4.2.1  概述

GPS衛(wèi)星信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波，它包含有：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。時鐘基本頻率為10.23MHz。GPS信號的產(chǎn)生，如圖4-3所示。

GPS信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的已調(diào)波，其載波處于L(22cm)波段，其調(diào)制波是衛(wèi)星電文和偽隨機(jī)噪聲碼的組合碼。GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導(dǎo)航電文稱為數(shù)據(jù)碼，其碼的碼率f=50HZ。怎樣才能有效將低碼率的導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶這是關(guān)系到GPS系統(tǒng)成敗與否的大問題。一種有效的發(fā)送方法是：用低碼率的數(shù)據(jù)碼作二級調(diào)制(擴(kuò)頻)。第一級，用50Hz的D碼調(diào)制一個偽噪聲碼，如調(diào)制一個被叫做P碼的偽噪聲碼，后者的碼率高達(dá)10.23MHZ。D碼調(diào)制P碼的結(jié)果是形成一個組合碼，致使D碼信號的頻帶寬度從50Hz擴(kuò)展到了10.23MHZ，也就是說，GPS衛(wèi)星原擬發(fā)送50bit／s的D碼，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送10.23Mbit／s的組合碼P(t)D(t)。

在D碼調(diào)制偽噪聲碼以后，再用它們的組合碼去調(diào)制L波段的載波，實(shí)現(xiàn)D碼的第二級調(diào)制．從而形成向用戶發(fā)送的已調(diào)波。每顆GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送兩種巳調(diào)波。為了敘述方便，分別將兩者稱為第一和第二GPS衛(wèi)星射電信號，總稱為GPS信號。

• 兩種載波

在無線電通信技術(shù)中，為了有效地傳播信息，都是將頻率較低的信號加載在頻率較高的載波上，此過程稱為調(diào)制。然后載波攜帶著有用信號傳送出去，到達(dá)用戶接收機(jī)。GPS使用兩種載波：

L₁載波：f_L1=154×f₀=1575.42MHz,波長λ1=19.032cm,

L₂載波：f_L2=120×f₀=1227.6MHz,波長λ2=24.42cm。

選擇這兩個載頻，目的在于測量出或消除掉由于電離層而引起的延遲誤差。

2、測距碼

GPS衛(wèi)星的測距碼是用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的。調(diào)制碼幅值只取0或1。如果當(dāng)碼值取0時，對應(yīng)的碼狀態(tài)取為-1，那么載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后便實(shí)現(xiàn)了載波的調(diào)制。這時，當(dāng)載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)+1相乘時，其相位不變，而當(dāng)與碼狀態(tài)-1相乘時，其相位改變180°。所以當(dāng)碼值從0變1或從1變?yōu)?時，都將使載波相位改變180°。這時的載波信號實(shí)現(xiàn)了調(diào)制碼的相位調(diào)制（見圖4-4a）。

3、數(shù)據(jù)碼

數(shù)據(jù)碼即為4.1節(jié)中的導(dǎo)航電文。

根據(jù)這一原理，GPS中的三種信號將按圖4-4b的線路進(jìn)行合成，然后向全球發(fā)射，形成今天隨時都可以接收到的GPS信號。

從圖上看出，衛(wèi)星發(fā)射的所有信號分量都是由同一基本頻率f0(A點(diǎn))產(chǎn)生的，其中包括：載波L₁(B點(diǎn))，L₂（C點(diǎn)），粗測距碼C/A（D點(diǎn)），精測距碼（F點(diǎn)）和數(shù)據(jù)碼（G點(diǎn)）。經(jīng)衛(wèi)星發(fā)射天線（H點(diǎn)）發(fā)射出去。發(fā)射的信號分量包括：L₁-C/A（J點(diǎn)），L₁-P信號（K點(diǎn)），L₂-P信號（L點(diǎn)）。

4.2.2  偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生及特性

偽隨機(jī)噪聲碼又叫偽隨機(jī)碼或偽噪聲碼，簡稱PRN，是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。它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。

• 產(chǎn)生方式  偽隨機(jī)碼的產(chǎn)生方式很多。GPS技術(shù)采用m系列，即產(chǎn)生于最長線性反饋移位寄存器。下面以一個由四級反饋移位寄存器組成的m序列為例。假設(shè)初始狀態(tài)為(a₃,a₂,a₁,a₀)=（1，0，0，0），則在每移一位時，由a₃和a₀模2相加，產(chǎn)生新的輸入a₃⊕a₀，使?fàn)顟B(tài)變?yōu)椋?，1，0，0）。這樣移位15次，又回到初始狀態(tài)。在完成這一過程中，其輸出端產(chǎn)生一個隨機(jī)碼——000111101011001。見圖4-5。

M序列有下列特性：

(1)均衡性：在一個周期中，“1”與“0”的數(shù)目基本相等，“1”比“0”的數(shù)目多一個。它不允許存在全“0”狀態(tài)。

(2)游程分布：在序列中，相同的碼元連在一起稱為一個游程。一般說來，長度為1的游程占總數(shù)的1/2，長度為2的游程占總數(shù)的1/4，余此類推。連“1”的游程和連“0”的游程各占一半。

(3)移位相加特性：一個m序列m_p與其經(jīng)過任意次延遲移位產(chǎn)生的另一個序列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)自相關(guān)函數(shù)：根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的定義，可求得m序列的自相關(guān)函數(shù)：

式中:A為m序列與其j次移位序列一個周期中對應(yīng)元素相同的數(shù)目；

D為m序列與其j次移位序列一個周期中對應(yīng)元素不同的數(shù)目；

M為m序列的周期, M=2n-1。

根據(jù)以上m序列的特性，其自相關(guān)函數(shù)為：

現(xiàn)將m序列的自相關(guān)函數(shù)示于圖4-6中。由此圖看出，m序列的自相關(guān)函數(shù)只有兩種取值1或-1/m。這一特殊性非常重要，GPS信號接收機(jī)就是利用這一特性使所接收的偽噪聲碼和機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的偽噪聲碼達(dá)到對齊同步，進(jìn)而捕獲和識別來自不同GPS衛(wèi)星的偽噪聲碼，解譯出它們所傳送的導(dǎo)航電文，測定從衛(wèi)星到測站之間的距離等。

2、偽噪聲特性：如果我們對隨機(jī)噪聲取樣，并將每次取樣按次序排成序列，我們發(fā)現(xiàn)其功率譜為正態(tài)分布。由此形成的隨機(jī)碼具有噪聲碼的特性，偽隨機(jī)碼特性上與隨機(jī)噪聲十分相似，具有的良好的自相關(guān)特征和確定的編碼規(guī)則，使我們?nèi)斯つ軓?fù)制出來。

4.2.3  C/A碼

1、產(chǎn)生方式  C/A碼是偽隨機(jī)操聲碼的中一種，用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽隨機(jī)碼。它是由兩個10級反饋移位寄存器構(gòu)成的G碼產(chǎn)生的。兩個移位寄存器于每星期六/日子夜零時，在置“1”脈沖作用下全處于1狀態(tài)，同時在碼率1.023MHz驅(qū)動下，序列G₁(t)和G₂(t)。G₂(t)序列經(jīng)過相位選擇器，輸入一個與G₂(t)平移等價的m序列，然后與G₁(t)模2相加，便得到C/A碼:

2、C/A碼特點(diǎn)  從這些G（t）碼中選擇32個碼以PRN1……PRN32命名各種GPS衛(wèi)星。由于C/A碼長很短，易于捕獲，所以C/A碼除了作為粗測碼外，還作為GPS衛(wèi)星信號的捕獲碼。并由此過渡到捕獲P碼。

3、C/A碼精度  C/A碼的碼元寬度較大。假設(shè)兩個序列的碼元對齊誤差為碼寬的1/10～1/100，則此進(jìn)相應(yīng)的測距誤差為29.3～2.93m?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得測距分辨率大大提高。一般最簡單的導(dǎo)航接收機(jī)的偽距測量分辨率達(dá)到0.1m。

4.2.4  P碼

1、產(chǎn)生方式  P碼是衛(wèi)星的精測碼，碼率為10.23MHz。它是由兩個偽隨機(jī)碼PN1(t)和PN2(t)的乘積得到的。

PN1(t)是由兩級12位移位寄存器構(gòu)成的。兩個移位寄存器分別采用反饋點(diǎn)八進(jìn)制編碼14501和17147形成周期為1.5秒的m序列PN1（t）。

相應(yīng)的周期為:,在實(shí)際應(yīng)用中，P碼采用7天的周期，即在P(t)=PN1(t)•PN2(t+niτ)中截取段周期為7天的P碼，并規(guī)定每星期六午夜零點(diǎn)使P碼置全“1”狀態(tài)作為起始點(diǎn)。

2、P碼精度  P碼周期為約267天才重復(fù)一次。因此，實(shí)際上P碼周期被分為38部分(每一部分周期為7天，碼長約為6．19X10¹²比特)，其中有一部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同的衛(wèi)星。這樣，每顆衛(wèi)星所使用的P碼不同部分，便都具有相同的碼長和周期，但結(jié)構(gòu)不同。因?yàn)镻碼的碼長約為6．19x10¹²比特，所以如果仍采用搜索C／A碼的辦法來捕獲P碼，即逐個碼元依次進(jìn)行搜索，當(dāng)搜索的速度仍為每秒50碼元時，那將是無法實(shí)現(xiàn)的(約需14x10⁵天)。因此，一般都是先捕獲C／A碼，然后根據(jù)導(dǎo)骯電文中給出的有關(guān)信息(即Z計數(shù)，獲得觀測時刻在P碼中的位置)，便可容易地捕獲P碼。

     另外，由于P碼的碼元寬度為C／A碼的1／10，這時若取碼元的對齊精度仍為碼元寬度的l／10～l／100，則由此引起的相應(yīng)距離誤差約為2．93-0．29m，僅為C／A碼的1／10。所以P碼可用于較精密的導(dǎo)航和定位，故通常也稱之為精碼。

3、P碼特點(diǎn)  根據(jù)美國國際部規(guī)定，P碼是專為軍用的。目前只有極少數(shù)高檔次測地型接收機(jī)才能接收P碼，且價格昂貴。即使如此，美國國防部又宣布實(shí)施AS政策，即在P碼上增加一個極度保密的W碼，形成新的Y碼，絕對禁止非特許用戶應(yīng)用。