊加使用異或過程實(shí)現(xiàn)，在圖中用程實(shí)現(xiàn)，在圖中用+表示。表示。n在在L1上，上，“P(Y)碼碼+數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)”與與“C/A碼碼+數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)”在相位上是正交在相位上是正交的。的。L1上的信號可圖上的信號可圖示如右。示如右。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nL1信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為n其中，其中，PI和和PQ分別是同相和正交相的功分別是同相和正交相的功率，率，d(t)是是50bps的數(shù)據(jù)，而的數(shù)據(jù)，而c(t)

18、和和p(t)分別是兩個分別是兩個PRN碼，碼，是載波頻率。是載波頻率。n同相分量同相分量和和正交相分量正交相分量的信號分別如下的信號分別如下兩圖所示。兩圖所示。1( )2( ) ( )cos()2( ) ( )sin()IQS tP d t c ttP d t p ttGPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nL1中同相分量結(jié)構(gòu)中同相分量結(jié)構(gòu)GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nL1中正交相分量結(jié)構(gòu)中正交相分量結(jié)構(gòu)GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n需要注意的是，需要注意的是，GPS信號雖然有幾種分信號雖然有幾種分量（量（C

19、/A易捕碼、易捕碼、 P精確碼和精確碼和D導(dǎo)航數(shù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼），據(jù)碼）， 但是它們均來源于一個公共但是它們均來源于一個公共的的10.23 MHz的的基準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)頻率。n它們的頻率不僅與基準(zhǔn)頻率有一定的比它們的頻率不僅與基準(zhǔn)頻率有一定的比例關(guān)系，而且相互之間也存在一定的比例關(guān)系，而且相互之間也存在一定的比例關(guān)系，詳細(xì)如下表所示。例關(guān)系，詳細(xì)如下表所示。GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nGPS信號的這種結(jié)構(gòu)，既有利于衛(wèi)星發(fā)信號的這種結(jié)構(gòu)，既有利于衛(wèi)星發(fā)送信號，又便于廣大用戶接收和測量送信號，又便于廣大用戶接收和測

20、量GPS信號。信號。n從上表中可以看出，在從上表中可以看出，在D碼的一個碼元碼的一個碼元內(nèi)，將有內(nèi)，將有20 460個個C/A碼碼元，碼碼元，204 600個個P碼碼元，碼碼元，31 508 400個個L1周期周期和和24 552 000個個L2周期。周期。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nL2信號的構(gòu)成情況比較復(fù)雜。其中一種信號的構(gòu)成情況比較復(fù)雜。其中一種情況是以與情況是以與P(Y)碼和數(shù)據(jù)調(diào)制，其數(shù)學(xué)碼和數(shù)據(jù)調(diào)制，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為表達(dá)式為n綜合以上情況，可以得到綜合以上情況，可以得到GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號的結(jié)構(gòu)如下圖和下表所示。的結(jié)構(gòu)如下圖和下表所示。2( )2

21、( ) ( )sin()QS tP d t p ttGPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n說明說明：(*)操作控制區(qū)段一般選用操作控制區(qū)段一般選用P(Y)碼碼n (*)一般情況下調(diào)制有導(dǎo)航電文，但一般情況下調(diào)制有導(dǎo)航電文，但OCS可以關(guān)閉這可以關(guān)閉這項(xiàng)數(shù)據(jù)。故有三種可能：帶數(shù)據(jù)的項(xiàng)數(shù)據(jù)。故有三種可能：帶數(shù)據(jù)的P(Y)碼，不帶數(shù)碼，不帶數(shù)據(jù)的據(jù)的P(Y)碼，帶數(shù)據(jù)的碼，帶數(shù)據(jù)的C/A碼。碼。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n不同的用戶不同的用戶(接收機(jī)接收機(jī))可獲得不同的可獲得不同的

22、GPS信號。信號。nPPS用戶可以接入用戶可以接入L1和和L2兩個載波的所有信兩個載波的所有信號，并獲得完全的號，并獲得完全的GPS精度。而精度。而SPS用戶沒用戶沒有有P(Y)碼的密碼，因而只能接入碼的密碼，因而只能接入L1載波，獲載波，獲取其取其C/A碼。碼。n使用使用單頻接收機(jī)單頻接收機(jī)的用戶，無法測量電率層上的用戶，無法測量電率層上的信號延遲，而必須采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償，的信號延遲，而必須采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償，因此只能獲得較低的定位精度。因此只能獲得較低的定位精度。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n3.PRN碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生n1).C/A碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生n

23、C/A碼碼（Coarse Acquisition Code）是用于粗測距和捕獲是用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽衛(wèi)星信號的偽隨機(jī)碼。隨機(jī)碼。nC/A碼由兩個碼由兩個10級反饋移位寄存器組合級反饋移位寄存器組合產(chǎn)生，其產(chǎn)生，其產(chǎn)生原理產(chǎn)生原理如下圖所示。如下圖所示。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n兩個移位寄存器于每星期日子夜零時，在置兩個移位寄存器于每星期日子夜零時，在置“1”脈脈沖作用下處于全沖作用下處于全“1”狀態(tài)。狀態(tài)。n由時間基準(zhǔn)產(chǎn)生的由時間基準(zhǔn)產(chǎn)生的10.23MHz、1.023MHz與與1.5

24、s周周期的脈沖同步，以保證電文幀、子幀、期的脈沖同步，以保證電文幀、子幀、C/A碼和碼和P碼碼同步。同步。n在頻率為在頻率為f1=f0/10=1.023MHz時鐘脈沖驅(qū)動下，兩個時鐘脈沖驅(qū)動下，兩個移位寄存器分別產(chǎn)生碼長為移位寄存器分別產(chǎn)生碼長為N=210-1=1023、周期為、周期為1ms的兩個的兩個m序列序列G1(t)和和G2(t)。n其特征多項(xiàng)式分別為：其特征多項(xiàng)式分別為： 310123689102( )1( )1G txxG txxxxxx GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nG2(t)序列的輸出不是在該移位寄存器的最后一個序列的輸出不是在該移位寄存器的最后一

25、個存儲單元，而是選擇其中兩個存儲單元進(jìn)行二進(jìn)存儲單元，而是選擇其中兩個存儲單元進(jìn)行二進(jìn)制相加后輸出，由此得到一個與制相加后輸出，由此得到一個與G2(t)平移等價的平移等價的m序列序列G2i（即與延時等價）。（即與延時等價）。n平移序列與平移序列與G1(t)進(jìn)行模二相加，得到進(jìn)行模二相加，得到C/A碼。即碼。即C/A(t)=G1(t)G2(t+it0)。n因此，選擇不同的因此，選擇不同的平移序列平移序列將得到不同的將得到不同的C/A碼。碼。將可能產(chǎn)生將可能產(chǎn)生1023種不同結(jié)構(gòu)的種不同結(jié)構(gòu)的C/A碼。碼。nC/A碼不是簡單的碼不是簡單的m序列，序列， 而是由兩個具有相同而是由兩個具有相同碼長及碼

26、率，但結(jié)構(gòu)不同的碼長及碼率，但結(jié)構(gòu)不同的m序列相乘所得到的序列相乘所得到的組合碼組合碼，稱為，稱為戈?duì)柕赂隊(duì)柕拢℅old）序列。）序列。GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n采用不同的采用不同的it0值，可能產(chǎn)生值，可能產(chǎn)生1023個不同個不同的的G2(t)。再加上。再加上G1(t)和和G2(t)本身，因本身，因此共可能產(chǎn)生此共可能產(chǎn)生1025種結(jié)構(gòu)不同的種結(jié)構(gòu)不同的C/A碼碼供供GPS衛(wèi)星選用。衛(wèi)星選用。n這些這些C/A碼具有相同的碼具有相同的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，即，即碼長碼長N=210-1=1023bit碼元寬碼元寬tu=1/f1=0.98s(相當(dāng)于相當(dāng)于293.1 m)周期

27、周期Tu=Ntu=1ms GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n從這些從這些G(t)碼中選擇碼中選擇32個碼，并以個碼，并以PRN1、PRN2、PRN32來分別來分別命名命名GPS衛(wèi)星。衛(wèi)星。n在在GPS定位中，為測定衛(wèi)星信號的傳播延時，必須定位中，為測定衛(wèi)星信號的傳播延時，必須捕獲捕獲C/A碼。通常需要對碼。通常需要對C/A碼逐個進(jìn)行搜索。碼逐個進(jìn)行搜索。nC/A碼的碼長很短，只有碼的碼長很短，只有1023比特，比特， 易于捕獲。若易于捕獲。若以以50碼元每秒的速度搜索，對于碼元每秒的速度搜索，對于1023個碼元的個碼元的C/A碼，搜索時間只要碼，搜索時間只要20.5

28、 s。通過。通過C/A碼捕獲衛(wèi)星后，碼捕獲衛(wèi)星后，即可獲得導(dǎo)航電文，通過導(dǎo)航電文提供的信息，便即可獲得導(dǎo)航電文，通過導(dǎo)航電文提供的信息，便可以很容易地捕獲可以很容易地捕獲GPS的的P碼。碼。n所以，所以，C/A碼除了作為碼除了作為粗測碼粗測碼外，還可作為外，還可作為GPS衛(wèi)星衛(wèi)星信號信號P碼的碼的捕獲碼捕獲碼。GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)nC/A碼具有以下碼具有以下特點(diǎn)特點(diǎn)： n(1).由于由于C/A碼的碼長較短，碼的碼長較短，易于捕獲易于捕獲，而通，而通過捕獲過捕獲C/A碼所得到的信息，又可以方便地碼所得到的信息，又可以方便地捕獲捕獲P碼。因此，通常稱碼。因此

29、，通常稱C/A碼為碼為捕獲碼捕獲碼。n(2).C/A碼的碼的碼元寬度碼元寬度較大。若兩個序列的碼較大。若兩個序列的碼元相關(guān)誤差為碼元寬度的元相關(guān)誤差為碼元寬度的1/10至至1/100, 則此則此時所對應(yīng)的時所對應(yīng)的測距誤差測距誤差可達(dá)可達(dá)29.3至至2.9 m。 由由于其精度較低，所以稱于其精度較低，所以稱C/A碼為碼為粗測碼粗測碼。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n2).P碼的產(chǎn)生碼的產(chǎn)生nP碼碼(Precise Code)是衛(wèi)星的精測碼，是衛(wèi)星的精測碼，碼速率為碼速率為10.23 MHz，由兩組各有兩個，由兩組各有兩個12級反饋移位寄存器結(jié)合產(chǎn)生。級反饋移位寄

30、存器結(jié)合產(chǎn)生。nP碼產(chǎn)生的基本原理與碼產(chǎn)生的基本原理與C/A 碼相似，但碼相似，但其線路設(shè)計細(xì)節(jié)遠(yuǎn)比其線路設(shè)計細(xì)節(jié)遠(yuǎn)比C/A 碼復(fù)雜，而且碼復(fù)雜，而且嚴(yán)格保密。嚴(yán)格保密。nP碼發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。碼發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n12級反饋移位寄存器產(chǎn)生的級反饋移位寄存器產(chǎn)生的m序列的碼元總數(shù)序列的碼元總數(shù)為為212-1=4095。n采用采用截短截短法，將兩個法，將兩個12級級m序列截短為碼元數(shù)序列截短為碼元數(shù)互為素數(shù)的截短碼互為素數(shù)的截短碼X1a和和X1b。其中。其中X1a的

31、碼元數(shù)的碼元數(shù)為為4092，X1b的碼元數(shù)為的碼元數(shù)為4093。n將將X1a和和X1b通過模二相加或波形相乘，得到周期通過模二相加或波形相乘，得到周期為為40924093的長周期碼。再對乘積碼截短，的長周期碼。再對乘積碼截短，截出周期為截出周期為1.5 s、 碼元數(shù)碼元數(shù)N1=15.345106的的X1碼。碼。n同樣的方法，在另外一組中，兩個同樣的方法，在另外一組中，兩個12級移位寄級移位寄存器產(chǎn)生存器產(chǎn)生X2碼，只是碼，只是X2碼比碼比X1碼周期略長一些，碼周期略長一些，N2=15.345X106+37。 GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n總之，兩個子碼總之，兩個

32、子碼N1和和N2均是由兩個均是由兩個12級移位寄存器產(chǎn)生的截短碼。其碼速率級移位寄存器產(chǎn)生的截短碼。其碼速率均為均為10.23 Mb/s， N2的碼長比的碼長比N1的多的多37個碼元。個碼元。n由由X1與與X2的的乘積碼乘積碼構(gòu)成構(gòu)成P碼，其碼長為碼，其碼長為n相應(yīng)的相應(yīng)的周期周期為為 12235469592765000NNN6266.43810.23 1086400NTday星期GPS理論與應(yīng)用理論與應(yīng)用7.GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)n在乘積在乘積P(t)=X1(t)X2(t+ni)，ni可取可取0,1,2,36。這樣可得到。這樣可得到37種種P碼碼。n在實(shí)際應(yīng)用中，在實(shí)際應(yīng)用中，P碼采用碼采用7天的周期，即在乘天的周期，即在乘機(jī)碼中截取一段周期為機(jī)碼中截取一段周期為7天的天的P碼，并規(guī)定每碼，并規(guī)定每星期六午夜零點(diǎn)使星期六午夜零點(diǎn)使P