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GPS信号  

2010-07-08 21:02:59|  分类: 导航技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       GPS信号,是由全球定位系统(GPS)卫星振荡器所产生的信号,而所有GPS信号都由一个基本频率f0=10.23Mhz组成。 GPS 卫星发射的信号主要分为载波(Carrier wave)、测距码(Ranging Code)和导航电文(Navigation Messages )三部分。

一  载波

GPS卫星所用的两个载波均位于微波的 L波段,分别称为L1载波和L2载波

两个相关的载波信号:

L1(t) = A1cos(2πf1t + φ1)
L2(t) = A2cos(2πf2t + φ2)

φ1φ2描 述了相位噪声。载波信号的频率为基本频率f0整数倍。

f1 = 154f0 = 1575.42MHz
f2 = 120f0 = 1227.60MHz

\to \lambda_1\approx 19cm, \lambda_2\approx  24cm

      采用L波段的高频率载波可以较为精确的测定多普勒频移和载波相位,提高测速和定位精度。使用两个频率还可以测定电离层延迟。

二  测距码

    测距码有两种,都属于伪随机噪声码(Pseudo Random Noise,简称 PRN):C/A 码(Coarse/Acquisition Code)和P码(Precise Code)。

    C/A 码是用于进行粗略测距和捕获P码的粗码,也称捕获码。周期Tu为1毫秒,一个周期含有码元即码长Nu=210 - 1=1023,每个码元持续的时间即码元周期tu=1ms/1023=0.977517 微秒,相应的码元宽度为293.05米。C/A码是一种公开的明码,可供全球用户免费使用。但C/A码一般只调制在L1载波上,所以无法精确地消除电离层延迟。测距精度一般为± (2~3)米。

       P码是精确测定从GPS卫星到用户接收机距离的测距码,也称精码。实际周期为一周,码长为6.1871 × 1012码元, 码元周期0.097752微秒,相应码元宽度为29.3米。P码同时调制到L1载 波和L2载波上,测距精度为0.3米。因其巨大的军事 价值,1994年起美国实施了AS政 策,故目前只有美国及其盟友的军方以及少数美国政府授权的用户才能够使用到P码。普通用户可以 先捕获C/A码,在通过导航电文提供的数据计算出P码在整个序列码中的位置。

三  导航电文

GPS signal modulation scheme.svg

光有测距码用户还不能够得到每颗卫星的详细信息。因此GPS系统将导航电文调制在测距码前,导航电文中包含了反应卫星在空间位置、卫星钟的修正参 数、电离层延迟改正数等GPS定位所必要的信息,因此导航电文也称数据码(Data Message,D码)。

导航电文是具有一定格式的二进制码,以“帧”为单位向用户发送。每帧电文含有1500bit,传输速率为50bit/s。每个主帧包含5个子帧:

  • 子帧1包含有卫星钟改正数、GPS周数(Week Number)和卫星工作状态信息
  • 子帧2和子帧3主要向用户提供有关计算卫星在轨位置的信息,包括广播星历参数和数据龄期(Age of Data Offset,简称AODO)
  • 子帧4和子帧5提供了卫星导航、星座历书等信息


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