第2节 GPS卫星的导航电文和卫星信号

4.2.1  概述

GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、测距码和数据码。时钟基本频率为10.23MHz。GPS信号的产生，如图4-3所示。

GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其载波处于L(22cm)波段，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码。GPS卫星向广大用户发送的导航电文称为数据码，其码的码率f=50HZ。怎样才能有效将低码率的导航电文发送给用户这是关系到GPS系统成败与否的大问题。一种有效的发送方法是：用低码率的数据码作二级调制(扩频)。第一级，用50Hz的D码调制一个伪噪声码，如调制一个被叫做P码的伪噪声码，后者的码率高达10.23MHZ。D码调制P码的结果是形成一个组合码，致使D码信号的频带宽度从50Hz扩展到了10.23MHZ，也就是说，GPS卫星原拟发送50bit／s的D码，转变为发送10.23Mbit／s的组合码P(t)D(t)。

在D码调制伪噪声码以后，再用它们的组合码去调制L波段的载波，实现D码的第二级调制．从而形成向用户发送的已调波。每颗GPS卫星向用户发送两种巳调波。为了叙述方便，分别将两者称为第一和第二GPS卫星射电信号，总称为GPS信号。

• 两种载波

在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。GPS使用两种载波：

L₁载波：f_L1=154×f₀=1575.42MHz,波长λ1=19.032cm,

L₂载波：f_L2=120×f₀=1227.6MHz,波长λ2=24.42cm。

选择这两个载频，目的在于测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差。

2、测距码

GPS卫星的测距码是用调相技术调制到载波上的。调制码幅值只取0或1。如果当码值取0时，对应的码状态取为-1，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载波和相应的码状态+1相乘时，其相位不变，而当与码状态-1相乘时，其相位改变180°。所以当码值从0变1或从1变为0时，都将使载波相位改变180°。这时的载波信号实现了调制码的相位调制（见图4-4a）。

3、数据码

数据码即为4.1节中的导航电文。

根据这一原理，GPS中的三种信号将按图4-4b的线路进行合成，然后向全球发射，形成今天随时都可以接收到的GPS信号。

从图上看出，卫星发射的所有信号分量都是由同一基本频率f0(A点)产生的，其中包括：载波L₁(B点)，L₂（C点），粗测距码C/A（D点），精测距码（F点）和数据码（G点）。经卫星发射天线（H点）发射出去。发射的信号分量包括：L₁-C/A（J点），L₁-P信号（K点），L₂-P信号（L点）。

4.2.2  伪随机噪声码的产生及特性

伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。

• 产生方式  伪随机码的产生方式很多。GPS技术采用m系列，即产生于最长线性反馈移位寄存器。下面以一个由四级反馈移位寄存器组成的m序列为例。假设初始状态为(a₃,a₂,a₁,a₀)=（1，0，0，0），则在每移一位时，由a₃和a₀模2相加，产生新的输入a₃⊕a₀，使状态变为（1，1，0，0）。这样移位15次，又回到初始状态。在完成这一过程中，其输出端产生一个随机码——000111101011001。见图4-5。

M序列有下列特性：

(1)均衡性：在一个周期中，“1”与“0”的数目基本相等，“1”比“0”的数目多一个。它不允许存在全“0”状态。

(2)游程分布：在序列中，相同的码元连在一起称为一个游程。一般说来，长度为1的游程占总数的1/2，长度为2的游程占总数的1/4，余此类推。连“1”的游程和连“0”的游程各占一半。

(3)移位相加特性：一个m序列m_p与其经过任意次延迟移位产生的另一个序列m_r模2相加，得到的m_s仍是m序列，即m_p⊕m_r=m_s(m序列)       (4-6)

(4)自相关函数：根据自相关函数的定义，可求得m序列的自相关函数：

式中:A为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素相同的数目；

D为m序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不同的数目；

M为m序列的周期, M=2n-1。

根据以上m序列的特性，其自相关函数为：

现将m序列的自相关函数示于图4-6中。由此图看出，m序列的自相关函数只有两种取值1或-1/m。这一特殊性非常重要，GPS信号接收机就是利用这一特性使所接收的伪噪声码和机内产生的伪噪声码达到对齐同步，进而捕获和识别来自不同GPS卫星的伪噪声码，解译出它们所传送的导航电文，测定从卫星到测站之间的距离等。

2、伪噪声特性：如果我们对随机噪声取样，并将每次取样按次序排成序列，我们发现其功率谱为正态分布。由此形成的随机码具有噪声码的特性，伪随机码特性上与随机噪声十分相似，具有的良好的自相关特征和确定的编码规则，使我们人工能复制出来。

4.2.3  C/A码

1、产生方式  C/A码是伪随机操声码的中一种，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。两个移位寄存器于每星期六/日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，序列G₁(t)和G₂(t)。G₂(t)序列经过相位选择器，输入一个与G₂(t)平移等价的m序列，然后与G₁(t)模2相加，便得到C/A码:

2、C/A码特点  从这些G（t）码中选择32个码以PRN1……PRN32命名各种GPS卫星。由于C/A码长很短，易于捕获，所以C/A码除了作为粗测码外，还作为GPS卫星信号的捕获码。并由此过渡到捕获P码。

3、C/A码精度  C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码宽的1/10～1/100，则此进相应的测距误差为29.3～2.93m。现代科学技术的发展，使得测距分辨率大大提高。一般最简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到0.1m。

4.2.4  P码

1、产生方式  P码是卫星的精测码，码率为10.23MHz。它是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的。

PN1(t)是由两级12位移位寄存器构成的。两个移位寄存器分别采用反馈点八进制编码14501和17147形成周期为1.5秒的m序列PN1（t）。

相应的周期为:,在实际应用中，P码采用7天的周期，即在P(t)=PN1(t)•PN2(t+niτ)中截取段周期为7天的P码，并规定每星期六午夜零点使P码置全“1”状态作为起始点。

2、P码精度  P码周期为约267天才重复一次。因此，实际上P码周期被分为38部分(每一部分周期为7天，码长约为6．19X10¹²比特)，其中有一部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星。这样，每颗卫星所使用的P码不同部分，便都具有相同的码长和周期，但结构不同。因为P码的码长约为6．19x10¹²比特，所以如果仍采用搜索C／A码的办法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，那将是无法实现的(约需14x10⁵天)。因此，一般都是先捕获C／A码，然后根据导肮电文中给出的有关信息(即Z计数，获得观测时刻在P码中的位置)，便可容易地捕获P码。

     另外，由于P码的码元宽度为C／A码的1／10，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l／10～l／100，则由此引起的相应距离误差约为2．93-0．29m，仅为C／A码的1／10。所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码。

3、P码特点  根据美国国际部规定，P码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。即使如此，美国国防部又宣布实施AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对禁止非特许用户应用。