1、第4章 GPS卫星信号和GPS信号接收机4.1 GPS卫星信号4.2 GPS信号接收机概述14.1 GPS卫星信号卫星信号一、一、GPS卫星信号的构成卫星信号的构成 二、伪随机噪声码以及二、伪随机噪声码以及C/A码和码和P码码（一）（一）伪随机噪声码伪随机噪声码（了解）（二）（二）粗码粗码C/A码码（三）（三）精码精码P（y）码码 三、三、GPS卫星的导航电文卫星的导航电文数据码（数据码（D码）码）（一）（一）导航电文及其格式导航电文及其格式 （二）（二）导航电文的内容导航电文的内容 四、四、GPS卫星信号的卫星信号的调制调制和和解调解调 2一、一、GPS卫星信号的构成卫星信号的构成三种信号分
2、量，三种信号分量，如图：43 p载波L1载波：L2载波：选择两个载频主要目的在于：测量出或消除由于电离层效应而引起的延迟误差。p测距码（C/A码和P码）p数据码（导航电文或D码）MHzffL42.157515401cm03.191MHzffL60.122712002cm42.2423图43 GPS信号的产生10.23MHz4（一）（一）伪随机噪声码伪随机噪声码1、码的基本概念、码的基本概念 码或码序列码或码序列：表达不同信息的二进制数及其组合。码元：码元：在二进制中，一位二进制数叫做一个码元或一比特比特（Binarydigitbit，为码的度量单位）编码：编码：将各种信息，如声音、图像和文字等
3、通过量化，并按照某种预定的规则，表示为二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。数码率：数码率：在二进制数字化信息的传输中，每秒钟传输的比特数。单位为bit/s或记为BPS。2、伪随机噪声码伪随机噪声码 3、伪随机噪声码的产生伪随机噪声码的产生m序列序列5图：码序列码元0对应码状态1；码元1对应码状态1。码元0和1分别对应一个幅值。62、伪随机噪声码 伪随机噪声码（Pseudo Random Noise）是一组具有良好的自相关特性自相关特性、且按照某种确定的编码规则产生的具有一定周期、容易复制、取值0和1的二进制码序列。自相关系数BABAtR)(A为相同的码元数（同为0或1）；B为相异的码元数。
4、72、伪随机噪声码（续）当平移的码元数k0或整周期平移时，平移前后两码序列的结构相同结构相同，其对应的码元均相互对齐，自相关系数R(t)1；GPS接收机就是利用伪随机码的自相关系数R(t)是否等于1？来判断所接收的伪噪声码和机内复制产生的伪噪声码是否达到对齐同步对齐同步；捕获和识别GPS卫星，解译出该卫星的导航电文，并测定站星距离。83、伪随机噪声码的产生m序列（1）m序列：由“多级反馈移位寄存器”产生的周期最大的二进制码序列。（2）反馈移位寄存器的工作原理（四级）（3）m序列的自相关系数（4）m序列的主要特点 9移位寄存器 移位寄存器，由一组连接在一起的存储单元存储单元组成，每个存储单元只有
5、0或1两种状态；有两个控制脉冲：钟脉冲和置“1”脉冲；移位寄存器，在钟脉冲的驱动和置“1”脉冲的作用下而工作。10（2）四级反馈移位寄存器的工作原理 在钟脉冲的驱动下，每个存储单元的内容，顺序地由上一存储单元转移到下一单元，而最后一个存储单元的内容便输出；同时，将其中某几个存储单元（如单元单元3 3和单元和单元4 4）的内容进行模二相加模二相加，再作为输入输入，反馈反馈给第一个存储单元。11反馈移位寄存器的工作原理（续）4级反馈移位寄存器在钟脉冲的驱动下，由全全“1”状态，状态，将经历15=24-1种不同的状态，之后回到其初始状态，称为完成一个最大周期完成一个最大周期。同时，从第4级存储单元，
6、便输出一个最大周期为15个码元的二进制码序列，即为m序列。如图45a和45b。当然，也可以从任何一个初始状态开始，移位15次，便又回到其初始状态，完成一个最大周期。12反馈移位寄存器的工作原理（续）码长：在m序列的每一周期中，最多可能包含码元的个数N N2 2r r1 1，称为码长。码元的宽度：钟脉冲的时间间隔t t m序列的最大周期：T TN Nt t 对于一个r级反馈移位寄存器来说，将会产生更为复杂的周期性m序列。其可能经历的状态有（N2r1）个。13表：四级反馈移位寄存器状态序列1 1 1 114图4-5b：四级m序列的产生15图4-5a：四级m序列的产生16（3）m序列的自相关系数 m
7、序列的均衡性：在一个m序列周期中，状态为“1”的个数，总比状态为“0”的个数多1个。m序列的自相关系数,.2,0t1,.2,0t1)(mmmmmtR当当并且随着r增大，自相关系数R（t）将很快趋近于0。所以，m序列具有良好的自相关性。码长m2r1（48）17（4）m序列的主要特点 具有良好的自相关性 结构确定，便于复制 具有周期性m序列的最大周期：TNt 码长N2r1 码元的宽度t18（二）（二）粗码粗码C/A码码“C/A码是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码”1 1、C/AC/A码的产生码的产生 2 2、C/AC/A码的码长、码元宽度、周期、数码码的码长、码元宽度、周期、数码率率3 3
8、、C/AC/A码的特点码的特点 191 1、C/AC/A码的产生码的产生 C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的组合码，称为G码（果尔德码，Gold码）两个10级移位寄存器于每星期日子夜零时，在置“1”脉冲作用下处于全“1”状态，同时在频率为 钟脉冲驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为N210-11023，周期为lms的两个m序列G1（t）和G2（t）。G2（t）序列经过相位选择器，输出一个与G2（t）平移等价的m序列，然后与G1(t)进行模2相加，便得到C/A码。如图47：MHzff023.110/01201、C/A码的产生（续）根据C/A码的产生过程，可知：共可能产生1023种
9、结构不同的C/A码。但这些结构不同的C/A码具有相同的码长、码元宽度、周期、数码率。因此，不同的GPS卫星便可采用结构不同的C/A码从中选择32个结构不同的C/A码，分别以PRNl.PRN32命名各颗GPS卫星。21图4-7：C/A码构成示意图222、C/A码的码长、码元宽度、周期、数码率（1）码长：（2）码元宽度：（3）周期：（4）数码率：bitNu10231210sftu98.0/11msNtTuu1sMbit/023.1相当于293.l m 233 3、C/AC/A码的特点码的特点（1）C/A码的码长码长很短，易于捕获。又称捕获码。（2）C/A码的码元宽度较大，测距精度较低，故称为粗码。
10、因此，C/A码是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。24（三）（三）精码精码P（y）码）码1、P码的产生码的产生P码产生的基本原理与C/A码相似，是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的。而伪随机码PN1(t)和PN2(t)分别是由两个12级反馈移位寄存器构成的m序列，情况更为复杂。2、P码的码长、码元宽度、周期、数码率码的码长、码元宽度、周期、数码率 3、P码的特点码的特点 252、P P码码的码长、码元宽度、周期、数码率（1）码长：（2）码元宽度：（3）周期：（4）数码率：bitNu141035.2天267uuNtTsMbit/23.10相当于29.3m sfftPu0
11、98.01/10263、P码的特点码的特点（2）P码的码元宽度仅为C/A码的码元宽度的1/10，测距精度较高，故称为精测码。（3）根据美国国防部规定，P码是专为军用的。由于AS的实施，P码又称为P（Y）码。（1）P码的码长很长，不易捕获。通常是先捕获C/A码，然后根据导航电文所提供的信息（Z计数计数），进一步捕获P码。27（一）（一）导航电文及其格式导航电文及其格式1、导航电文：就是包含有关卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码），是用户用来定位和导航的数据基础。2、导航电文的格式导航电文是二进制编码文件，按规定格式组成数据帧，按帧
12、向外播发。282、导航电文的格式“子帧1、2、3和子帧4、5的每一页，均构成一个主帧”292、导航电文的格式（续）因此，完整的导航电文共含有25个主帧，含有37500bit，需要750s（12.5min）才能播完，然后再重复，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。第1、2、3子帧每30s重复一次，内容为该卫星的广播星历和卫星钟修正参数广播星历和卫星钟修正参数，每小时更新一次。第4、5子帧中存放所有空中GPS卫星的历历书数据书数据，信息量很大。30（二）导航电文的内容TLMTLMTLMTLMTLMHOWHOWHOWHOWHOW数据块数据块1 1 数据块数据块2 2 数据块数据块2 2 数据
13、块数据块3 3 数据块数据块3 3 311、遥测码（TLW，即Telemetry Word）遥测码位于各子帧的开头字码（30bit）遥测码的第18bit是同步码使用户便于解译导航电文。第922bit为遥测电文，其中包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。第23和第24bit是连接码；第2530bit为奇偶检验码用于发现和纠正错误。322、转换码（HOW，即Hand Over Word）转换码位于每个子帧的第二个字码。主要功能是向用户提供用于捕获P码的Z计数。Z Z计数计数：就是一个时间计数，它以从每星期起始时刻开始播发的D码（导航电文）子帧数为单位，给出了下一个子帧开始瞬间的
14、GPS时间。用户可以根据Z计数，将接收机时钟精确对准GPS时，预先确定本机复制P码的移动量，使本机复制P码与接收P码快速匹配，从而快速捕获P码。333、第一数据块 位于第1子帧的第310字码，主要内容：（1 1）时延差）时延差TgdTgd改正改正（2 2）星期序号）星期序号WNWNWN表示从1980年1月6日子夜零点(UTC)起算的星期数，即GPS周数。343、第一数据块（续）（3 3）卫星时钟改正）卫星时钟改正 卫星钟差：由于GPS卫星钟的不稳定性，使得卫星钟时间和标准GPS时间之间存在着差值。卫星时钟改正参数为钟差a0，钟速a1，钟速变率a2。任意时刻t的卫星钟差改正计算：2210)()(
15、ococsttattaat（42）（4 4）t tococ卫星时钟改正参数对应的参考时刻卫星时钟改正参数对应的参考时刻353、第一数据块（续）（5）时钟数据龄期）时钟数据龄期AODCAODC是卫星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。（6）调制码标志）调制码标志表示L2载波是采用P码或C/A码调制。“01”为P码调制，“10”为C/A码调制。（7）卫星测距精度）卫星测距精度URA表示用户使用该卫星可能达到的测距精度。URA 2N（m），N为卫星测距精度因子。（8）第）第3字的第字的第17bit表示导航数据是否正常表示导航数据是否正常“0”表示正常，“1”表示有错误。364、第
16、二数据块第二数据块（1 1）开普勒轨道）开普勒轨道6 6参数参数（2 2）轨道摄动九参数）轨道摄动九参数 000,MieaisicrsrcusucCCCCCCIn,位于第2和第3子帧的第310字，是导航电文的核心部分，内容为GPS卫星星历数据。（3 3）时间二参数）时间二参数 从星期日子夜零点开始起算的星历参考时刻toe；星历表的数据龄期AODE，即星历数据的外推时间长度 375、第三数据块、第三数据块 位于第4和第5两个子帧，内容包括所有GPS卫星的历书数据。GPS历书的作用：有助于缩短捕获所观测卫星信号的时间。有利于用户选择适宜的观测卫星，并构成最佳的几何图形，以提高定位的精度。GPS历书
17、：是指GPS卫星的概略星历、卫星钟的概略改正数及卫星工作状态信息等。385、第三数据块（续）、第三数据块（续）（1）第4子帧 第2，3，4，5，7，8，9，10页提供第2532颗卫星的历书卫星的历书；第17页提供专用电文；第18页给出电离层改正模型参数电离层改正模型参数和UTCUTC数据数据；第25页提供所有卫星的型号卫星的型号、反电子欺骗反电子欺骗ASAS特征符特征符和第2532颗卫星的健康状况卫星的健康状况；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。395、第三数据块第三数据块（续）（续）（2 2）第）第5 5子帧子帧 第124页
18、面给出第124颗卫星的历书卫星的历书；第25页面给出第124颗卫星的健康状况卫星的健康状况和星星期编号期编号；第4和第5子帧每个页面的第3个字码，第18bit有特殊含义：第12bit为电文识别（DATA ID）第38bit为卫星识别（SV ID）40（一）（一）GPS卫星信号的调制卫星信号的调制 1、调制：、调制：在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程。载波L1上调制有C/A码、P（Y）码和数据码；载波L2上只调制有P（Y）码和数据码，没有C/A码 2、GPSGPS卫星信号的相位调制卫星信号的相位调制GPS卫星的测距码和数据码，是采用调相技术调相技
19、术调制到载波上的。412、GPSGPS卫星信号的相位调制卫星信号的相位调制调制码的幅值只取0或1 当码值取0时，对应的码状态码状态取为+1；而码值取1时，对应的码状态码状态取为-1；载波和相应的码状态相乘 载波与码状态1（码值为0）相乘时，其相位不变 而当载波与码状态一1（码值为1）相乘时，其相位改变1800当码值从0变为1或从1变为0时，将使载波相位改变1800，从而实现载波的相位调制。如图所示：42图：GPS卫星信号的调制示意图43（二）（二）GPS卫星信号的解调卫星信号的解调 1、概念、概念GPS卫星信号的调制，使得载波的相位发生了变化。在GPS定位中，当用户接收机接收到卫星信号后，必须
20、恢复载波的相位，才能进行载波相位测量，这一过程称为解调。2、技术方法、技术方法（1）复制码与卫星信号相乘复制码与卫星信号相乘（2 2）平方解调技术平方解调技术 44（1）复制码与卫星信号相乘复制码与卫星信号相乘 接收的卫星信号与接收机产生的复制测距复制测距码信号码信号，在两种码信号同步同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。同时，恢复的载波中还含有数据码（导航电文）。45（2 2）平方解调技术平方解调技术 将接收到的卫星信号进行平方，由于码状态为1的调制码信号调制码信号，经平方后均为1，而1对载波相位不产生影响。因此达到解调的目的。但是平方解调技术，在解调的过程中，不仅去掉了卫星信号中的测距码测距码，而且同时也去掉了导航电文导航电文（数据码D码）。46
