解读GPS卫星信号结构及应用

GPS卫星发射的信号包括三个部分,即载波、伪码和数据码。

1.载波

每颗卫星均采用L波段内两种频率的载波信号(L1、L2)发射无线电信号,频率分别为f1、f2,卫星原子钟可以提供的基准频率f0为10.23 MHz,它与两个载波频率在数值上的关系为

如图7.7所示,载波频率的波长分别为

载波频率数值的选择主要考虑是否有利于测量多普勒频移、是否有利于减弱信号所受的电离层折射影响、是否可以较好地消除信号电离层折射延迟的影响等因素。

图7.7　载波频率示意

载波的主要作用包括：搭载其他调制信号；测距；测定多普勒频移。

2.伪码

伪随机噪声(Pseudo Random Noise,PRN)码简称“伪随机码”或“伪码”,是一种可以预先确定、可准确复制的二进制数随机序列,具有周期性。

如图7.8所示,伪随机码为0101101011,其中以二进制数“0”代表正电平,以二进制数“1”代表负电平,将一位二进制数称为一个码片,或者一个码元。一个码元的持续时间称为码宽tu。这种周期性的伪随机码可由一个多级反馈移位寄存器产生。GPS信号中的C/A码和P码,都是由最长线性移位寄存器序列(简称“m序列”)产生的伪随机测距码。一般来说,一个r级移位寄存器所产生的m序列,在一个周期内码元的最大个数(即码长)为

图7.8　伪随机码

此时,m序列的最大周期Tu为

作为二进制伪随机码的一种,其重要特点之一就是良好的自相关特性。一个二进制数随机序列x(t)的自相关函数R(τ)定义为

式中,x(t―τ)——将x(t)向右平移τ个单位后得到的波形。

图7.9　自相关函数

自相关函数如图7.9所示。

当两个周期相同的m序列的对应码元完全对齐时,其自相关系数R(t)＝1；否则,(www.xing528.com)

当r足够大时,有R(t)≈0。因此伪随机码具有良好的自相关性和互相关性,GPS接收机就是利用这一特征,对接收到的卫星信号与接收机内部复制的伪码进行相关运算,检测自相关函数的峰值,从而确定接收信号中伪码的相位并测量卫星到接收机的空间距离,利用互相关性可以区分不同的卫星,也称为(伪随机)码分多址技术。

在前文介绍过,GPS卫星产生两种测距码——C/A码和P(Y)码,其基本特征如表7.4所示。

表7.4　两种测距码的基本特征

3.数据码

数据码是一列载有导航电文的二进制码,50 bps数据码的码宽为20ms。C/A码每1 ms重复一周期,所以1位数据码内C/A码重复20周期,并且,C/A码的第1码片与数据码发生时刻沿重合。数据码、C/A码和载波的长度关系如图7.10所示。

图7.10　载波、C/A码和数据码的长度关系

导航电文可以向用户提供卫星轨道参数、卫星时钟参数、卫星状态信息、电离层延时等重要信息。导航电文以帧为单位进行传递,每帧导航电文含5子帧,每子帧分别含有10字,每字含30位,故每子帧共300位,播发时间为6 s,其关系如图7.11所示。为了记载多达25颗卫星,子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每页构成一个主帧。在主帧中,子帧1、2、3的页内容每小时更新一次,子帧4、5的页内容仅在向卫星注入新的导航电文后才得以更新,各子帧的内容如图7.12所示。

图7.11　帧、子帧与字的长度关系

图7.12　子帧的内容

每个子帧的第一个字称为遥测字(TLW),它用于捕获导航电文的前导。遥测字的第1～8位是同步码,使用户便于解释导航电文；第9～22位为遥测码,其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。第23、24位是连接码；第25～30位为奇偶校验码,它用于发现和纠正错误。

每个子帧的第二个字称为交接字(HOW),主要向用户提供用于捕获P(Y)码的Z记数。所谓Z记数,是从星期日零时或星期六24时起的本星期内,P(Y)码周期(1.5 s)的重复数。因此,只要知道了Z计数,便能较快地捕获到P码。

第1子帧的第3～10字称为第一数据块,它的主要内容包括：

(1)信号在卫星内部的时延TGD,即载波L1和L2的电离层时延差。

(2)卫星时钟的数据龄期AODC,即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。

(3)第1～10位表示星期序号WN：从1980年1月6日子夜零点(UTC)起计算的星期数,即GPS星期数。

(4)第11～12位表示L2载波调制的测距码标识符,用“10”表示C/A码,用“01”表示P(Y)码。

(5)第13～16位表示测距精度。

(6)卫星时钟改正参数,即GPS时间和UTC时间之间存在的差值,包括钟偏a0、钟速a1和频漂a2,它们满足如下关系：

Δt＝a0＋a1(t―TOC)＋a2(t―TOC)2

第二数据块由第2、3子帧构成,其内容为GPS卫星星历,提供描述卫星的运行及其轨道的参数,包括开普勒六参数、轨道摄动九参数和时间二参数。第三数据块包括第4、5子帧,其内容包括所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后,根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星改正、卫星工作状态等数据,用户可以选择工作正常和位置适当的卫星,并且较快地捕获到所选择的卫星。