GPS信号结构与GPS接收机

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1、第三章 GPS信号结 构与GPS接收机GPS Original DesignnStarted development in the late 1960s as NAVY/USAF project to replace Doppler positioning systemnAim: Real-time positioning to 10 meters, capable of being used on fast moving vehicles.nLimit civilian (“non-authorized”) users to 100 meter positioning through the

2、 use of Selective Availability (SA). GPS DesignnInnovations: Use multiple satellites (originally 21,now 28) All satellites transmit at same frequencynSignals encoded with unique code” bi-phase , quadrature code” generated by pseudo-(designated by PRN, PR number): spectrum transmission. Dual frequenc

3、y band transmission: L1 1.5 GHz, L2 1.25 GHz 3.1 GPS卫星信号结构 一、概述nGPS系统信号包含多种信号码流n信号码流是伪随机序列噪声码n信号码流采用扩频调制n卫星利用双载波发射信号n系统为码分多址体制n噪声码是因为它们具有与白噪声相似的形态 。nGPS系统码中的一种用于精密测距的P码， 一种用于粗略测距的C/A码，一种是电文码 ，电文码包含星历等多种数据。nP码、C/A码均是由不同的2个m序列伪码复 合构成。nP码、C/A码均具优良自相关性能。n正交2PSK调制。GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码 和数据码。信号分量的产生都是在同一

4、个基本 频率f0=10.23MHz的控制下产生，GPS卫星信 号示意图如下基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600 概述nGPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）nL1nL2测距码（Ranging Code）nC/A码（目前只被调制在L1上）nP(Y)码（被分别调制在L1和L2上），并区别为P1与 P2电码 卫星（导航）电文（Message）nGPS卫星信号的生成关键设备 原子钟GPS卫星的基准频率 f0n由卫星上的原子钟直接

5、产生n频率为10.23MHzn卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍 频或分频GPS信号频率关系表： 项目名称基频F载波fL1载波fL2基准频率F10.23MHz154F120FC/A码的码率fcF/10fL1/1540fL2/1200P码的码率fpFfL1/154fL2/120D码的码率fdF/204600fL1/31508400fL2/245520 00载波n作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移n类型目前nL1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cmnL2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后n增加L5 频率：115f0 =

6、 1176.45MHz；波长：25.48cmGPS现代化计划更新阶段（ 20002010） n根据1996年美国的总统决定建立了国防部和交通部组成的 联合管理GPS事务局（IGEB），在IGEB的主持下于1997 、1998年期间讨论了增加GPS民用信号，从而改进民用和 商用目的的GPS状况，并与空军已经开始的计划相结合， 形成了更新GPS运行要求的文献ORD（Operational Requirements Document），其内容即为目前的GPS现代 化计划，并于1999年1月由美国副总统戈尔以“GPS现代化” 的名称发布通告，其具体实施是以2000年5月2日取消SA政 策为标志。nGP

7、S现代化的主要目的有三点：保护美国及其盟军的军用 服务，防止敌方使用，保持并增强民用服务。表 GPS现代化改进计进计 划项项目时间时间 取消SA2000年5月 GPS II R 增强 -L2上加C/A码码 -L1及L2上加M码码2003-2006GPS II F 增强 -L2上加C/A码码 -L1及L2上加M码码 -L52005-2010GPS III 增强 -L2上加C/A码码 -L1及L2上加M码码，增大信号能量 -L5 -其他未来能力2010-OCS 增强2000-2008图 GPS信号结构GPS现代化实 施之前2003年以后 L2增加C/A码2005年以后 增加L5,M码图1 GPS信

8、号结构载波n特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折 射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折 射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）卫星信号的调制n模二和运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制 “1”，则卫星信号的调制n二进制信号的相位调制调频FM调幅AM调相PM注：其它调制方式卫星信号的调制nGPS卫星信号的调制示意图n SiL1(t)AP(Pi(t) Di(t)cos(L1t1)Ac(Ci(t) Di(t)sin(L1t1)n SiL2(t)BP(Pi(t) Di(t)cos(L2t2)AP、AC和BP分别为载波L1(1

9、575.42MHz)和载波L2(1227.6 MHz)的振幅；Pi(t) 、Gi(t)和Di(t)分别为第i颗GPS的P码、C/A码和D码；L1、L2分别为载L1、L2的角频率；1、2分别为第i颗GPS卫星的载波L1、L2的初相。SiL1(t)、 SiL2(t) 共用天馈发射2.卫星信号的解调 卫星信号的解调关键在于恢复相干载波（相位 ），可通过以下两种解调技术来恢复载波（相 位）：（1）复制码与卫星信号相乘： 由于调制码的码值是用1的码状态来表示的， 当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复 制码（结构与卫星测距码信号完全相同的测距 码），在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫 星信号中的测距码

10、而恢复原来的载波。 但此时恢复的载波尚含有数据码即导航电文。 这种解调技术的条件是必须掌握测距码的结构 ，以便产生复制码。（2）平方解调技术： 将接收到的卫星信号进行平方，由于处于+1、 -1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载 波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达 到解调目的。 采用这种方法，可不必知道调制码的结构，但 平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码 ，而且也同时去掉了导航电文。二、GPS信号特点1、载波选用L波段的两个频率L11575.42M ；波长19.03cmL21227.6M ；波长24.42cmL波段电离层延时影响小（窗口频率） ，信道带宽分配 容易实现选择两个

11、频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟 （电离层折射延迟于信号的频率有关） GPS采用码分多址方式 每颗星共用该2个频率不会造成混淆干扰，设 备收发部件可以统一互换，利于生产、维护。测距码n作用测距n性质为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关 系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为12、采用伪随机噪声码测距技术 抗干扰性和保密性好Pseudo Random Noise CodeReceiver PRNSatellite PRNTime Difference假设GPS卫星发射的是一个随机码序列u(t)， 而GP

12、S接收机若能同时复制出结构与之相同的 随机码序列u(t) 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 ，因而自相关系数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，从而准确测定站 星距离。n3、采用二级调制技术n这是一个扩频调制过程。nD码通过模2和运算扩散调制到C/A码和P码上，其 50bit/s的低速扩频为C/A和P相等速率的码速上了。nD码扩频调制在P码上后，频谱扩展了很多，根据扩 频通信理论，对扩频信号

13、接收有下列改善关系：(S/N)出(S/N)入（f/F） F：原信号频谱 f：扩频后频谱可见相关接收输出信噪比提高了（f/F）。nD码调制到C/A码和P码上是采用伪随机码序列方式扩 频编码通信方式，具有白噪声性质，可抗干扰，提高 保密性，能做到低信噪比接收。n节约卫星电能三、GPS信号编码1伪随机噪声码及其特点GPS信号都采用伪随机码序列编制或调制。采用伪随机码序列是因为伪随机码具有良好自相关性 。 伪随机码序列是GPS系统中采用伪码测距的基础。GPS系统中采用m序列伪随机码还可以截短和复合加长 。n例如一个码长为LPa伪随机序列码，和一个码长为LPa伪随机序 列码，复合码后的复合码长便为： L

14、PXLPaLPbn复合码可大为改善自相关特性，缩短寻找自相关的时间。 所以GPS系统信号码都采用复合形成的伪随机序列编 码。2.GPS的测距码 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。 （1）C/A码： GOLD（哥尔德）码，是由两个10级反 馈移位寄存器组合（模2和）而产生。 码长Nu=210-1=1023比特 码元宽为tu=1/f1=0.97752s,（ f1为基准频率f0的10 分之1，1.023 MHz）,相应的距离为293.1m。 周期为Tu= Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。波长为299.792Km;因此用C/A码测距在300K

15、m内无模糊 度问题。 C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的 速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。 码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽 度的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精 度低，又称粗码。nC/A码（粗码） （2）P码 P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。 发生电路采用的是两组各由24级反馈移位寄存器产生的截短码 。 码长Nu2.351014比特 码元宽tu=1/f0=0.097752s，相应的距离为29.3m。 周期为Tu= Nutu 267天(38周)，数码率为10.23Mbit/s P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码

16、的周期被分成 38部分，（每一部分为7天，码长约6.19 1012比特）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 P码的捕获一般先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码 。 P码的码元宽度为C/A码的1/10，码元对齐精度约为码元宽度的 1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。P码优点n码周期很长，不易破译，利于保密。n每个卫星独用一个时区，可充分利用复合码自相关 特性。n可进行无模糊测距。 缺点：n码很长，不易捕获，从而需利用C/A码进行捕获。nC/A码与P码同步采用同一基准时钟，还在P码的每个 历元时刻（初始时刻）使C/A码的两组移位寄存器全 置1。n采用统一时钟的优点还在于