衛星定位理論與方法測量與導航工程系導航與定位教研室陳明劍第12次課衛星的信號結構GPSSignalCharacteristicsGPS衛星向用戶發送的導航定位信號均采用的是L（22cm）波段做為載波，有其優點：減少擁擠，避免干擾適用于擴頻，傳送寬帶信號衛星高軌運行，能獲得較大的多普勒頻移大氣衰減小，有益于研制用戶設備載波頻率越高，多普勒頻移越大，有利于用戶的行駛速度GPS衛星的測距信號和導航電文都屬于低頻信號，GPS衛星軌道較高，其電能緊張，很難將信號傳輸到地面，所以只能將低頻信號加載到高頻載波上。

L波段可以避開大氣諧振吸收，能量耗損小。在系統容量C一定時，頻帶寬度B越大，信噪比越小。擴頻的目的：節省衛星電能，增強衛星信號的抗干擾性，實現保密信息傳送SchematicofGPScodesandcarrierphase衛星的信號

GPS衛星信號包含三種信號分量：載波、測距碼和數據碼。信號分量的產生都是在同一個基本頻率f0=10.23MHz的控制下產生將調制信號擴頻方法：用50hz的D碼調制一個偽隨機碼，例如調制p碼，碼率高達10.23MHZ，形成組合碼P（t)D(t).用組合碼調制L波段的載波，實現D碼的二級調制。在無線電通信中，為有效地傳播信息，一般將頻率較低的信號加載到頻率較高的載波上，此時頻率較低的信號稱為調制信號。CodesonL1andL2SpreadSpectrumPrincipleSin(t)-11TPRNPRN*Sin(t)SignalStructureL1CarrierWave1575.42MHzC/ACode1.023MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHzSignalStructureL2CarrierWave1227.6MHzNavigationMessage50HzPreciseCode10.23MHz

GPS衛星的測距碼和數據碼是采用調相技術調制到載波上，且調制碼的幅值只取0或1。如果碼值取0，則對應的碼狀態取+1；而碼值取1時，對應碼狀態為-1，載波和相應的碼狀態相乘后，即實現了載波的調制。GPSSignalStructureforL1SignalMessageDatamodulatedonRangingCodeUserReceivedSignalPowerGPSSignalStructure(3)GPSSignalStructure(4)NavigationDataStructureContentsofGPSNavigationDataContentsofGPSNavigationData1、TLM和HOW遙測字（TLM:TelemetryWord）：位于各子幀的開頭，作為捕獲導航電文的前導。其中所含的同步信號，為各子幀提供了一個同步的起點，使用戶便于解譯電文數據。

交接字（HOW:Hand-OverWord）:緊接著各子幀的遙測字，主要向用戶提供從C/A碼捕獲P碼的Z計數。所謂Z計數，就是從每星期六/日子夜零時起算的時間計數，它表示下一子幀開始瞬間的GPS時。但為了實用方便，Z計數一般表示為從每星期六/日子夜零時開始發播的子幀數。因為每一子幀播送延遲的時間為6秒，所以，下一子幀開始的瞬間為6×Z。ContentsofGPSNavigationData2、數據塊I：

它含有關于衛星鐘改正參數及其數據齡期，星期的周數編號，電離層改正參數和衛星工作狀態等信息。計算衛星鐘差的多項式參數：a0,a1,a2ttoc:數據塊I的參考時刻，從GPS時的每星期日零時起算，在0~604800秒之間變化；AODC:鐘數據齡期，主要用來評估鐘差改正數的可靠性。

ContentsofGPSNavigationData3、數據塊Ⅱ

數據塊Ⅱ占有第二子幀和第三子幀。主要向用戶提供有關計算衛星位置的參數。該數據塊一般稱作衛星星歷(Ephemeris)。衛星位置的計算三、GPS數據文件

semimajoraxis,aeccentricity,erightascensionoftheascendingnode,oargumentofperigee,inclination,iomeananomaly,MoascendingnodeAlgorithmforcomputingsatellitecoordinatesfrombroadcastephemeridesisgiveninGPSInterfaceControlDocumentICD-GPS-200(seealsoenclosedhandout)ContentsofGPSNavigationData4、數據塊Ⅲ數據塊Ⅲ包含在4，5子幀里。主要向用戶提供計算GPS衛星概略坐標的星歷，包括衛星的概略坐標，衛星鐘的概略改正數及衛星工作狀態的信息。一般這些信息也稱作衛星的歷書(Almanac)。有了這些信息，用戶可以方便地選擇適宜的觀測衛星，以獲取最佳的衛星幾何圖形。由于已知衛星的概略坐標，在同時已知接收機概略位置和鐘差近似值時，可以加快信號的捕獲。三、GPS數據文件2NAVIGATIONDATA RINEXVERSION/TYPEDAT2RIN1.00eTheBoss 29JUN9817:59:25GMT PGM/RUNBY/DATE COMMENT.1118D-07.0000D+00-.5960D-07.0000D+00 IONALPHA.9011D+05.0000D+00-.1966D+06.0000D+00 IONBETA-.142108547152D-13-.372529029846D-0861440159 DELTA-UTC:A0,A1,T,W12 LEAPSECONDS ENDOFHEADER39710101800.0.605774112046D-04.352429196937D-11.000000000000D+00.760000000000D+02.494687500000D+02.448018661776D-08.220198356145D+00.264309346676D-05.244920048863D-02.842288136482D-05.515366117668D+04.496800000000D+06.335276126862D-07-.790250226717D+00-.372529029846D-07.951777921211D+00.211531250000D+03.259765541557D+01-.819891294621D-08.160720980388D-10.100000000000D+01.926000000000D+03.000000000000D+00.700000000000D+01.000000000000D+00.139698386192D-08.588000000000D+03.490320000000D+066971010155944.0-.358093529940D-06.000000000000D+00.000000000000D+00.220000000000D+02.526250000000D+02.438268255632D-08-.281081720890D+00…….GPSSignalStructure(5)SummaryofGPSSignalParametersRapidacquisitionPrecisionL1=154RPL2=120RPOneweekTotal38weeks32forSV5forpseudolitePrecise,2hourrule-of-thumbdurationdataLessaccurate,2weekrule-of-thumbdurationdataGPSCode,Data,Subframe,andFrameTimingRelationshipsGPS信號結構

載波相位偽隨機碼偽隨機碼的特性

C/A碼和P碼的產生

CarrierPhase(CarrierWaves)fL1=f0x154=1575.42MHzfL2=f0x120=1227.60MHzequivalentwavelength：1=19.03cmequivalentwavelength：2=24.42cmGPS信號結構

載波相位偽隨機碼偽隨機碼的特性

C/A碼和P碼的產生

所謂偽隨機碼也稱偽噪聲碼(PseudoRandomNoiseCode—PRN碼)，是可預先確定并可以重復產生和復制的，其統計特性具有隨機特性的二進制碼序列。偽隨機碼可以實現低信噪比接收，且可實現碼分多址通訊，此外偽隨機噪聲碼還有高性的的保密性，這些特點符合了全球定位系統的要求。

全球定位系統采用了一種易于產生，應用廣泛的偽隨機碼——最長線性移位寄存器序列，簡稱M序列。M序列是由若干級帶有特定反饋電路的移位寄存器產生的。而移位寄存器又涉及到模二運算，因此在介紹偽隨機碼之間先介紹移位寄存器和模二運算。

PseudoRandomNoiseCodeGPSRangingCode1、模二運算PseudoRandomNoiseSignalGenerationModulo-2recoveryofGPScodeModulo-2arithmetic:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0BitshiftsalignedMUSTMOD-2ADDRECEIVER-GENERATEDCODETORECOVER2、雙穩態存儲器PseudoRandomNoiseSignalGeneration移位寄存器是由數個串接的雙穩態存儲器和一個時鐘脈沖發生器產生。組成移位寄存器的每一個雙穩態存儲器稱作移位寄存器的級。由r級雙穩態存儲器的構成的移位寄存器稱為r級移位寄存器。雙穩態存儲器可以是一個R-S（Reset-Set）觸發器。如圖是一種觸發器，它是由四個與非門構成

2、雙穩態存儲器當CP=0時，

R=1，S=0或R=0，S=1時，和Q一個為高電平，另一個為低電平當CP=1時，

R=1，S=0Q=0，

=1

R=0，S=1Q=1，

=0

R=0，S=0不定；

R=1，S=1不變；PseudoRandomNoiseSignalGenerationABCD四個與非門與非門的特性：1×1=1取反01×0=00×1=0取反10×0=0 在雙穩態存儲器中R稱為復位輸入端，S稱為置位輸入端。3、移位寄存器PseudoRandomNoiseSignalGeneration若干個雙穩態觸發器按一定的方式串接起來構成一個移位寄存器。

脈沖信號RS4RS3RS2RS1000101100121100311104111151111PseudoRandomNoiseSignalGeneration由于RS4的輸入端始終為1，因此經過四次移位后就全成為1的狀態并保持下去。這樣得到的RS1輸出端序列顯然不是隨機序列。

4、最長線性移位寄存器PseudoRandomNoiseSignalGeneration一個普通的移位寄存器并不能產生一個偽隨機序列。但是帶有某些特定的反饋的移位寄存器的輸出端可以產生一個偽隨機序列。

SlipsA1A2A3A4A3+A410001121000030100040010151001161100070110181011090101110101011111011121110113111101401110150011016000111710000PseudoRandomNoiseSignalGeneration

PropertiesofMSequence我們可以看到A4的輸出端：10001001101011110…這種序列具有周期性，一周期內包含15個碼元（）這個長度稱作該序列的碼長。這種序列取決于移位寄存器的初始狀態和反饋電路。反饋電路相同而初始狀態不同的兩個序列是完全等價的，只要通過序列的平移就能獲取與另一個序列完全相同的序列。

其它的反饋電路

PseudoRandomNoiseSignalGenerationSlipsA1A2A3A4A1+A410001121000131100141110151111060111171011080101191010110110101101100120011113100101401000150010016000111710000PseudoRandomNoiseSignalGenerationPseudoRandomNoiseSignalGeneration但應注意的是，并不是所有的反饋電路都能產生偽隨機碼序列。對于四級移位寄存器而言，只能產生上述兩種偽隨機碼序列。

由r級移位寄存器連同某些特定的反饋電路可以產生碼長為2r-1的最長線性移位寄存器序列，即m序列。m序列是一個周期序列，每個周期包含2r-1個碼元。級數相同而反饋電路不同產生不同的碼序列稱為同族碼序列。通常采用多項式來表達這種反饋電路：

上面兩圖對應的表達式分別為：

GPS信號結構

載波相位偽隨機碼偽隨機碼的特性

C/A碼和P碼的產生

PropertiesofMSequence統計特性循環相加特性相關特性

StatisticPropertiesofMSequence碼序列中兩種元素出現的次數大致相等，相差1次。

0:2r-21:2r-2-1長度為n的元素游程比長度為n+1的元素游程多一倍。游程即是連續出現n次同一元素叫作一個長度為n的游程。統計特性隨機噪聲、偽隨機碼的區別：M序列是人造的不同于自然噪聲或偶然誤差

它是由一種叫作偽隨機碼發生器產生的，只要使用相同的偽隨機碼發生器，就可以產生完全一樣的碼序列。任何兩批多次測量不能產生完全相同的偶然誤差；同樣，人們也無法得到完全一樣的噪聲。它具有周期性(噪聲或偶然誤差是無周期的)M序列的幅值始終為1或0

偶然誤差序列幅值大的出現的機會小，幅值小的機會多，服從正態分布。ComparisonBetweenMSequenceandRandomErrorComparisonBetweenMSequenceandRandomError相似：M序列與偶然誤差都有具有統計特性出現正誤差的機會和負誤差的機會相等；0和1出現的概率大致相等。序列連續N+1個1(0)的機會比連續出現N個1(0)的機會少一倍；誤差小的出現的概率大。

循環相加特性

M序列為周期序列，因此將一個M序列平移若干個碼元，仍然為原碼元，只是初相不同。平移前后的兩個序列稱作平移等價序列。

循環相加特性是指一個M序列序列與平移序列的模二和為此序列的平移等價序列。

互相關函數：自相關函數：

AutocorrelationandCorrelationFunctionofMSequence=0

!=0

Autocorrelation

FunctionofMSequence

截短碼:為了從碼長為P的m序列中獲得一個碼長為P’(P’<P)的碼序列，可以通過對m序列截去a=P-P’來獲得。由兩個或兩個以上的小碼的邏輯函數所構成的碼序列稱為復合碼。

如果由n個碼長分別為P1、P2…、PN的子碼構成的復合碼，且P1、P2…、PN互素。則復合碼的碼長P為P1*P2*….*PN.。

截短碼和復合碼m序列具有良好的自相關特性，但互相關特性不太理想。

一是互相關函數的最大值往往可以達到1/3左右，二是雖然可以找到少量的m序列組成的組，在組內的互相關函數值較小，但組的數目較少，不能滿足碼分多址的需要。因此在m序列的基礎上引入了Gold碼。GoldCode設兩個具有相同碼長P的m序列a與b

形成一個周期序列，其碼長仍為P，稱為Gold碼序列。GoldCode

Gold碼序列族內，各序列間的自相關特性和兩兩互相關特性取決于m序列的互相關函數

如果構成Gold碼序列的兩個m序列具有良好的互相關特性，則所構成的2r+1個不同的Gold碼將具有良好的自相關特性和良好的兩兩互相關特性。RangingCode：CoarseAcquistionCodeGPS信號結構

載波相位偽隨機碼偽隨機碼的特性

C/A碼和P碼的產生

RangingCode：CoarseAcquistionCodeC/A碼(CoarseAcquisitionCode),也稱粗捕獲碼。

碼長為1023比特。由于碼長短，易于捕獲。為了給所有衛星賦以不同的碼序列，GPS的C/A碼采用兩個具有良好互相關特性的同族碼序列構成的Gold碼。P碼是由兩個碼長互素的m序列組成的模二和復合碼。

X1的周期為1.5秒，碼長為15,345,000碼長；X2碼長比X1長37個碼元。這兩個子碼都是24位移位寄存器產生的截短碼；為一碼元對應的時刻；是子碼X2的延遲參數，范圍為0～36。RangingCode：PreciseCodeC/A碼P碼碼長1023２.35×

碼元寬度0.98μs相當于293.1m0.098μs相當于29.3m周期1ms約267天精度3米0.3米PropertiesofC/ACodeandPCodePropertiesofC/ACodeandPCodeC/A碼作用：

1、精確、無模糊的測距（自相關特性）

2、識別衛星（碼分多址）（自相關特性+互相關特性）

3、調制導航信息

4、快速捕獲P碼

C/A碼的捕獲自動搜索檢測自相關函數峰值搜索并跟蹤載波多普勒，實現載波匹配碼搜索，實現最大自相關90秒C/A碼的捕獲ExamplePeakCorrelationOutputsReceiverProcessingfortheGPSWaveformC/AcodewaveformSignalpowerS(nW)50Bits/secdatastream(±1)1Mbits/secpseudo-randomcode(±1)1575.42MHzL1carrierfrequencyTime(sec)Carrierphase(rad)Trackthecarriertogetdeltapseudorange(doppler)TrackC/AcodetogetpseudorangeDemodulated(t)tostripoffdataAmplifySforsubsequentprocessingAntennapicksupsignals(pico-watts)andfiltersrejectsidelobesSATELLITESIGNALRECEIVERPROCESSINGOnlyL1C/AcodefromsinglesatelliteshownhereGPSReceiverFunctionsLocalOscillatorCodeOffsetDetectorCodeGeneratorPhaseErrorDetectorCarrierFrequencyGeneratorCodeErrorPhaseErrorFILTER1575.42Mhz±1MhzAMPLIFIER~35dBMIXERGHz→MHz~13to70MHzQuartzcrystalRFIFIFLownoisepreamplifierboostssignallevelCombinessatellitesignalwithsinusoidallocalsignalRejectssidelobesANTENNA(pico-watts)L1&L2carrierwavesmodulatedwithC/A&PcodesignalCODETRACKINGLOOP(PorC/ACODE)CARRIERTRACKINGLOOP(L1orL2)InterceptscircularpolarizedsignalsfromallvisiblesatellitesConvertselectromagneticwaveenergyintoelectriccurrent

DelaylockloopalignslocallygeneratedC/AcodewithsatellitesC/Acode.Multiplyandintegrationcircuitsautomaticallyshiftsitsowncodeintime&crosscorrelatesDecodes50bits/secdatastreamUseshandoverwordtolockontoP-code

AlignsphaseoflocaloscillatorwithIFbeatfrequencyMeasurescurrentdopplershiftfromIFphasesignalfrequencydifference

(Costasloop)CodeLockLoopPhaseLockLoopPseudo-rangePseudo-rangerateNavigationProcessor

Satelliteselection

KalmanfilteringNavigationSolutionPuresinusoidalsignalIntermediatefrequency(IF)CarrierwavecontainsallofC/Acode,PcodeanddataSignaltraveltimeforeachsatelliteSatelliteinstantaneousdopplershiftReal-timeCodeMatchingisUsedtoIdentifySatelliteandMeasureSignalTravelTimeUniqueC/AcodefromsatelliteIdenticalC/AcodefromuserSATELLITETransittimetouser~1/11secUSERSETGeneratescodedelayistransittime.Receiverslews(shifts)pulsetrainformatch.

Satellite’suniqueC/AcodeidentifiesitselftoreceiverSatellite&usergenerateidenticalcodedsequencestartingatsametime

Whensatellitepulsetrain1’sand0’smatchreceiverpulsetrain1’sand0’sauto-correlationfunctionvaluechangesfrom0to1

AfterLOCK-ONusercanmeasure

UserclockbiasresultsfromnotstartingsequencesatsametimeLOCK-ONP-CodeReceiversMatchtoC/ACodeFirstandThenDecode‘HandoverWord’

toMatchtoP-CodeTLMHOW30sec1200123012601500MULTIPLEXALMANAC/HEALTHSTATUS⑤TLMHOW30sec900930960MULTIPLEXMESSAGE④1200TLMHOW30sec600630660EPHMERIS③900TLMHOW30sec300330360EPHMERIS②600TLMHOW30sec03060CLOCKCORRECTION①300TLM=TELEMETRYWORDSHOW=HANDOVERWORDSDATASTREAM:

50-Bits/secSuperimposedonC/A&PcodeModulo2additionFrame30sec5sub-frameSub-frameeach6sec&300bitsBITSUB-FRAMEMessagechangesthrough25framesalmanac/Healthstatuschangesthrough25fram