GPS接收機導(dǎo)航電文解調(diào)算法實現(xiàn)正文

1、gps接收機導(dǎo)航電文解調(diào)算法實現(xiàn)摘要gps即為全球定位系統(tǒng)，具有全球覆蓋、全天候工作等特點。目前，gps接收機在陸用、航空和海事等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，為用戶定位和導(dǎo)航發(fā)揮著巨大的作用。隨gps的升級和新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，相比較傳統(tǒng)gps接收機，gps軟件接收機具有的成本低、靈活性高等優(yōu)點越來越突出。本課題主要完成了gps接收機基帶信號處理及導(dǎo)航解算各主要算法的研究與實現(xiàn)。重點放在對基帶信號處理的算法研究及在實際硬件環(huán)境、實時衛(wèi)星信號條件下導(dǎo)航解算的軟件實現(xiàn)。從而比較完整地實現(xiàn)了gps接收機的整個工作流程。本課題的創(chuàng)新之處在于對實時衛(wèi)星信號進(jìn)行一系列導(dǎo)航解算處理。在本文的主體部分闡述了對g

2、ps衛(wèi)星信號搜索、捕獲、跟蹤及后續(xù)導(dǎo)航解算的主要算法及其性能比較。著重對導(dǎo)航解算各主要部分的算法及其軟件實現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。本文最后對課題所涉及的系統(tǒng)進(jìn)行分析，介紹了各主要功能模塊，給出了導(dǎo)航解算較完整的工作流程，在實際信號條件下對系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測試分析并給出了結(jié)論。關(guān)鍵詞：gps；同步；偽距；導(dǎo)航解算；軟件實現(xiàn)gps receiver navigation data decoding algorithmabstractgps is global positioning system，and which has the characteristics of global coverage an

3、d all-weather work. currently，gps receiver is more widely used in the land，air and maritime field and has played a great role in the positioning and navigation for users. with the upgrade of gps and the development of new satellite navigation system，compared to traditional gps receiver, gps software

4、 receiver with the features of low cost and high flexibility is more prominent. this paper researches and realizes the major algorithms of gps receiver base band signal processing and navigation solution. it emphasizes researching algorithms of base band signal processing and realizing navigation so

5、lution under condition of specific hardware and real-time satellite signals. therefore, it presents a whole working-flow following the signal flow in a gps receiver. the innovation of this paper is realizing navigation solution in condition of real-time satellite signals.the major part of this paper

6、 was concentrated on expatiation and comparison of the major algorithms of gps signal searching, acquisition, racking and navigation solution in gps receiver. the navigation solution algorithms are also discussed in detail in term of software approach.finally, this paper analyzes the whole system, i

7、ntroduces main function-units, illustrates the general flow chart of navigation solution. furthermore, it analyzes the performance of thesystem and draws an conclusion.key words: gps; synchronization; pseudoranges; navigation solution; software implementation目 錄1. 緒論11.1 課題研究背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 必要性和可

8、行性分析31.4 研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)42. gps衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理52.1 gps系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)52.2 gps坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)72.2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)72.2.2 時間系統(tǒng)72.3 gps衛(wèi)星信號的基本結(jié)構(gòu)82.3.1 gps衛(wèi)星信號的調(diào)制82.3.2 載波信號102.3.3 偽隨機碼信號122.3.4 導(dǎo)航電文142.4 本章小結(jié)173. gps導(dǎo)航電文的解調(diào)方案設(shè)計183.1 位同步的原理及算法183.1.1 位同步的意義183.1.2 位同步的算法原理193.2 子幀同步的原理及算法213.2.1 幀同步的意義213.2.2 幀同步的算法原理213.3.1 測量偽距的意義243.3.2

9、 偽距的測量原理253.3.3 信號傳輸時間的測定273.4 本章小結(jié)274. 導(dǎo)航電文的解調(diào)仿真實現(xiàn)284.1 解調(diào)的仿真實現(xiàn)結(jié)果284.1.1 位、幀同步后的導(dǎo)航電文284.1.2 提取出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)314.2 偽距的計算結(jié)果及誤差分析344.3 本章小結(jié)375. 總結(jié)和展望385.1 前期總結(jié)385.2 后期展望38致 謝39參考文獻(xiàn)40附錄41附錄a外文翻譯-原文部分41附錄b外文翻譯-譯文部分431. 緒論1.1 課題研究背景近年來，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，日益顯示出其巨大的優(yōu)越性和其在經(jīng)濟(jì)、軍事領(lǐng)域的重要作用。衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機具有體積小、重量輕、低成本、長期穩(wěn)定可靠等特點，

10、可實現(xiàn)全天候、全球覆蓋、實時連續(xù)導(dǎo)航定位，其定位精度有界且不隨時間和距離積累。gps在軍事上有著廣泛的應(yīng)用，主要包括全時域的自主導(dǎo)航、各種作戰(zhàn)平臺的指揮監(jiān)控、精確制導(dǎo)和打擊效果評估、未來單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)保障以及軍用數(shù)字信網(wǎng)絡(luò)授時等等。在信息化時代，gps已經(jīng)成為高技術(shù)戰(zhàn)爭的重要支持系統(tǒng)，可以極大地提高部隊的指揮控制、多軍種協(xié)同作戰(zhàn)和快速反應(yīng)能力，大幅度地提高武器裝備的打擊精度和效能。然而，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)也存在不足，如抗干擾能力弱、更新率低、動態(tài)性能差等如何在現(xiàn)有條件下，進(jìn)一步提高gps抗干擾能力，特別是高動態(tài)、大機動條件下接收機仍能正常工作并提供有效導(dǎo)航定位信息能力，是目前正在開展的研究熱點領(lǐng)域

11、。進(jìn)一步提高gps性能有多種技術(shù)途徑，如調(diào)零天線技術(shù)、偽衛(wèi)星技術(shù)、慣性輔助技術(shù)等。本文在gps軟件基礎(chǔ)上，針對高動態(tài)環(huán)境，通過進(jìn)一步改進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法、尋求新的數(shù)據(jù)處理方法，是一條能夠降低成本、簡單易行的技術(shù)路線。全球定位系統(tǒng)（global position system-gps）是本世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)。gps主要由地面控制部分、空間部分和用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。gps系統(tǒng)的建立和投入使用就是定位于雙用途(軍用和民用)的空基電子導(dǎo)航系統(tǒng)，其所有權(quán)、控制權(quán)和運行權(quán)都屬于美國。gps衛(wèi)星

12、發(fā)射的無線電信號包括兩種精度不同的測距碼(p碼和c/a碼)，相對應(yīng)于兩種不同的測距精度，即提供兩種不同的定位服務(wù)，即精密定位服務(wù)(pps)和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(sps)，pps的主要對象是美國軍事部門和其他特許部門，其單點定位精度是10m，sps主要對象是廣大民間用戶，由于實際的效果比預(yù)計的效果好的多，美國政府為了保衛(wèi)所謂的國家利益，出臺了旨在降低民用定位精度的sa(selective availability)政策，人為地引入了誤差，使得民用級的sps水平定位精度降為100m，垂直定位精度降為157m，并從1997年7月1日起，全部在軌衛(wèi)星均實施sa技術(shù)。sa政策的引入嚴(yán)重的影響了國際可接收性，許

13、多提高定位精度的技術(shù)應(yīng)運而生，如差分gps定位技術(shù)、載波相位定位技術(shù)。這些技術(shù)都極大的提高了sps的定位精度。與此同時，替代系統(tǒng)的出現(xiàn)，如與gps抗衡的前蘇聯(lián)的glonass系統(tǒng)，特別是20世紀(jì)90年代以后，國際民航組織所倡導(dǎo)的gnss體制，使美國政府感到壓力。終于美國宣布自2000年5月1日起取消sa政策，sps的定位精度比原來提高五至十倍。正因為如此，從gps系統(tǒng)的建立和投入使用起，gps技術(shù)就有了飛速的發(fā)展，目前這一技術(shù)已經(jīng)廣泛地融入到我們的生活中，除了被應(yīng)用在大地測量、地質(zhì)勘探、石油開采、地震及氣象監(jiān)測這些領(lǐng)域外，隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路的發(fā)展和定位功能需求，gps已經(jīng)開始更多地嵌入到移

14、動手持設(shè)備、消費電子產(chǎn)品中。在用戶設(shè)備中，接收機核心芯片是關(guān)鍵技術(shù)之一，芯片技術(shù)直接關(guān)系到gps產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和未來發(fā)展走向?，F(xiàn)階段gps接收機的研究中，整個接收機的性能無法從射頻前端和導(dǎo)航處理模塊中得以巨大提升。要獲得更高精度的定位，或者要更快速度的捕獲到衛(wèi)星，就要從基帶信號處理模塊入手，基帶處理中包括偽碼、載波的捕獲和跟蹤，位同步、幀同步的完成以及把解調(diào)出數(shù)據(jù)送給導(dǎo)航處理模塊。基帶處理部分性能的好壞是決定整個gps接收系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。因此本項目就著力于能很好的實現(xiàn)位同步、幀同步的完成和數(shù)據(jù)的解調(diào)和偽距的測算。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在歐美等國家，gps接收機的研究和開發(fā)已經(jīng)相對成熟，只是在追

15、求高性能、多樣化接收機方面不斷完善，在諸如微弱信號檢測、信號快速搜索、縮短啟動時間等方面進(jìn)行不斷改善。近年來，關(guān)于gps的研究不斷升溫，在接收機研究方面，主要集中在gps如何滿足車輛、武器、航空、航海、個人手持式導(dǎo)航設(shè)備的要求。其中小型化、低功耗、高精度、連續(xù)性、完好性、可用性、安全性等問題仍然是研究的熱點。同時，軟件gps接收機、gps與慣性導(dǎo)航（ins）、推算導(dǎo)航（dr）組合也受到越來越多的關(guān)注。具體說來，目前主要解決的技術(shù)問題集中在系統(tǒng)的抗欺騙、抗干擾、弱信號捕獲、誤差分析、誤差消除、多徑抑制、二星定位、三星定位、幾何精度因子監(jiān)控、差分技術(shù)（rtd/rtk）、載波相位解模糊、載波周跳修復(fù)

16、、地面?zhèn)涡l(wèi)星、信號質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測、測量質(zhì)量檢測等技術(shù)問題。目前,以上問題（比如精度、誤差消除、差分技術(shù)等）有些已經(jīng)得到很好解決，但仍有許多問題是當(dāng)前gps導(dǎo)航領(lǐng)域技術(shù)攻關(guān)的重點。在國外與接收機研發(fā)相對應(yīng)的市場應(yīng)用也比較成熟和完善，無論是在軍事領(lǐng)域還是日常生活，基于gps的導(dǎo)航定位已經(jīng)深入人心。在軍事應(yīng)用方面，gps主要用于海、陸、空各類機動平臺的定位，各類導(dǎo)彈、炸彈精確制導(dǎo)，野戰(zhàn)機動部隊定位和定時以及指引救援行動等方面?？梢哉f其已成為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的重要組成部分。在航海導(dǎo)航方面，截至2001年底，世界上最后一段海岸線即南美洲阿根廷沿海dgps基站投入使用，標(biāo)志著全球航海導(dǎo)航全部實現(xiàn)了gps

17、化，gps成為海上導(dǎo)航的主要手段。在航空導(dǎo)航方面，由于航空導(dǎo)航gps化是gps系統(tǒng)建設(shè)的重要目標(biāo)之一，但航空導(dǎo)航可靠性要求高，技術(shù)相對復(fù)雜，因此gps航空導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)落后于gps航海系統(tǒng)。國際上，為了使衛(wèi)星導(dǎo)航成為航空導(dǎo)航的主導(dǎo)航手段，需要在現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上，建設(shè)增強系統(tǒng)，如北美的waas系統(tǒng)、laas系統(tǒng)，歐洲的egnos系統(tǒng)，日本的msas系統(tǒng)等?？梢哉f，gps將成為世界航空的主導(dǎo)航手段。在民用方面，由于gps設(shè)備具有精度高、體積小、功耗小、成本低、實時性強、全球通用等特點，因此，越來越廣泛地被應(yīng)用到交通運輸、城市監(jiān)控、天氣監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報與防治、地震監(jiān)測、電力網(wǎng)控制、通訊網(wǎng)控制、個

18、人移動通信、遙感、測量、商業(yè)活動、農(nóng)業(yè)耕作等一切與位置、速度、時間有關(guān)的人類活動中，并且發(fā)揮著越來越重要的作用。gps系統(tǒng)的建立和投入使用、gps應(yīng)用技術(shù)的研究、潛在應(yīng)用領(lǐng)域的開拓及用戶設(shè)備軟硬件的不斷完善，為gps這一高新技術(shù)的應(yīng)用展現(xiàn)了極為廣闊的前景。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，相關(guān)研究不斷深入，系統(tǒng)也在不斷地發(fā)展和完善。特別是隨著gps系統(tǒng)推廣應(yīng)用過程中所暴露出來的問題，世界各國都在大力開展相關(guān)研究，并不斷有新，的技術(shù)和措施涌現(xiàn)。最近，在衛(wèi)星星上技術(shù)和設(shè)備方面，美國國防部己著手對現(xiàn)有g(shù)ps系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，增發(fā)3個新信號:一是高功率點波束軍用m碼，其信號增益比gps現(xiàn)有信號高得多，只供軍方使

19、用，具有極強的抗干擾能力和保密能力，有助于確保美軍在戰(zhàn)時復(fù)雜的電子環(huán)境和干擾條件下使用;二是將c7a碼加載在lz載波上，原來加載在ll載波上的c/a碼繼續(xù)保留:三是ls碼，用作生命安全信號，僅供民用。除此之外，美國還在不斷探索新的gps體系結(jié)構(gòu)。在gps接收機領(lǐng)域的新近取得的兩項最為重要的技術(shù)是gps接收機應(yīng)用組件 (gram)和有選擇地利用或防欺騙模塊(saasm)。其中g(shù)ram是一種標(biāo)準(zhǔn)電子插件，可將其加在未來的飛機、艦艇、導(dǎo)彈和各種武器中，確保安全性、互通性，減少非標(biāo)準(zhǔn)接口、定義和功能的數(shù)目。所有的gram將采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能靈活地增加、替代或取消系統(tǒng)中的某些元件。saasm是第二代

20、的gps技術(shù)產(chǎn)品安全模塊，用于保護(hù)保密的gps算法、數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)，它將集成到接收機應(yīng)用模塊中。這種集成技術(shù)將提高gps系統(tǒng)的安全性，使gps接收機更易于維護(hù)，降低其費用。同時，為了解決gps接收機信號弱、易受干擾等問題，洛克希德馬丁公司與羅克韋爾科林公司共同開發(fā)了gps時陽j一空間抗干擾接收機(g一star)系統(tǒng)，其特點是:在抑制干擾信號的同時，能融合各天線接收到的信號，形成指向gps衛(wèi)星的波束;能進(jìn)行數(shù)字信號處理，濾掉干擾信號:還具有波束指向、抑制和過濾各種干擾的能力，以適應(yīng)環(huán)境的變化(包括平臺或干擾源的移動)。我國gps應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)以測繪界為先鋒，在航海、航空、公交、遙感、城建以及軍事等多

21、個領(lǐng)域逐步展開，并取得了一定的成績(，國內(nèi)的一些主要沿海港口相繼建立起差分gps系統(tǒng)來引導(dǎo)艦船入港，大大提高了安全性;從19%年12月起，國家測繪局正式向社會提供gps的精密星歷數(shù)據(jù)、隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的影響和作用日益增大，特別是其具有的重大戰(zhàn)略意義，已引起我國的高度重視，并相繼開展了有關(guān)研究，建立起深層次的衛(wèi)星導(dǎo)航定位研發(fā)基地。2003年6月1日，我國自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著我倒已經(jīng)擁有了完全自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用進(jìn)入了實質(zhì)性階段。分別于2007年2月3日發(fā)射的北斗id衛(wèi)星和4月14日發(fā)射的com隊55一ml衛(wèi)星，標(biāo)志著從北斗一代

22、到北斗二代、從主動式導(dǎo)航到被動式導(dǎo)航的順利過渡。經(jīng)過努力，可以相信在不遠(yuǎn)的將來，我國的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位技術(shù)必將突飛猛進(jìn)，充分發(fā)揮出它在現(xiàn)代化建設(shè)中的潛在效能。1.3 必要性和可行性分析gps導(dǎo)航技術(shù)于20世紀(jì)80年代中期引入中國，迄今己在很多領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用。但是目前gps在我國的應(yīng)用還處于比較落后的狀態(tài)，隨著目前接收終端設(shè)備的集成度越來越高，接收機越來越向小型化、低功耗發(fā)展，設(shè)計的難度越來越大。另外在國防產(chǎn)品中使用國外的這些芯片對國家安全也會有一些潛在的威脅。目前，中國正在發(fā)展自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國新的經(jīng)濟(jì)增長點，gps技術(shù)的研究對我國研發(fā)自主的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和產(chǎn)品有

23、著極大的戰(zhàn)略意義。在加大力度發(fā)展我國集成電路產(chǎn)業(yè)的同時，芯片技術(shù)直接關(guān)系到gps產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和未來發(fā)展走向。我們應(yīng)開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)和掌握核心技術(shù)的芯片，跟上國際gps的腳步。國內(nèi)許多機構(gòu)已經(jīng)成功的用gp2021和ti系列dsp設(shè)計完成了gps接收機信號處理的設(shè)計，前期研究成果中的基帶信號處理算法可對本課題的研發(fā)進(jìn)行理論指導(dǎo)。從國家安全方面看，由于現(xiàn)在是科技時代，科技強則國家強，因此為了國家的安全必須大力發(fā)展gps技術(shù)，這已在北京奧運，汶川地震中得到體現(xiàn)，體現(xiàn)出國家對此的重視。從社會影響方面看，gps技術(shù)已經(jīng)廣泛用于海陸空交通運輸，有線和無線通信，地質(zhì)，資源調(diào)查，森林防火，醫(yī)療急救，海上搜

24、救，精密測量，車輛監(jiān)控，目標(biāo)監(jiān)控等領(lǐng)域。從經(jīng)濟(jì)效益方面看，它在軍事，交通，氣象，測繪，通信，治安，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造等領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景。如果gps技術(shù)在各領(lǐng)域都能得到推廣，那它所創(chuàng)造出價值會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出想象。從經(jīng)濟(jì)效益方面看，它在軍事，交通，氣象，測繪，通信，治安，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。如果gps技術(shù)在各個領(lǐng)域都能得到推廣，那么它所創(chuàng)造出的價值會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出想象。但是目前gps在我國的應(yīng)用還處于比較落后的狀態(tài)，主要體現(xiàn)在國內(nèi)的gps應(yīng)用產(chǎn)品市場上的大部分產(chǎn)品是進(jìn)口的。在國產(chǎn)的產(chǎn)品中，絕大部分也都是利用進(jìn)口的gps接收機oem產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)生產(chǎn)出來的。我國幾乎沒有獨立知識產(chǎn)權(quán)的gps芯片

25、產(chǎn)品。由此可見，目前國內(nèi)對gps的核心技術(shù)的研究還存在繼續(xù)深入的廣闊空間。目前，中國正在發(fā)展自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國新的經(jīng)濟(jì)增長點，同時，我國正加大力度發(fā)展我國集成電路產(chǎn)業(yè)，對于自主研發(fā)集成芯片的需求越來越大，而核心芯片是gps系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，芯片技術(shù)直接關(guān)系到gps產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和未來發(fā)展走向。所以對于gps導(dǎo)航技術(shù)的研究就很有必要性。1.4 研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)本論文共分為5章，各章主要內(nèi)容如下：第一章，緒論。介紹了課題的研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了研究該課題的必要性，分析課題的可行性，并說明了論文的研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)。第二章，gps系統(tǒng)的組成和gps信號介紹。介紹

26、了gps系統(tǒng)的三大組成部分：空間部分，地面部分和接收機；詳細(xì)介紹了gps信號產(chǎn)生原理和具體的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)的介紹了導(dǎo)航電文的格式和具體內(nèi)容。第三章，gps接收機導(dǎo)航電文解調(diào)算法總體方案設(shè)計。詳細(xì)地介紹了用于位同步、幀同步的原理和相應(yīng)的算法和偽距的測量原理，并在此基礎(chǔ)上對偽距進(jìn)行計算。第四章，gps導(dǎo)航電文解調(diào)算法的仿真實現(xiàn)。介紹了基于matlab軟件工具的的信號處理模塊的仿真，包括用matlab完成導(dǎo)航電文位同步算法的仿真實現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上用matlab仿真實現(xiàn)導(dǎo)航電文幀同步算法，完成導(dǎo)航電文的解調(diào)。仿真實現(xiàn)導(dǎo)航電文的解調(diào)，提取相應(yīng)時間信息并結(jié)合提取的原始觀測量值實現(xiàn)偽距的計算。第5章

27、總結(jié)?？偨Y(jié)了課題前期的成果。并對課題的后期工作進(jìn)行了展望。2. gps衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理2.1 gps系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)整個gps定位系統(tǒng)由三部分組成，即由gps衛(wèi)星組成的空間部分、由若干地面站組成的地面監(jiān)控系統(tǒng)和以接收機為主體的用戶設(shè)備。三者有各自獨立的功能和作用，但又是有機配合、缺一不可的整體系統(tǒng)。圖2.1顯示了gps定位系統(tǒng)的三個組成部分及相互關(guān)系。圖2-1 gps系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)(1) 空間衛(wèi)星部分gps系統(tǒng)空間部分是指由多顆gps衛(wèi)星組成的星座。全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座部分由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面內(nèi)，每個軌道面上分布有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對地球赤道

28、面的傾角為550，各軌道平面升交點的赤經(jīng)相差600，軌道平均高度約為20200km，衛(wèi)星運行周期為11小時58分。因此，同一觀測站上每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時間和地點而異，最少為4顆，最多可達(dá)n顆。在用gps信號導(dǎo)航定位時，為了結(jié)算測站的三維坐標(biāo)，必須觀測4顆衛(wèi)星，稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時，甚至不能測得精確的點位坐標(biāo)，這種時間段叫做“間隙段”。但這種時間間隙段是很短暫的，并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實時的導(dǎo)航定位測量。gp

29、s工作衛(wèi)星的編號和試驗衛(wèi)星基本相同。gps星座的衛(wèi)星分布如圖2-2所示。圖2-2 gps星座的衛(wèi)星分布gps導(dǎo)航衛(wèi)星在空間的上述配置，保障了在地球上任何地點、任何時刻至少可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，加之衛(wèi)星信號的傳播不受天氣的影響，因此gps是一種全球性、全天候的連續(xù)實時定位系統(tǒng)。不過， gps衛(wèi)星的上述分布，仍無法避免在某一地區(qū)某一短時內(nèi)僅能觀測到4顆幾何分布較差的衛(wèi)星，而無法達(dá)到必要的定位精度。gps衛(wèi)星的基本功能是:1)接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的指令。2)衛(wèi)星上設(shè)有微處理機，進(jìn)行部分必要的數(shù)據(jù)處理工作。3)通過星載高精度艷鐘和鉚鐘提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)。4)向用戶發(fā)

30、送導(dǎo)航與定位信息。5)在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。(2) 地面控制部分gps的地面監(jiān)控部分目前主要由分布在全球的5個地面站所組成，其中包括五個衛(wèi)星監(jiān)測站、一個主控站和三個信息注入站。1)監(jiān)測站現(xiàn)有5個地面站均具有監(jiān)測站的功能，5個衛(wèi)星監(jiān)控站分別位于全球5個不同的位置。監(jiān)測站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動采集中心。每個監(jiān)測站配有g(shù)ps接收機、高精度原子鐘、計算機各一臺和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器，接收機對gps衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，以采集數(shù)據(jù)和監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況。原子鐘提供時間標(biāo)準(zhǔn)，而環(huán)境傳感器收集有關(guān)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。所有觀測資料由計算機進(jìn)行初步處理并存儲和傳送到主控站，

31、用以確定衛(wèi)星的精密軌道。2)主控站主控站一個，設(shè)在美國科羅拉多的施瑞?？哲娀亍Ｖ骺卣静杉鱾€監(jiān)測站傳過來的數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算每一顆衛(wèi)星的星歷，時鐘校正量，狀態(tài)參數(shù)，大氣校正量等，并按一定格式編輯成導(dǎo)航電文傳送到注入站。主控站除了協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作外，其主要任務(wù)是:根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的所有觀測資料推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)傳遞到注入站;提供全球定位系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)，各監(jiān)測站和gps衛(wèi)星的原子鐘均應(yīng)與主控站的原子鐘同步或測出其鐘差，并把這些鐘差信息編入導(dǎo)航電文送到注入站;調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運行;判斷衛(wèi)星工作狀態(tài)，啟動備用

32、衛(wèi)星，以代替失效的工作衛(wèi)星。3)注入站注入站的主要設(shè)備包括一臺直徑為3.6m的天線，一臺c波段發(fā)射機和一臺計算機，其主要任務(wù)是在主控站的控制下將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，每天注入3-4次，并監(jiān)測注入信息的正確性。此外，注入站能自動向主控站發(fā)射信號，每分鐘報告一次自己的工作狀態(tài)。整個gps系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化的專用通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，在原子鐘和計算機的驅(qū)動和精確控制下，各項工作實現(xiàn)了高度的自動化和標(biāo)準(zhǔn)化。(3)用戶接收機部分全球定位系統(tǒng)的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶廣泛應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)，而用

33、戶只有通過用戶設(shè)備，才能實現(xiàn)gps導(dǎo)航和定位的目的。根據(jù)gps用戶的不同要求所需的接收設(shè)備各異，用戶設(shè)備部分的主要設(shè)備是gps接收機，它是一種特制的無線接收機，主要由硬件、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備組成。而gps接收機的硬件一般包括gps接收模塊、天線和電源，其中g(shù)ps接收模塊是gps接收機的核心部件。gps接收機的主要作用是接收gps衛(wèi)星發(fā)射的信號，對衛(wèi)星信號進(jìn)行處理后以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理完成導(dǎo)航和定位工作。根據(jù)所得的數(shù)據(jù)確定接收機所在的地理位置。根據(jù)不同性質(zhì)的用戶和所需的功能，需要配置不同種類的gps接收機。其性能結(jié)構(gòu)、形狀尺寸和價格也大不相同。gps接收機一般可

34、以分為導(dǎo)航型、測地型和授時型。隨著gps定位技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，許多國家都在積極研制、開發(fā)適用于不同要求的gps接收機及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。目前，世界上gps接收機越來越趨于小型化。gps接收機的工作流程是:當(dāng)gps衛(wèi)星在用戶視界升起時，接收機能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并能夠跟蹤這些衛(wèi)星的運行;對所接收到的gps信號，具有變換、放大和處理的功能，以便測量出gps信號從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間，解譯出gps衛(wèi)星的運行所發(fā)出的導(dǎo)航電文，實時的計算出測站的三維位置、三維速度和時間。2.2 gps坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)2.2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位是建立在全球大地系

35、統(tǒng)(wgs-world geodetic system)的基礎(chǔ)上的，它是一種以地球質(zhì)心為原點，與地球固連的坐標(biāo)系(地固坐標(biāo)系)。全球大地參考系統(tǒng)的精度受技術(shù)水平的限制，也由相應(yīng)的任務(wù)精度要求而定。1960年，美國推出了wgs-60，以后義相繼推出wgs-66和wgs-72，其精度不斷提高。1984年美國軍用制圖署對地球進(jìn)行新的測量和定義，推出了wgs-84并沿用至今。世界大地坐標(biāo)系具體定義如下：原點：地球的質(zhì)量中心；z軸：指向bih1984.0（bih：國際時間局）定義的協(xié)議地球極(ctp)方向；x軸：指向bih1984.0的零度子午面和ctp赤道的交點；y軸：與x軸、z軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

36、世界大地坐標(biāo)系中的點，用表示。其中，表示測地經(jīng)度，表示測地緯度，表示測地高度。wgs-84采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù)為長半徑=6378137m；地球引力常數(shù)gm=3986005108m3/s2；正?；A帶諧系數(shù)c2.0=-484.1668510-6；地球自轉(zhuǎn)角速度=729211510-11rad/s；2.2.2 時間系統(tǒng)在gps衛(wèi)星系統(tǒng)中，時間系統(tǒng)具有重要的意義，因為gps衛(wèi)星的位置、偽距的測量都是在一定時間系統(tǒng)下計算的，另外，gps本身也發(fā)播一種形式的協(xié)調(diào)世界時(utc)，以便為全世界的用戶提供時間同步能力。常用到的時間系統(tǒng)有：(

37、1)世界時世界時以地球自轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)，1960年以前一直作為時間測量的基準(zhǔn)，由于地球的自轉(zhuǎn)，太陽會周期性的經(jīng)過某個地點上空。太陽連續(xù)兩次經(jīng)過某條子午線的平均時間間隔稱為一個平太陽日，以此為基準(zhǔn)的時間稱為平太陽時。英國格林威治從午夜起算的平太陽時稱為世界時，一個平太陽日的1/86400規(guī)定為一個世界時秒。地球自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)的變化和地球自轉(zhuǎn)速度不均勻都會對世界時產(chǎn)生影響。(2)原子時由于原子內(nèi)部能級躍遷所發(fā)射或者吸收的電磁波頻率極為穩(wěn)定，比以地球轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)的計時系統(tǒng)更為均勻，因而得到廣泛應(yīng)用。原子時以位于海平面的銫原子133原子基態(tài)兩個超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級躍遷輻射的電磁波周期為基準(zhǔn)，從1958年1月1日

38、零時開始啟用。銫束頻標(biāo)的9192631770個周期持續(xù)的時間為一個原子時秒，86400個原子時秒定義為一個原子時日。(3)協(xié)調(diào)世界時協(xié)調(diào)時(utc-universal time coordinated)并不是一種獨立的時間，而是時間服務(wù)工作中把原子時的秒長和世界時的時刻結(jié)合起來的一種時間。它既可以滿足人們對均勻時間間隔的要求，又可以滿足人們對以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的準(zhǔn)確世界時時刻的要求。協(xié)調(diào)時的定義是它的秒長嚴(yán)格等于原子時秒長，采用整數(shù)調(diào)秒的方法使協(xié)調(diào)時與世界時之差保持在0.9s之內(nèi)。(4)gps時gps時是由gps星載原子鐘和地面監(jiān)控站原子鐘組成的一個原子時系統(tǒng)，與國際原子時保持有19s的常數(shù)差，

39、并在gps標(biāo)準(zhǔn)歷元1980年1月6日零時與utc保持一致。gps時間在0到604800s之間變化，零秒是每星期六午夜，每到此時gps時間重新設(shè)定為零，gps周數(shù)加1。特別指出的是從導(dǎo)航電文中解調(diào)出來的gps時是對1024星期取模的，在進(jìn)行歷書和星歷的有效性判決時，應(yīng)做相應(yīng)的修正。2.3 gps衛(wèi)星信號的基本結(jié)構(gòu)2.3.1 gps衛(wèi)星信號的調(diào)制在數(shù)字通訊技術(shù)中，為了有效的傳播信息，一般將低頻信號加載到高頻的載波上，這時原低頻信號稱為調(diào)制信號，而加載信號后的載波稱為調(diào)制波。gps衛(wèi)星信號的調(diào)制，是采用調(diào)相技術(shù)實現(xiàn)的。bpsk是一種簡單的數(shù)字信號調(diào)制方案，其中在相鄰的時間間隔上，取決與所傳的數(shù)字信號

40、是0或是1，rf載波分別以原來的相位或是180。相位翻轉(zhuǎn)的方式傳輸。如圖2-3所示，bpsk信號可視為兩種時序波形的乘積-未調(diào)制的rf載波和數(shù)據(jù)波，數(shù)據(jù)波在每個連續(xù)的時間間隔內(nèi)取值為+1或是。圖2-3 bpsk調(diào)制直接序列擴(kuò)頻(dsss)可以視為bpsk的一種擴(kuò)展，是gps和其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所用的另一種相移鍵控調(diào)制方式。如圖2-4所示表明載波信號的調(diào)制過程，dsss信號加上了第三個分量，稱為擴(kuò)頻或prn波，類似數(shù)據(jù)波，但符號率高得多。這種prn波是完全已知的，prn波是周期性的，用來產(chǎn)生prn波的一個周期的有限比特序列稱為一個prn序列或prn碼。在prn波形轉(zhuǎn)換之間的最小時間間隔通常稱為碼片

41、周期；在一個碼片周期之上的prn波部分稱為一個碼片或擴(kuò)頻符號;碼片周期的倒數(shù)稱為碼片速率。prn的獨立時間參數(shù)常常以碼片為單位來表示，稱為碼相位。圖2-4 dsss調(diào)制上述信號稱為擴(kuò)頻，是因為在更高速率的prn波調(diào)制之后信號所占用的帶寬更寬了。一般而言帶寬與碼速率成正比。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中使用dsss波主要有三個原因:首先，也是最重要的，由prn調(diào)制所帶來的信號中頻繁的相位反轉(zhuǎn)使得接收機能夠精密測距。其次，使用來自一個良好設(shè)計集合的不同prn序列使得多個衛(wèi)星能夠在同一載波上同時傳送信號，接收機能夠基于不同的碼區(qū)分這些信號，由于這點，在一個共用載頻上具有不同擴(kuò)頻序列的多個dsss信號的傳輸稱為碼分多

42、址。最后，dsss抑制窄帶的效果顯著。gps衛(wèi)星向用戶發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，.不同于常用的無線電廣播臺所發(fā)送的調(diào)頻調(diào)幅信號，而是利用偽隨機噪聲碼傳送導(dǎo)航電文的調(diào)相信號，是采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)發(fā)送的衛(wèi)星導(dǎo)航信號。其載波處于l波段，其調(diào)制波是衛(wèi)星電文和偽隨機噪聲碼的組合碼。gps衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，是一種不歸零二進(jìn)制碼組成的編碼脈沖串，可以表述為數(shù)據(jù)碼d(t)，其速率為50bps，換言之，d碼的碼率為50hz。數(shù)據(jù)碼d(t)包括衛(wèi)星的星歷、工作狀態(tài)、時鐘改正、電離層時延改正、大氣折射改正等信息，它是導(dǎo)航和定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為了節(jié)省衛(wèi)星的電能、增強gps信號的抗干擾性和保密性、實現(xiàn)遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星通訊，gps衛(wèi)星

43、采用偽噪聲碼對d碼進(jìn)行二級調(diào)制，即先將d碼調(diào)制成偽噪聲碼(p碼和c/a碼)，再將這兩種偽噪聲碼調(diào)制在li(1575.42mhz)和l2(1227.6mhz)兩個載波上，形成向用戶發(fā)射的gps射頻信號。根據(jù)信息論的香農(nóng)(c.e.shannon)定理，在高斯白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)容量為 (2.1)式中b為通信系統(tǒng)的頻帶寬度，s是信號平均功率，n為噪聲功率。上式表明，當(dāng)系統(tǒng)容量c一定時，增大頻帶寬度b，可以減小信噪比及萬?？梢岳迷龃笙到y(tǒng)帶寬的辦法降低所要求的信噪比，或者說用很小的發(fā)射功率，便可實現(xiàn)遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星通訊。這對于電能緊張的gps衛(wèi)星，是極為有益的，而且信號深埋在噪聲中，不易被他人捕獲，具

44、有極好的保密性。gps信號包括兩種載波(lllz)和兩種偽噪聲碼(p碼和c/a碼)，其中l(wèi)i調(diào)制有p碼、c/a碼和d碼;lz調(diào)制有p碼和d碼。這些均為dsss調(diào)制，這四種gps信號的頻率均源于10.23mhz(星載原子鐘的基頻)的基準(zhǔn)頻率?；鶞?zhǔn)頻率與各信號頻率之間存在一定的比例，如表2-1所示。表2-1 gps衛(wèi)星信號的頻率關(guān)系gps衛(wèi)星信號是將導(dǎo)航電文(d碼)經(jīng)過二級調(diào)制(擴(kuò)頻)形成的，如圖2-5所示為gps衛(wèi)星信號形成示意圖，該圖說明，gps衛(wèi)星的各個信號分量都由衛(wèi)星原子鐘振蕩器的基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生，并且信號調(diào)制過程是通過電路中一系列混頻、模二求和與疊加實現(xiàn)。先以50hz的d碼調(diào)制p碼或c/a碼

45、(碼率為10.23mhz或1.o23mhz)，得到的組合碼再去調(diào)制l波段的2個載波，實現(xiàn)d碼的第二次調(diào)制，形成向用戶發(fā)送的己調(diào)信號。gps信號使用兩種載頻，ll載波1575.42mhz，用于p碼和c/a碼兩種碼的調(diào)制；l2載波為1227.6mhz，僅用于p碼的調(diào)制。并且是采用正交調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制的，調(diào)制的gps信號表達(dá)式為： (2.2) (2.3)式中，。分別為p碼和c/a碼的振幅；，分別為第i顆衛(wèi)星的p碼和c/a碼；為導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼；，為載波l1和l2的角頻率；，為信號的起始相位。綜上所述，gps衛(wèi)星信號包括三種信號分量:載波、測距碼、導(dǎo)航電文。其時鐘基準(zhǔn)頻率為=10.23mhz，利用頻率合

46、成器產(chǎn)生需要的頻率。2.3.2 載波信號gps衛(wèi)星的測距碼信號和導(dǎo)航電文信號都屬于低頻信號，其中c/a碼和p碼的數(shù)碼率分別為l.023mbit/s與10.23mbit/s，而d碼(數(shù)據(jù)碼)的數(shù)碼率僅為50bit/s。gps衛(wèi)星離地面約20200km，其電能又非常緊張，因此很難將上述數(shù)碼率很低的信號傳輸?shù)降孛?。圖2-5 gps信號的產(chǎn)生框圖解決問題的方法就是發(fā)射另一種高頻信號，并將低頻的測距碼信號和導(dǎo)航電文信號加載到這一高頻信號上，構(gòu)成一高頻的調(diào)制波發(fā)射到地面。載波是一種能攜帶調(diào)制信號的高頻震蕩波，它的振幅、頻率及相位都能隨調(diào)制信號的變化而變化。 gps衛(wèi)星使用的載波頻率有l(wèi)1和l2兩部分，其中

47、載波l1的中心頻率為1575.42mhz，波長為19.03cm，載波l2的中心頻率為1227.6mhz，波長為24.42cm。載波l1和l2都是基于衛(wèi)星中的原子鐘所產(chǎn)生10.23mhz的基準(zhǔn)頻率f0形成的: (2.4) (2.5) 其中l(wèi)1頻段同時包含有c/a碼和p(y)碼，l2頻段只包含p(y)碼。由于這兩個頻率的時間參考是原子頻標(biāo)，所以它們是非常準(zhǔn)確的。但衛(wèi)星和接收機的相對運動產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)，其中由于衛(wèi)星運動產(chǎn)生的在l1頻率的多普勒頻偏大約為5 khz。目前，l1頻率包含了c/a碼和p(y)碼信號，而l2頻率包含了p(y)碼信號。在l1頻率上的c/a碼和p(y)碼信號在相位上互相正交，可

48、由下式表達(dá)： (2.6)其中是l1的頻率信號，是p碼的幅度，= 1代表p碼； = 1代表數(shù)據(jù)碼；是l1頻率；是初始相位；是c/a碼的幅度； =1代表c/a碼。在這個方程中p碼用來代替p(y)碼。這些信號能量電平非常微弱，頻譜是被擴(kuò)展的，所以信號不能被頻譜分析儀直接觀察到。即使當(dāng)信號被放大到一個合理可觀測的能量電平，c/a碼信號的頻譜仍不能被看到，因為噪聲始終比信號強。gps衛(wèi)星信號中載波的基本作用為傳送導(dǎo)航電文和測距碼。由于衛(wèi)星和接收間的相對運動，會使載波產(chǎn)生doppler頻移。對于固定的gps接收機，偏移載波的最大doppler頻移可達(dá)到5 khz。對于高速運動的gps接收機，偏移載波l1的

49、最大doppler頻移可達(dá)到10 khz 。此頻移量可以用于精確測定接收機的三維運動速度。在高精度的gps定位中，載波本身也可作為一種測距信號使用，這時可以提高測距精度，而使用兩個載波頻率發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航信號可以對電離層產(chǎn)生的附加延時進(jìn)行雙頻校正。在一般的通訊中載波的作用是傳送運輸調(diào)制信號，當(dāng)調(diào)制波到達(dá)接收機并解調(diào)出調(diào)制信號后，載波就不再起作用了。但在全球定位系統(tǒng)中，載波除了更好的傳送測距碼和導(dǎo)航電文外，本身也被當(dāng)作一種測距信號來使用，載波相位測量的精度很高，在高精度定位中有廣泛的應(yīng)用。2.3.3 偽隨機碼信號在gps衛(wèi)星信號中，測距碼是用于測定從衛(wèi)星至接收機間距離的二進(jìn)制編碼。由于全球定位系統(tǒng)是

50、軍民兩用系統(tǒng)，因此gps衛(wèi)星發(fā)射的測距碼中也包含了兩種性質(zhì)和精度均不相同的偽隨機噪聲碼信號c/a碼和p碼。(1)偽隨機碼的產(chǎn)生一組碼序列，對于某個時刻t而言，碼元是0或1完全是隨機的，但其出現(xiàn)的概率均為1/2，這種碼元是完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機噪聲碼序列。隨機噪聲碼具有良好的自相關(guān)性，gps碼信號就是利用了gps測距碼的良好的自相關(guān)性才獲得成功。自相關(guān)性是指兩個結(jié)構(gòu)相同的碼序列的相關(guān)程度，它由自相關(guān)函數(shù)描述。為了說明這個問題，可將隨機噪聲碼序列平移k個碼元，獲得具有相同結(jié)構(gòu)的新的碼序列。比較兩個碼序列，假定在它們的對應(yīng)碼元中，碼值相同的碼元個數(shù)為。，碼值相異的碼元個數(shù)為。那么兩者之差與兩者

51、之和的比值，即定義為隨機噪聲碼序列的自相關(guān)函數(shù)，并用表示。實際中，可用的取值判斷兩個隨機噪聲碼序列的相關(guān)性。當(dāng)平移的碼元個數(shù)k=0時，兩種結(jié)構(gòu)相同的碼序列其相應(yīng)碼元完全相同，這時=0，自相關(guān)系數(shù)=1；相反，當(dāng)k=0時，且假定序列中的碼元總數(shù)特別大，那么由于碼序列的隨機性，將有。，這時自相關(guān)函數(shù)。所以，根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的取值，即可以確定兩個隨機噪聲碼序列是否已經(jīng) “對齊”。如果gps衛(wèi)星發(fā)射一個隨機序列，而gps接收機在收到信號的同時復(fù)制出結(jié)構(gòu)和完全相同的隨機序列，由于信號傳播時間延遲的影響，被接收的隨機序列與復(fù)制出的隨機序列之間產(chǎn)生了平移，所以，若通過一個時間延遲器來調(diào)整，使兩者碼元相互完全對齊

52、，即有，那么就可以從gps接收機的時間延遲器測出衛(wèi)星信號到達(dá)用戶接收機的準(zhǔn)確傳播時間，再乘以光速便可確定衛(wèi)星至觀測站的距離。雖然隨機碼具有良好的自相關(guān)性，但由于它是一種非周期性的碼序列，沒有確定的編碼規(guī)則，所以實際上無法復(fù)制和利用。為了實際利用，gps采用一種隨機噪聲碼(pseudo random noise，prn)，簡稱偽隨機碼。這種碼是一種可以預(yù)先確定又可重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，具有一定周期的取值為0和1的離散符號串，具有類似于白噪聲隨機統(tǒng)計特性的二進(jìn)制碼序列。它不僅具有高斯噪聲所具有的良好的自相關(guān)特征，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。利用偽隨機碼信號可以實現(xiàn)低信噪比接收，可實現(xiàn)碼分多址通信，具有良

53、好的保密性。gps系統(tǒng)應(yīng)用偽隨機碼技術(shù)便于捕獲各顆衛(wèi)星的信號，同時還可以提供用于定位的測距數(shù)據(jù)。偽隨機碼由多級反饋移位寄存器單元構(gòu)成。偽碼的產(chǎn)生方式很多，gps系統(tǒng)中采用的是由m序列，即由最長線性反饋移位寄存器序列產(chǎn)生的復(fù)合碼。m序列是由多級反饋移位寄存器產(chǎn)生的，不同級數(shù)的反饋寄存器以及不同的反饋抽頭都將產(chǎn)生不同的m序列。1c/a碼的生成原理gps信號的c/a碼是長度為1023的gold碼(g碼)。g碼是由兩個碼長相等、碼時鐘速率相同的m序列優(yōu)選模2和構(gòu)成。每改變兩個m序列相對位移就可得到一個新的gold序列。對于長度為的m序列，每兩個碼可以產(chǎn)生n個g碼。g碼既具有良好的自相關(guān)特性，又具有優(yōu)良

54、的互相關(guān)特性，可供碼分多址系統(tǒng)選用。這也是gps采用g碼作為c/a碼的主要原因。c/a碼周期為lms，每個周期中都包含有1023個二進(jìn)制碼的低精度測距碼，每個碼持續(xù)時間(即碼元寬度)為lms/1023=0.97751711=977.5ns、相應(yīng)距離(即碼元長度=光速與時間的乘積)為293m。gps信號中c/a碼的碼速率為1.023mhz，c/a碼的產(chǎn)生原理如下圖所示：圖2-6 c/a碼的產(chǎn)生原理圖2.2中，兩個10級移位寄存器分別產(chǎn)生g1序列和g2序列，然后g1序列和經(jīng)過相位選擇后的g2序列通過模2加法器產(chǎn)生c/a碼序列。其中 (2.7) (2.8)按照上式中變更模二和的方法，可以獲得不同的g

55、ps衛(wèi)星的c/a碼。由于，兩個m序列均有1023個碼元，的平移序列便多達(dá)1023個，加上不平移的與的組合，則有1024個c/a碼，實際上只選用了37個c/a碼，其中32個用于gps衛(wèi)星。在生成c/a碼時，采用的序列的輸出不是直接由移位寄存器的末級輸出，而是利用相位選擇器選擇其中的兩級做模2運算后輸出，如圖2.2中選擇3單元和8單元。這樣做的結(jié)果是產(chǎn)生一個與原碼序列平移等價的序列，圖2.2中相當(dāng)于把直接由移位寄存器的末級輸出的碼序列平移了861個碼元。將平移后的序列和序列模2加后產(chǎn)生衛(wèi)星31的c/a碼。不同衛(wèi)星的相位選擇器選擇不同的兩個單元進(jìn)行模2運算，由此產(chǎn)生不同的平移量，結(jié)果產(chǎn)生對應(yīng)的36個

56、不同的c/a碼，實際有37個c/a碼，但是34和37的相位選擇是一樣的。其中前32個c/a碼用于gps衛(wèi)星(只有24個在軌道中)，33到37號c/a碼保留作為其他用途，比如偽衛(wèi)星。c/a碼的碼元長度為p碼的10倍，一般測距精度為碼元長度的百分之一左右，因此c/a碼的測距精度比p碼低一個數(shù)量級，故稱為粗碼。gps接收機可以很快的捕獲c/a碼。c/a碼具有如下特點：c/a碼碼長較短，易于捕獲，而通過捕獲c/a碼所得的信息，又可以方便的捕獲p碼，所以，通常稱c/a碼為捕獲碼；c/a碼的碼元寬度較大，若兩個序列的碼元相關(guān)誤差為碼元寬度的1/101/100，則此時所對應(yīng)的測距誤差可達(dá)29.32.9m。由

57、于其精度較低，又稱c/a碼為粗捕獲碼。c/a碼之所以用作gps信號傳輸，是因為它的相關(guān)性，這是其非常重要的特性，它分為兩種相關(guān)性:自相關(guān)性和互相關(guān)性。同一種c/a碼的相關(guān)性為自相關(guān)性，不同的c/a碼的相關(guān)性為互相關(guān)性。為了能夠捕獲信號，則當(dāng)本機產(chǎn)生的c/a碼與接收到的c/a碼相位完全吻合時，其相關(guān)性達(dá)到最高，同時若沒能吻合，則相關(guān)性比必須相對吻合時要低很多。c/a的互相關(guān)性必須保證很低，這樣才能使得接收機能夠通過不同的c/a碼來辨別不同的衛(wèi)星。2p碼的生成原理p碼由兩組各為12級反饋移位寄存器的電路產(chǎn)生，其基本原理與c/a碼相似，但其線路設(shè)計細(xì)節(jié)遠(yuǎn)比c/a碼復(fù)雜，且嚴(yán)格保密。p碼的特征是：碼長

58、bit；碼元寬度，相應(yīng)長度29.3m；周期7天；數(shù)碼率為10.23mbit/s。因為p碼碼長約為bit，所以如果仍采用搜索c/a碼的方法來捕獲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，那將是無法實現(xiàn)的。因此，一般都是先捕獲c/a碼，然后根據(jù)導(dǎo)航電文中給出的有關(guān)信息，便可捕獲p碼。另外，由于p碼的碼元寬度為c/a碼的1/10，這時若取碼元的相關(guān)精度仍為碼元寬度的1/101/100，則由此引起的距離誤差約為2.930.29m，僅為c/a碼的l/10。p碼的碼長很長(周期約為267天)，具有良好的保密性能。不易捕獲和破譯，主要用于軍方。c/a碼主要用于民用，是民用gps技術(shù)研究的

59、重點。本文研究的gps軟件接收機就是基于c/a碼的。2.3.4 導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、歷書、工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由c/a碼捕獲p碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼（或d碼）。這些信息以50bit/s的數(shù)據(jù)流調(diào)制在載頻上，數(shù)據(jù)采用不歸零的二進(jìn)制碼。導(dǎo)航電文是二進(jìn)制文件，它的基本單位叫“幀”，按“幀”向外發(fā)送，每一數(shù)字幀導(dǎo)航電文長1500bit，播送速率為50bit/s，所以發(fā)送一主幀（頁）電文需要30s時間。每主幀導(dǎo)航電文包括5個子幀，每個子幀長6s。每子幀由10個字組成，每個字為30bit，也就是每一子幀共含300hit電文。電文的播發(fā)速度為每秒50bit，所以播發(fā)給一幀電文的時間需要30秒，一套完整的導(dǎo)航電文由25個主幀（頁）組成，共37500bit，要750s才能傳完，即12.5min。第1，2，3子幀播放該衛(wèi)星的廣播星歷及衛(wèi)星鐘修正參數(shù)，其內(nèi)容每小時更新一次。第4，5子幀播放所有空中g(shù)ps衛(wèi)星的歷書(衛(wèi)星的概略坐標(biāo))，完整的歷書站25幀，要12.5分播完，其內(nèi)容只有在地面注入站注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)才更新。為了記載多顆衛(wèi)星的星歷，規(guī)定子幀4、5含有25頁，子幀1、2、3與子幀4、5的每一頁均構(gòu)成一幀電文。圖2-7 導(dǎo)航電文格式導(dǎo)航電文的內(nèi)容可分為遙測碼(tlw)、轉(zhuǎn)換碼(how)、第一數(shù)據(jù)