第二章GPS衛(wèi)星定位基礎(chǔ)

第二章、GPS衛(wèi)星定位基礎(chǔ)含教材二、三、四章主要內(nèi)容2.1、時(shí)間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)；（重點(diǎn)）2.2、衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)；2.3、GPS衛(wèi)星信號(hào)；2.4、美國政府的GPS政策及其現(xiàn)代化2.1、時(shí)間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)一、GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)GPS定位測(cè)量涉及兩類坐標(biāo)系，即天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系。天球坐標(biāo)系是一種慣性坐標(biāo)系。即其坐標(biāo)原點(diǎn)和各坐標(biāo)軸的指向在空間保持不動(dòng)，可較方便地描述衛(wèi)星的運(yùn)行位置和狀態(tài)。而地球坐標(biāo)系則是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，用于描述地面測(cè)站的位置。本節(jié)介紹幾種主要的天球和地球坐標(biāo)系，以及坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換模型。GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

1、慣性坐標(biāo)系—天球坐標(biāo)系?定義：沒有加速度的系統(tǒng)?=>可以應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律?在此系統(tǒng)中，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)滿足下式：F=ma?已知作用在衛(wèi)星上的力，衛(wèi)星的速度和位置可用加速度完整地描述?可以非常方便地定義此系統(tǒng)與地球的關(guān)系GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

歲差和章動(dòng)?歲差和章動(dòng):地球自轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)?原因:日、月、地球與其他星體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，地球內(nèi)部質(zhì)量分布的不均勻。?歲差：歲差就指平北天極的以北黃極為中心，以黃赤交角ε為半徑的一種順時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)。長周期的緩慢運(yùn)動(dòng)(25800年)?章動(dòng)：章動(dòng)是指真北天極繞平北天極所作的順時(shí)針橢圓運(yùn)動(dòng)。短周期運(yùn)動(dòng)，周期約18.6年GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

2、地心坐標(biāo)系——Earth-CenteredInertialCoordinateSystem?定義:–原點(diǎn):地球質(zhì)心–z軸:地球的自轉(zhuǎn)軸–x-y平面:與地球赤道面重合–x軸:指向格林威治起始子午線與地球赤道面的交點(diǎn)–y軸:與x軸、z軸構(gòu)成右手系GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

極移：地極在地球表面上的位置隨時(shí)間而變化，這種現(xiàn)象稱為地極移動(dòng)。GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

3、天球坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換（1）歲差旋轉(zhuǎn)、章動(dòng)旋轉(zhuǎn)（平天球——真天球）（2）旋轉(zhuǎn)真春分點(diǎn)時(shí)角（真天球——真地球）（3）極移旋轉(zhuǎn)（真地球——協(xié)議平地球—WGS84)

GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)4、WGS-84坐標(biāo)系該坐標(biāo)系由美國國防部研制，自1987年1月10日開始起用。WGS—84坐標(biāo)系的原點(diǎn)為地球質(zhì)心M；Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地極(CTP—ConventionalTerrestrialPole)；X軸指向BIH1984.0定義的零子午面與CTP相應(yīng)的赤道的交點(diǎn)；Y軸垂直于XMZ平面，且與Z、X軸構(gòu)成右手系。WGS—84坐標(biāo)系采用的地球橢球，稱為WGS—84橢球，其常數(shù)為國際大地測(cè)量學(xué)與地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUGG)第17屆大會(huì)的推薦值。GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

5、參心坐標(biāo)系?定義:–原點(diǎn):參考橢球中心–z軸:指向與地球的自轉(zhuǎn)軸平行的參考橢球的短軸–x-y平面:與地球赤道面重合–x軸:指向起始子午面與地球赤道面的交點(diǎn)–y軸:與x軸、z軸構(gòu)成右手系１９５４年北京坐標(biāo)系、１９８０年國家大地坐標(biāo)系、新１９５４年北京坐標(biāo)系GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)

GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)二、GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)?時(shí)間:

測(cè)量周期性運(yùn)動(dòng)的指標(biāo)?時(shí)鐘:–鐘擺，機(jī)械表–地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)–石英表–原子時(shí)(銫—cesium,銣—rubidium,氫—hydrogen)GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)GPS衛(wèi)星作為一個(gè)高空動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，其位置是隨時(shí)間不斷變化的。因此，在給出衛(wèi)星運(yùn)行位置的同時(shí)，必須給出相應(yīng)的瞬間時(shí)刻。并且，衛(wèi)星位置的精度和時(shí)刻的精度密切相關(guān)，例如：當(dāng)要求GPS衛(wèi)星的位置誤差小于1cm時(shí)，相應(yīng)的時(shí)刻誤差應(yīng)小于2.6×10-6s。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)GPS測(cè)量是通過接收和處理GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)，來確定用戶接收機(jī)(即觀測(cè)站)至衛(wèi)星間的距離，進(jìn)而確定觀測(cè)站的位置。而欲準(zhǔn)確地測(cè)定測(cè)站至衛(wèi)星的距離，就必須精密地測(cè)定信號(hào)的傳播時(shí)間。如果要求站星距離誤差小于1cm，則信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定誤差應(yīng)不超過3×10-11s。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)

由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標(biāo)系中，地球上點(diǎn)的位置是不斷變化的。若要求赤道上一點(diǎn)的誤差不超過1cm，則時(shí)間的測(cè)定誤差須小于2×10-6s。顯然，利用GPS技術(shù)進(jìn)行精密定位與導(dǎo)航，應(yīng)盡可能獲得高精度的時(shí)間信息，這就需要一個(gè)精確的時(shí)間系統(tǒng)。以下介紹與GPS測(cè)量有關(guān)的幾種時(shí)間系統(tǒng)，即：世界時(shí)，原子時(shí)和力學(xué)時(shí)。確定一個(gè)時(shí)間系統(tǒng)和確定其他測(cè)量基準(zhǔn)一樣，要定義時(shí)間單位(尺度)和原點(diǎn)(起始?xì)v元)。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)1、世界時(shí)系統(tǒng)：世界時(shí)系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的一種時(shí)間系統(tǒng)。1）恒星時(shí)：如果以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，則由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間，稱為恒星時(shí)。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)2）太陽時(shí)：太陽時(shí)有真太陽時(shí)和平太陽時(shí)(MeanSolarTime——MT)兩種。

如果以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)的參考點(diǎn)，那么由真太陽周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間，稱為真太陽時(shí)。

平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時(shí)間間隔，為一個(gè)平太陽日，而一個(gè)平太陽日包含有24個(gè)平太陽時(shí)。平太陽時(shí)也具有地方性，故常稱為地方平太陽時(shí)。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)3）世界時(shí)：UniversalTime—UT，以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽時(shí)稱為世界時(shí)UT。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)2、原子時(shí)：隨著空間科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代天文學(xué)和大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展，對(duì)時(shí)間系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求不斷提高。以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時(shí)系統(tǒng)，已難以滿足要求。為此，人們從20世紀(jì)50年代，便建立了以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)的特征為基礎(chǔ)的原子時(shí)間系統(tǒng)。

因?yàn)槲镔|(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具有很高的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，所以由此而建立的原子時(shí)，便成為當(dāng)代最理想的時(shí)間系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)原子時(shí)秒長的定義為：位于海平面上的銫［133］原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能極，在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間，為一原子時(shí)秒。該原子時(shí)秒作為國際制秒(SI)的時(shí)間單位。這一定義嚴(yán)格地確定了原子時(shí)的尺度，而原子時(shí)的原點(diǎn)由下式確定：AT＝UT2-0.0039(s)GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)

原子時(shí)出現(xiàn)后，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，許多國家都建立了各自的地方原子時(shí)系統(tǒng)。但不同的地方原子時(shí)之間存在著差異。為此，國際上大約有100座原子鐘，通過相互比對(duì)，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時(shí)系統(tǒng)，稱為國際原子時(shí)(International

AtomicTime——IAT)。原子時(shí)是通過原子鐘來守時(shí)和授時(shí)的，因此，原子鐘振蕩器頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度便決定了原子時(shí)的精度。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)3、力學(xué)時(shí)(DynamicTime——DT)

力學(xué)時(shí)是天體力學(xué)中用以描述天體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間單位。根據(jù)天體運(yùn)動(dòng)方程，所對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)不同，力學(xué)時(shí)又分為質(zhì)心力學(xué)時(shí)和地球力學(xué)時(shí)的兩種形式。

質(zhì)心力學(xué)時(shí)(BarycentricDynamicTime——TDB)，是相對(duì)太陽系質(zhì)心的天體運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù)。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)

地球力學(xué)時(shí)(TerrestrialDynamicTime——TDT)，是相對(duì)地球質(zhì)心的天體運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù)。地球力學(xué)時(shí)(TDT)的基本單位是國際制秒(SI)，與原子時(shí)的尺度一致。國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)決定，于1977年1月1日原子時(shí)(IAT)0時(shí)與地球力學(xué)時(shí)的嚴(yán)格關(guān)系定義如下：TDT＝IAT＋32.184(s)GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)

若以T表示地球力學(xué)時(shí)(TDT)與世界時(shí)(UT1)之差的差，則由上式可知ΔT＝TDT-UT1＝IAT-UT1＋32.184(s)

該差值可通過國際原子時(shí)與世界時(shí)的比對(duì)而確定，通常載于天文年歷中。

在GPS測(cè)量中，地球力學(xué)時(shí)作為一種嚴(yán)格均勻的時(shí)間尺度和獨(dú)立的變量而用于描述衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)4、協(xié)調(diào)世界時(shí)——(CoordinateUniversalTime—UTC)

在許多應(yīng)用部門，如大地天文測(cè)量、天文導(dǎo)航和空間飛行器的跟蹤定位等部門，當(dāng)前仍需要以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時(shí)。但是，由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢(shì)，近20年來，世界時(shí)每年比原子時(shí)約慢1s，兩者之差逐年積累。為了避免發(fā)播的原子時(shí)與世界時(shí)之間產(chǎn)生過大的偏差，所以，從1972年便采用了一種以原子時(shí)秒長為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)的一種折衷的時(shí)間系統(tǒng)，這種時(shí)間系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)，或簡稱協(xié)調(diào)時(shí)。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)

協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長嚴(yán)格等于原子時(shí)的秒長，采用閏秒(或跳秒)的辦法使協(xié)調(diào)時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻相接近。當(dāng)協(xié)調(diào)時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻差超過±0.9s時(shí)，便在協(xié)調(diào)時(shí)引入一閏秒(正或負(fù))，閏秒一般在12月31日或6月30日末加入。具體日期由國際時(shí)間局安排并通告。為了使用世界時(shí)的用戶得到精度較高的UT1時(shí)刻，時(shí)間服務(wù)部門在發(fā)播協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)時(shí)號(hào)的同時(shí)，還給出UT1與UTC的差值。這樣用戶便可容易地由UTC得到相應(yīng)的UT1。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)目前，幾乎所有國家時(shí)號(hào)的發(fā)播，均以UTC為基準(zhǔn)。時(shí)號(hào)發(fā)播的同步精度約為±0.2ms，考慮到電離層折射時(shí)的影響，在一個(gè)臺(tái)站上接收世界各國的時(shí)號(hào)，其互差將不會(huì)超過±1ms。GPS衛(wèi)星定位的時(shí)間系統(tǒng)5、GPS時(shí)間系統(tǒng)(GPST)

為了保證導(dǎo)航和定位精度，全球定位系統(tǒng)(GPS)建立了專門的時(shí)間系統(tǒng)，簡稱GPST。

GPST屬原子時(shí)系統(tǒng)，其秒長為國際制秒(SI)，與原子時(shí)相同，但其起點(diǎn)與國際原子時(shí)(IAT)的起點(diǎn)不同。因此GPST與IAT之間存在一個(gè)常數(shù)差，它們的關(guān)系為：IAT-GPST＝19(s)GPST與協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)規(guī)定于1980年1月6日0時(shí)相一致，其后隨著時(shí)間成整倍數(shù)積累，至1987年該差值為4s。

GPST由主控站原子鐘控制。2.2衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)

假如地球是一質(zhì)量分布均勻的球體，因此地球的引力就等效于一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的引力。地球可視為質(zhì)量全部集中在其質(zhì)心的質(zhì)點(diǎn)，衛(wèi)星當(dāng)然同樣可以看作是質(zhì)量集中的質(zhì)點(diǎn)。

研究兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)在萬有引力作用下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題，在天體力學(xué)中稱為二體問題。在二體問題意義下，地球人造衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng)，稱為正常軌道運(yùn)動(dòng)。衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星軌道：衛(wèi)星在空間繞地球飛行時(shí)的的運(yùn)行軌跡。無攝運(yùn)動(dòng)：僅僅考慮地球的質(zhì)心引力對(duì)衛(wèi)星的引力作用來研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。受攝運(yùn)動(dòng)：衛(wèi)星在各種引力作用下的運(yùn)動(dòng)，或衛(wèi)星在攝動(dòng)力下的運(yùn)動(dòng)。衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)1、衛(wèi)星軌道在固定的軌道上運(yùn)行，在地球引力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。二體運(yùn)動(dòng)（無攝運(yùn)動(dòng)）：研究兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)在萬有引力作用下的下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題，在天體力學(xué)中稱為二體問題。二體運(yùn)動(dòng)是一種理想狀態(tài)下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)：（1）視地球?yàn)橐焕硐氲木|(zhì)球體（2）在一理想的引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)（地球與衛(wèi)星之間）衛(wèi)星受地球的引力為：衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)遵從開普勒三大定律開普勒第一定律：衛(wèi)星在通過地球質(zhì)心的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其向徑掃過的面積與所經(jīng)歷的時(shí)間成正比。（衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行的速度不等，是不斷變化的，在近地點(diǎn)速度快，在遠(yuǎn)地點(diǎn)速度慢，隨引力的變化而變化）衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星開普勒正常運(yùn)動(dòng)軌道的六個(gè)參數(shù)：1）軌道平面參數(shù)：i為軌道平面傾角；Ω為升交點(diǎn)赤經(jīng)。2）軌道橢圓形狀參數(shù)：a為軌道橢圓長半徑；e為軌道橢圓離心率。3）軌道橢圓定向參數(shù)：f(或w)為近升角距。4）時(shí)間參數(shù)：τ為衛(wèi)星通過近地點(diǎn)的時(shí)刻。衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)如果已知這6個(gè)軌道參數(shù)，就惟一地確定了二體問題意義下衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。換句話說，只要已知這6個(gè)軌道參數(shù)，就可以計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)位置和瞬時(shí)速度。由這6個(gè)軌道參數(shù)所構(gòu)成的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱為軌道坐標(biāo)系統(tǒng)，它廣泛用于描述衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。這6個(gè)軌道參數(shù)的大小則由衛(wèi)星的發(fā)射條件決定。衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)受攝運(yùn)動(dòng)：受太陽引力、月亮引力、地球潮汐、光輻射等的影響下衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。改正值：9個(gè)改正參數(shù)。衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)2、衛(wèi)星星歷廣播星歷：也叫預(yù)報(bào)星歷，是指相對(duì)參考?xì)v元的外推星歷。參考?xì)v元瞬間的衛(wèi)星星歷(即參考星歷)，由GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控站根據(jù)大約一周的觀測(cè)資料計(jì)算而得，為參考?xì)v元瞬間衛(wèi)星的軌道參數(shù)。預(yù)報(bào)星歷的內(nèi)容包括：參考?xì)v元瞬間的kepler軌道6參數(shù)，反映攝動(dòng)力影響的9個(gè)參數(shù)，以及參考時(shí)刻參數(shù)和星歷數(shù)據(jù)齡期，共計(jì)17個(gè)星歷參數(shù)。用戶接收機(jī)在接收到衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文后，通過解碼即可直接獲得預(yù)報(bào)星歷。由于預(yù)報(bào)星歷是以電文方式由衛(wèi)星直接播送給用戶接收機(jī)，因此又稱為廣播星歷。衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)后處理星歷：后處理星歷是不含外推誤差的實(shí)測(cè)精密星歷，它由地面跟蹤站根據(jù)精密觀測(cè)資料計(jì)算而得，可向用戶提供用戶觀測(cè)時(shí)刻的衛(wèi)星精密星歷，其精度目前為米級(jí)，將來可望達(dá)到分米級(jí)。但是，用戶不能實(shí)時(shí)通過衛(wèi)星信號(hào)獲得后處理星歷，只能在事后通過磁帶、網(wǎng)絡(luò)、電傳等通訊媒體向用戶傳遞。２.３GPS衛(wèi)星信號(hào)GPS衛(wèi)星定位測(cè)量是通過用戶接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)來測(cè)定測(cè)站坐標(biāo)的，那么究竟什么是GPS衛(wèi)星信號(hào)呢?粗略地說，GPS衛(wèi)星信號(hào)包括測(cè)距碼信號(hào)(即P碼和C/A碼信號(hào))、導(dǎo)航電文(或稱D碼，即數(shù)據(jù)碼信號(hào))和載波信號(hào)。GPS衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制和解調(diào)都非常復(fù)雜，涉及到現(xiàn)代數(shù)字通訊理論和技術(shù)方面的若干高科技問題。作為GPS信號(hào)用戶，雖然可以不去深入鉆研這些問題，但了解其基本知識(shí)和概念，將有助于理解GPS衛(wèi)星導(dǎo)航和定位測(cè)量的原理，因而仍舊是十分必要的。２.３GPS衛(wèi)星信號(hào)1GPS信號(hào)的組成用于導(dǎo)航定位的GPS信號(hào)由三部分組成：?測(cè)距碼（C/A碼和P碼（Y碼））?載波（L1，L2和L5三個(gè)民用頻率）?導(dǎo)航電文（數(shù)據(jù)碼，D碼）2碼、隨機(jī)噪聲碼和偽隨機(jī)噪聲碼（1）碼：表達(dá)表達(dá)信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合。（2）隨機(jī)噪聲碼：每一時(shí)刻，碼元是0或是1完全是隨機(jī)的一組碼序列，這種碼元幅值是完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機(jī)噪聲碼序列。它是一種非周期序列，無法復(fù)制。但是，隨機(jī)噪聲碼序列卻有良好的自相關(guān)性，GPS碼信號(hào)測(cè)距就是利用了GPS測(cè)距碼的良好的自相關(guān)性才獲得成功。（3）偽隨機(jī)噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)雖然隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)特性，但由于它是一種非周期性的碼序列，沒有確定的編碼規(guī)則，所以實(shí)際上無法復(fù)制和利用。因此，為了能夠?qū)嶋H應(yīng)用，GPS采用了一種偽隨機(jī)噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)，簡稱偽隨機(jī)碼或偽碼。這種碼序列的主要特點(diǎn)是，不僅具有類似隨機(jī)碼的良好自相關(guān)特性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。它是周期性的、可人工復(fù)制的碼序列。偽隨機(jī)噪聲碼表面上看無規(guī)律，實(shí)際上有一定的規(guī)律和周期性，且可以復(fù)制。偽隨機(jī)噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)由多級(jí)反饋移位寄存器產(chǎn)生。這種移位寄存器由一組連接在一起的存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元只有“0”或“1”兩種狀態(tài)，并接受鐘脈沖和置“1”脈沖的驅(qū)動(dòng)和控制。假定一由4個(gè)存儲(chǔ)單元組成的四級(jí)反饋和移位寄存器，如下圖所示。在鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，每個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，都按次序由上一單元轉(zhuǎn)移到下一單元，而最后一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容便輸出。并且，其中某兩個(gè)存儲(chǔ)單元，例如單元3和4的內(nèi)容進(jìn)行模二相加，再反饋輸入給第一存儲(chǔ)單元。

當(dāng)移位寄存器開始工作時(shí)，置“1”脈沖使各級(jí)存儲(chǔ)單元全處于“1”狀態(tài)，此后在鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，移位寄存器將經(jīng)歷15種不同的狀態(tài)，然后再返回到全“1”狀態(tài)，從而完成了一個(gè)周期。在四級(jí)反饋移位寄存器經(jīng)歷上述15種狀態(tài)的同時(shí)，其最末級(jí)存儲(chǔ)單元輸出了一個(gè)具有15個(gè)碼元，且周期為15的二進(jìn)制數(shù)碼序列，稱為m序列。表示鐘脈沖的時(shí)間間隔，也就是碼元的寬度。3測(cè)距碼?方波?偽隨機(jī)噪聲碼?兩種測(cè)距碼：–C/A碼-粗碼?碼速：1.023MHz?碼元長度：293m–P(Y)碼-精碼?碼速：10.23MHz?碼元長度：29.3m—C/A碼-粗碼C/A碼的碼長、碼元寬度、周期和數(shù)碼率為：碼長Nu=210-1=1023bit；碼元寬度tu≈0.97752μs，相應(yīng)長度293.1m；周期Tu=Nutu=1ms；數(shù)碼率BPS＝1.023Mbit/s。各顆GPS衛(wèi)星所使用的C/A碼，其上述四項(xiàng)指標(biāo)都相同但結(jié)構(gòu)相異，這樣既便于復(fù)制又容易區(qū)分。C/A碼有如下2個(gè)特點(diǎn)：(1)C/A碼的碼長很短，易于捕獲。在GPS導(dǎo)航和定位中，為了捕獲C/A碼以測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)傳播的時(shí)延，通常需要對(duì)C/A碼逐個(gè)進(jìn)行搜索。因?yàn)镃/A碼總共只有1023個(gè)碼元，所以若以每秒50碼元的速度搜索，只需要約20.5s便可完成。由于C／A碼易于捕獲，而且通過捕獲的C/A碼所提供的信息，又可以方便地捕獲P碼，所以通常C／A碼也稱為捕獲碼。(2)C/A碼的碼元寬度較大。假設(shè)兩個(gè)序列的碼元對(duì)齊誤差為碼元寬度的1/10～1/100，則這時(shí)相應(yīng)的測(cè)距誤差可達(dá)29.3～2.9m。由于其精度較低，所以C/A碼也稱為粗碼。所以，C/A碼的原意就是粗捕獲碼(CoarseAcguisitonCode)?！狿(Y)碼-精碼P碼由兩組各由兩個(gè)12級(jí)反饋移位寄存器的電路發(fā)生，其基本原理與C/A碼相似，但其線路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)遠(yuǎn)比C/A碼復(fù)雜并且嚴(yán)格保密。P碼的特征是：碼長Nu≈2.35×1014bit；碼元寬度tu≈0.097752μs，相應(yīng)長度29.3m；周期Tu=Nntu≈267d；數(shù)碼率BPS＝10.23Mbit/s。實(shí)際上P碼的一個(gè)整周期被分為38部分，每一部分周期7d，碼長約6.19×1012bit。其中，5部分由地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同的衛(wèi)星，1