GNSS原理与应用（五）——GPS卫星信号

目录

１、前言

２、GPS卫星信号的组成

２.１关于GPS的三种信号

２.２GPS卫星信号结构

２.３GPS卫星信号频率

３、载波

３.１载波的作用

３.２载波的类型

３.３载波的特点

４、GPS的测距码信号

４.１基本知识

４.２随机噪声码

４.２.１随机噪声码的定义

４.２.２随机噪声码的特点

４.２.３随机噪声码的自相关性

４.３伪随机噪声码

４.３.１伪随机噪声码的特点

４.３.２伪随机噪声码的产生

４.４C/A码（Coarse/Acquisition Code）

４.５P码（Precise Code）

５、GPS卫星的导航电文

5.1导航电文格式

5.2导航电文内容

６、GPS信号的调制与解调

6.1卫星载波信号

6.2卫星载波信号的调制

6.3卫星载波信号的解调

７、课后习题

８、参考材料

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１、前言

       写在前面，其实这段内容每次都是我最后才写好。因为我自己也是一个复习的过程，所以在没有复习之前，也没有很好的把握这一章节的重点。

       本节主要是对GPS的卫星信号进行介绍，依次向大家介绍信号的组成、分类、产生、信号之间的关系与信号中包含的内容。其中需要重点掌握的有信号包含中包含的内容，如若有感兴趣且有能力的同学可以重点学习与掌握如何调制与解调信号。

２、GPS卫星信号的组成

　　GPS发射的卫星信号由载波、测距码与导航电文三部分组成

２.１关于GPS的三种信号

２.２GPS卫星信号结构

２.３GPS卫星信号频率

• 由卫星上的原子钟直接产生；
• 频率为１０.２３ＭＨｚ
• 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或者分频，如上图。

３、载波

３.１载波的作用

载波：可运载调制信号的高频振荡波。

作用：

1. 搭载其它调制信号
2. 测距
3. 测定多普勒频移

３.２载波的类型

目前：处于微波的L波段，L１与L２；

 现代化后：为了更好的消除电离层延迟，组成更多的线性组合观测值。

 提问：为什么要用L波段的无线电信号来做载波？

　　频率过低（ｆ＜１ＧＨｚ）电离层延迟严重，改正后的残余误差也较大；频率过高，信号受水汽吸收和氧气吸收谐振严重，而L波段的信号则较为适中。

３.３载波的特点

1. 所选择的频率有利于测定多普勒频移
2. 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响
3. 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟 （电离层折射延迟与信号的频率有关）

４、GPS的测距码信号

　　测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码。

４.１基本知识

• 码（code）:表达不同信息的二进制数组合。
• 编码（coding）：将文字，图像、声音等信息， 按照一定规则，表示为二进制数组合的过程。通过编码可以将各种信息转变为相应的文本、栅格图像、矢量图形、音频、视频等具有固定格式，便于存储、编辑、传播和显示输出的数字信息集合。
• 一个比特（bit）或一个码元：一位二进制数。
• 比特率：在信息传播的过程中，每秒传输的比特数。单位bit/s，或者用BPS（Bit Per Second）表示。
• 比特和比特率都是码的基本单位。
• 码是一组二进制的数码序列，可以表达成以0和1为幅度的时间函数。

４.２随机噪声码

４.２.１随机噪声码的定义

　　假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码（Random Noice）序列（或随机噪声码序列）

４.２.２随机噪声码的特点

1. 不可复制的 
2. 非周期性序列
3.  具有良好的自相关性：相关性的好坏，对提高利用GPS 卫星码信号测距精度，极其重要

４.２.３随机噪声码的自相关性

　　将随机序列u(t)平移k个码元，得到一个新的随机序列u’(t)，如果两随机序列u(t)和u’(t)所对应的码元中，相同的码元数（同为0或1）为Au，相异的码元数为 Bu，则随机序列u(t)的自相关系数R(t)定义为：

•  当平移的码元数k=0，说明两个结构相同的随机码序列，相应的码元相互对齐,Bu=0，自相关系数R(t)=1
• 当k≠0时，由于码序列的随机性，当序列中码元数充分大时，则Au≈Bu，即自相关系数R(t) ≈ 0
• 根据码序列自相关系数的取值，可以判断两个随机码序列的相应码元是否对齐。

　　假设GPS卫星发射的是一个随机码序列u(t)，而GPS接 收机若能同时复制出结构与之相同的随机码序列u’(t)， 则由于卫星信号时间传播延迟的影响，被接收的u(t)与 u’(t)之间产生了平移，即相应的码元错开，因而R(t)≈ 0

　　如果通过一个时间延迟器来调整u’(t)，使之与u(t)的码元相互完全对齐，即有R(t) =1则可以从接收机的时间延迟器中测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间， 从而准确测定GPS卫星到测站的距离。

　　随机序列相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测 距精度，非常重要。

４.３伪随机噪声码

　　随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用。

４.３.１伪随机噪声码的特点

　　GPS采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random Noise-PRN）简称伪随机码或伪码，特点是：

1. 具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。
2. 伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。
3. 移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储 单元只有0或1两种状态。
4. 移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置1脉冲。
5. 移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置1脉冲的作用下而工作的。

４.３.２伪随机噪声码的产生

　　四级（ｒ＝４）反馈移位寄存器如图所示。

       m序列是由一组线性反馈移位寄存器产生的。每个存储器只能处于0或1的状态，开始时，先由置1脉冲将所有的寄存器都设置成状态1，然后在钟脉冲的驱动下，每个寄存器都将自己的状态传递到下一个寄存器，而第三、四两个寄存器的状态还要经过模二相加后反馈给第一级寄存器，所产生的m序列从第四级寄存器输出，形成一个周期性的二进制序列。

需要说明：

1. 开始时，并不是一定要将所有的寄存器都设置成全1的状态，而是可以根据需要将其设置为任何一种初始状态，从任何一处开始组成m序列，以实现码的平移。
2. 在一个周期结束前，可以通过重新设置初始状态来实现m序列的截短，控制序列的长度。
3. 信号不一定要从末级存储器钟输出，原则上说，可从任意一级输出。
4. 为了简便期间，m序列发生器不一定要采用上示形式来表示，而可以用一种更简便的特征多项式来表示。

４.４C/A码（Coarse/Acquisition Code）

          GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或 Y码），均属于伪随机码。

          C/A码由两个10级反馈移位寄存器组合产生

４.５P码（Precise Code）

        P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂,属于复合伪噪声码。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。

1. P码的周期长，267天，实际应用时P码的周期被分成38部分，（每一部分为7天，码长约6.19*10-12bit）
2. 其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。码分多址
3.  P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m ，故P码称为精码。

５、GPS卫星的导航电文

        导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码）。

5.1导航电文格式

        导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。

• 每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30 比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。
• 为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。
• 子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。
• 主帧中1、2、3 的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。

5.2导航电文内容

（1）遥测字（TLM—Telemetry WORD）位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。

（2）交接字（HOW—Hand Over Word）紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时。

（3）数据块Ⅰ：第一数据块位于第l子帧的第3-10字, 含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、 电离层改正参数、和卫星工作状态等信息。

• 卫星钟改正参数a0（钟差）、a1 （钟速） 、a2 （钟漂）。任意时刻t的钟改正数为

• 参考历元t0为数据块1的参考时刻，从GPS时星期六/星期日子夜零时起算，变化于0-604800s之间。
• 数据龄期AODC表示基准时间t0与最近一次更新星历的时间之差， 主要用于评价钟改正数的可信程度。
• 现时星期编号WN：表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。

（4）数据块Ⅱ ：包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历。

（5）数据块Ⅲ ：包含在4、5两个子帧中，主要向用户提供其它GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星的历书。

６、GPS信号的调制与解调

6.1卫星载波信号

6.2卫星载波信号的调制

       在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信号称为调制信号。

       GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且调制码的幅值只取0或1。如果码值取0， 则对应的码状态取+1；而码值取1时，对应码状态为-1，载波和相应的码状态相乘后，即实现了载波的调制。

6.3卫星载波信号的解调

７、课后习题

1. 简述GPS信号的分类。
2. 什么是PRN及并简述其产生原理？
3. 什么是导航电文？试述其格式和内容。

８、参考材料

寄存器_百度百科 (baidu.com)https://baike.baidu.com/item/%E5%AF%84%E5%AD%98%E5%99%A8/187682?fr=aladdin

封面图源“深圳卫健委”