第5章 GPS信號及其導(dǎo)航電文

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1、?GPS信號的三個(gè)信號層次：載波、偽碼、數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文）?基準(zhǔn)頻率f=10.23MHz，由衛(wèi)星上原子鐘產(chǎn)生；是星上0一切頻率的基準(zhǔn)。?但實(shí)際上，GPS星上原子鐘產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率為10.229999543MHz。（根據(jù)相對論理論，為什么？）2載波、偽碼、數(shù)據(jù)碼3L1載波、C/A碼、數(shù)據(jù)碼的關(guān)系4?GPS空間星座部分與用戶設(shè)備部分之間的信號接口包括：L1、L2、L5三個(gè)射頻鏈路?L1=154*f=1575.42MHz0?L2=120*f=1227.60MHz0?L5=115*f=1176.45MHz0?載頻特點(diǎn)：直射波

2、；信號衰減；接收機(jī)天線尺寸。?L1：波長約19cm，可以用來載波相位精確測距。?L1、L2、L5信號全部采用右旋圓極化（RHCP）。GPS現(xiàn)代化后將播發(fā)以下八個(gè)信號：?四個(gè)民用信號?(1)傳統(tǒng)L1C/A(Coarse/Acquisitioncode)?(2)L2C?(3)L5C?(4)L1C?四個(gè)軍用信號?傳統(tǒng)L1P(Y)?傳統(tǒng)L2P(Y)?L1M?L2M6?GPS是一個(gè)碼分多址（CDMA）的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)：?多址碼：進(jìn)行衛(wèi)星識別（CDMA技術(shù)）；?測距碼：完成精密的單程偽碼測距；?抗干擾：具有較好的抗干擾能

3、力。?常見偽碼序列：?線性碼（m序列、GOLD序列等）?非線性碼7?衛(wèi)星擴(kuò)頻碼采用兩種偽隨機(jī)碼：C/A碼和P(Y)碼。?C/A碼(Coarse/Acquistion)?P碼(Precise)?Y碼：在反電子欺騙A-S措施執(zhí)行時(shí)，密鑰碼W（碼率為0.5115M）主要用來將P碼加密成Y碼(W+P=Y)。8?碼型Gold碼，碼長1023，碼率為1.023Mcps(f／10)，碼周期01ms?生成多項(xiàng)式?優(yōu)選對、平衡碼?最多有1025組Gold序列，但實(shí)際上用不到。?不同衛(wèi)星上使用不同的C/A碼，目前天上有30多顆衛(wèi)星?與

4、常規(guī)的Gold碼不同的是，G2發(fā)生器并不是將最后一級的移位寄存器的值作為輸出，而是通過相位選擇器選擇G2發(fā)生器中的兩個(gè)寄存器單元輸出，并且異或相加后作為一個(gè)G2的平移等價(jià)序列。C/A碼發(fā)生器?發(fā)生器結(jié)構(gòu)?與X1歷元同步?初始狀態(tài)?G2相位選擇自相關(guān)互相關(guān)自相關(guān)最大旁瓣相對于主峰的比率為互相關(guān)值越小，不同GPS衛(wèi)星信號之間的干擾就越小。?同時(shí)調(diào)制在L1和L2載波上；12?P碼：碼長約為6.19*10，碼速率10.23Mcps，碼周期7天；?Y碼：加密后的P碼，只有特許用戶才能解密。?P(Y)碼特點(diǎn)：?碼率高、定位精度

5、高；?周期長、產(chǎn)生過程復(fù)雜；?非常安全，難以破譯。?兩個(gè)問題：怎么產(chǎn)生？怎么捕獲？10.23MHz?GPS衛(wèi)星中每顆衛(wèi)星使用不同的P碼。?第i顆衛(wèi)星上的P碼是X1序列與X2i序列模2和。?X1序列產(chǎn)生：?X1A序列：長度4092，由一個(gè)12級反饋移位寄存器產(chǎn)生m序列，并截?cái)嗟玫剑?X1B序列：長度4093，由另一個(gè)12級反饋移位寄存器產(chǎn)生m序列，并截?cái)嗟玫剑?X1序列：X1A與X1B循環(huán)異或相加，得到4092*4093的碼，再經(jīng)過截短，變成周期為1.5s、長15345000碼片的序列X1。?X2序列產(chǎn)生：?與X1產(chǎn)

6、生方式相同，由另兩組生成多項(xiàng)式產(chǎn)生，截短輸出15345037碼片的X2序列；?X2i序列是X2序列的等價(jià)平移序列，由X2向右平移i個(gè)碼片后產(chǎn)生。?Pi碼的產(chǎn)生?X1與X2i作循環(huán)異或相加，得到周期為38個(gè)星期的序列，再進(jìn)行截短，獲得周期為7天的序列。10.23MHz?X1歷元同步?GPS星歷開始時(shí)刻：星期六午夜（星期日零時(shí)）?X1碼發(fā)生器的各個(gè)寄存器值均被初始化重置，產(chǎn)生第一個(gè)碼片；?其他所有發(fā)生器均與X1碼發(fā)生器同步，例如?C/A碼的第一個(gè)碼片也與P碼第一個(gè)碼元同步?導(dǎo)航電文幀的第一個(gè)比特也從這里開始。?X1序列

7、的周期1.5s作為GPS系統(tǒng)計(jì)時(shí)的重要參考。?后面講解導(dǎo)航電文時(shí)還會(huì)用到。?逐個(gè)相位搜索？NO碼長約為6.19*1012，碼率10.23Mcps，7天?借助C/A碼輔助：先搜索、捕獲C/A碼，然后從C/A碼中提取當(dāng)前時(shí)間信息，并準(zhǔn)確估算出當(dāng)前P碼的相位，從而快速捕獲P碼。?P碼直接捕獲：需要知道當(dāng)前GPS時(shí)間的大致信息，從而估計(jì)P碼的大致相位，在較小的相位區(qū)間內(nèi)搜索，縮短捕獲時(shí)間。?L1和L2載波均被P碼調(diào)制信息，C/A碼只調(diào)制在載波L1上，其載波相位與P碼正交(即移相90°)。?調(diào)制方式：BPSK-R?設(shè)P碼、C

8、/A碼和導(dǎo)航電文的二進(jìn)制狀態(tài)序列分別用P(t)、C/A(t)和D(t)表示，則L1和L2上調(diào)制信號可表示為L()tEP????()()cos()tDt?tE??CA()()sin()tD??t?t11111LtEPtDt()???()()cos(?t)22216?L1、L2信號產(chǎn)生框圖?基準(zhǔn)頻率?數(shù)據(jù)碼相同?衛(wèi)星信號的功率分配?X1序列與Z計(jì)數(shù)器?長29位：