一，載波

????????可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)的高頻振蕩波稱為載 波。 GPS 衛(wèi)星所用的載波有兩 個(gè), 由于 它們均 位于微波的 L 波段, 故分別稱為 L1 載波和 L2 載波。 其中 L1 載波是由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn) 生的基準(zhǔn)頻率 f0 ( f0 = 10. 23MHz) 倍頻 154倍后形成的, 即 f1 = 154× f0 = 1 575. 42 MHz, 其波 長(zhǎng) λ1 為19. 03cm; L2 載波是由基準(zhǔn)頻率 f0 倍頻 120 倍后形成的, 即 f2 = 120× f0 = 1 227. 60MHz, 其波長(zhǎng)λ2為 24. 42 cm。 采用兩個(gè)不同頻 率載 波的 主要 目 的是 為了 較完 善地 消 除電 離層 延遲。 采用高頻率載波的目的是為了更精確地測(cè)定多普勒頻移和載 波相位 ( 對(duì)應(yīng)的 距離值) , 從而 提高測(cè)
速和定位的精度, 減少信號(hào)的電離層延遲, 因?yàn)殡婋x層延遲與信號(hào)頻率 f 的平方成反比。
????????在無線電通信中, 為了更好地傳送信息, 我們 往往 將這些 信息 調(diào)制在 高頻 的載 波上, 然后
再將這些調(diào)制波播發(fā)出去, 而不是直接發(fā)射這些信息。 在一般的通信中, 當(dāng)調(diào)制波到達(dá)用戶接收機(jī)解調(diào)出有用信息后, 載波的作用便告完成。 但在全球定位系統(tǒng)中情況有所不同, 載波除了能更好地傳送測(cè)距碼和導(dǎo)航電文這些有用信息外( 擔(dān)當(dāng) 起傳統(tǒng)意 義上載 波的作用 ) , 在 載波相位測(cè)量中它又被當(dāng)做一種測(cè)距信號(hào)來使用。 其測(cè)距精度比偽距測(cè)量的精度高 2 ～3 個(gè)數(shù)量級(jí)。因此, 載波相位測(cè)量在高精度定位中得到了廣泛的應(yīng)用。

二，測(cè)距碼

????????測(cè)距碼是用于測(cè)定從衛(wèi)星至接收機(jī)間的距離的二進(jìn)制碼。 GPS 衛(wèi)星中所用的測(cè)距 碼從性質(zhì)上講屬于偽隨機(jī)噪聲碼。 它們看似一組雜亂無 章的 隨機(jī)噪 聲碼, 其 實(shí)是按 照一 定規(guī)律 編排起來的、 可以復(fù)制的周期性的二進(jìn)制序列, 且具有類似于隨機(jī)噪聲碼的自相關(guān)特性。 測(cè)距碼是由若干個(gè)多級(jí)反饋移位寄存器 所產(chǎn)生 的 m 序 列經(jīng)平 移、 截短、求模二和等一系列復(fù)雜處理后形的。

1. 粗碼
用于進(jìn)行粗略測(cè)距和捕獲精碼的測(cè) 距碼稱 為粗碼, 也 稱捕 獲碼。 C /A 碼( Coarse / Acquisition Code) 的周期為 1ms, 一個(gè)周期中共含 1 023 個(gè)碼元。 每個(gè)碼元持續(xù)的時(shí)間均為 1ms /1 023 =
0. 977 517μs, 其對(duì)應(yīng)的碼元寬度為 293. 05m。 C /A 碼的測(cè) 距精度 一般為 ±( 2 ～3) m。 采 用窄
相關(guān)間隔( Narrow Correlator Spacing) 技 術(shù)后 測(cè)距 精度 可達(dá) 分 米級(jí), 與 精碼 的測(cè) 距 精度 大 體相當(dāng)。 C /A 碼是一種結(jié)構(gòu)公開的 明 碼, 供全 世界 所 有的 用戶 免費(fèi) 使用。 目前, C/ A 碼 只調(diào) 制在L1 載波上, 故無法精確地消除電離 層延遲。 隨著 全球定 位系 統(tǒng) 的現(xiàn) 代化, 在 衛(wèi) 星上 增設(shè) 調(diào)制了 C/ A 碼的第二民用頻率后, 該問題將可得到解決。
2. 精碼
用于精確測(cè)定從 GPS 衛(wèi)星至 接收機(jī) 距離 的測(cè) 距碼 稱為 精碼。 精碼 ( Precision Code) 也是一種周期性的二進(jìn)制序列, 其實(shí)際周期為一 星期。 一 個(gè)周 期中約 含 6. 2 萬億個(gè) 碼元。 每 個(gè)碼元所持續(xù)的時(shí)間為 C /A 碼 的 1 /10, 對(duì) 應(yīng) 的碼 元 寬度 為 29. 3m。 精碼 的 測(cè)距 精 度約 為 0. 3m。為防止敵 對(duì)方對(duì) GPS 信號(hào)進(jìn) 行電 子干 擾和電 子欺 騙, 美國從 1994 年 1 月 31 日起 實(shí)施 了 AS( Anti-Spoofing) 政策。 其具體做法是將 P 碼與絕密 的 W 碼進(jìn)行模 二相加以形成保密 的 Y 碼。Y 碼的結(jié)構(gòu)是完全保密的, 只有美國及其盟國的 軍方 用戶以 及少 數(shù)經(jīng) 美國政 府授 權(quán)的用 戶才能使用 Y 碼。 由于 P( Y) 碼 的碼 元寬 度僅 為 C /A 碼的 1 /10, 而且 該測(cè) 距碼 又同 時(shí) 調(diào)制 在 L1和 L2 兩個(gè)載波上, 可較完善地消除電離層延遲, 故用它來測(cè)距可獲得較精確的結(jié)果。

三，導(dǎo)航電文

導(dǎo)航電文是由 GPS 衛(wèi)星向用戶播 發(fā)的 一組 反映 衛(wèi)星 在空 間的 位 置、 衛(wèi)星 的工 作 狀態(tài)、 衛(wèi)
星鐘的修正參數(shù)、 電離層延遲修正 參數(shù)等 重 要數(shù) 據(jù)的 二進(jìn) 制代 碼, 也 稱數(shù) 據(jù)碼 ( D 碼) 。 它是
用戶利用 GPS 進(jìn) 行 導(dǎo) 航 定 位 時(shí) 一 組 必 不 可 少 的 數(shù) 據(jù)。 導(dǎo) 航 電 文 的 傳 輸 速 率 為 50 bit /s, 以“ 幀” 為單位向外發(fā)送。 每幀的長(zhǎng)度為 1 500bit, 播發(fā)完一個(gè)主幀需 30s。 一個(gè)主幀包 括 5 個(gè)子幀。 每個(gè)子幀均包含 300bit, 播發(fā)時(shí)間為 6s。 每個(gè)子幀又可分為 10 個(gè)字, 每個(gè)字都 由 30bit 組成。 其中第四、 五兩個(gè)子 幀各 有 25 個(gè)頁 面, 需要 750s 才 能 將 25 個(gè)頁 面 全部 播 發(fā) 完。 第 一、二、 三子 幀 每 30s 重 復(fù) 一 次, 其 內(nèi) 容 每 隔 2h 更 新 一 次。 第 四、 五 子 幀 每 30s 翻 轉(zhuǎn) 一 頁。12. 5min 完整地播發(fā)一次, 然后 再 重復(fù)。 其 內(nèi)容 僅 在衛(wèi) 星 注入 新 的導(dǎo) 航 數(shù) 據(jù) 后才 得 以 更 新。衛(wèi)星電文的基本構(gòu)成如下圖 所示。

1. 遙測(cè)字
遙測(cè)字( TLM—Telemetry Word) 位于各子幀的開頭, 作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。 其 中所含的同步信號(hào)為各子幀提供了一個(gè)同步的起點(diǎn), 便于用戶解譯電文數(shù)據(jù)。
2. 交接字
交接字( HOW—Hand Over Word) 為各 子幀 的 第二 個(gè)字。 其主 要用 途是 向 用戶 提供 用于捕獲 P( Y) 碼的 Z 計(jì) 數(shù)。 所謂的 Z 計(jì)數(shù) 是由 17 個(gè)比 特組成的, 從 本質(zhì)上講 是一個(gè) 時(shí)間計(jì) 數(shù),它給出了下一個(gè)子幀開始瞬間的 GPS 時(shí)。 為方便 起見, Z 計(jì) 數(shù)給 出的 是從每 星期 的起始 時(shí)刻( 星期六 / 星期日子夜零時(shí)) 開始播 發(fā)的子 幀數(shù)。 由于每 子幀 持續(xù)的 時(shí)間 為 6s, 所 以下一 子幀開始的時(shí)刻即為( 6× Z) s。 據(jù)此, 用 戶 可以 將接 收機(jī) 鐘精 確 地對(duì) 準(zhǔn)衛(wèi) 星鐘 并 快速 捕 獲 P ( Y)碼。 需要說明的是, 有不少書中誤以為 Z 計(jì) 數(shù)是 P 碼的 子碼 X1 的周 期 數(shù)。 由 于該 子碼 的周期為 1. 5s, 故如果上述定義正確的話, Z 計(jì)數(shù) 的量 程就 將為 0 ～403 200。 而 Z 計(jì)數(shù) 是用 17 個(gè)比特來表示的, 17 個(gè)比特能表示的最大范圍為 0 ～131 071, 用 它是 不可能 表示一星期中 P 碼的子碼 X1 ( 周期為 1. 5 s) 的周期數(shù)的( 見下圖)。

3. 第一數(shù)據(jù)塊
第一子幀中的第 3 ～10 個(gè)字稱為第一數(shù)據(jù)塊。 現(xiàn)將其中的主要參數(shù)介紹如下。
( 1 ) WN
????????WN( Week Number) 表示從 1980 年 1 月 6 日 UTC 零時(shí)起算的星期數(shù), 也稱 GPS 周。 位于第 3 個(gè)字的 1 ～10bit。 由于 10bit 最大只能表示 1 023 周, 所以到 1999 年 8 月 14 日這 1 023 周28就全部用完了。 由于計(jì)數(shù)器的容量所限, WN 將變?yōu)?0, 重新開始第二輪計(jì)數(shù)。 也就是說, 在全球定位系統(tǒng)中也會(huì)碰到類似于計(jì)算機(jī)中 的“ 千 年蟲 ” 問 題。 當(dāng)時(shí) 各 GPS 接收 機(jī)生 產(chǎn)廠商 曾花費(fèi)不少人力物力為老接 收機(jī)更新軟件, 解決上述 問題。 有人將 10bit 的 WN, 17bit 的 Z 計(jì)數(shù)加上 隨后的 2bit 共 29bit 稱為廣義的 Z 計(jì)數(shù), 它能給出完整的 GPS 時(shí)間( 周數(shù)、 子幀數(shù)及一周中 P碼的子碼 X1 的周期數(shù)) 。
( 2 ) 調(diào)制何種測(cè)距碼的標(biāo)識(shí)符
????????第 3 個(gè)字的 11 ～12bit 表示在 L2 載波上究 竟是 調(diào)制 C /A 碼還 是 P 碼。 “ 10” 表示調(diào) 制的
是 C/ A 碼; “ 01” 則表示調(diào)制的是 P( Y) 碼。
( 3 ) 傳輸參數(shù) N
????????第 3 個(gè)字中的第 13 ～16bit 為傳輸參數(shù) N。 傳輸參數(shù) N 與用戶距離誤差 URA 之間有關(guān)系?: 用戶距離誤差 URA 是根據(jù)單點(diǎn) 定位后 各衛(wèi) 星的距 離殘 差 V = ρc - ρ0 來 計(jì)算的。 ρ0 是用測(cè)距碼測(cè)定的從衛(wèi)星至接收機(jī)間的距離。 用 P( Y) 碼接 收機(jī)或采 用窄相關(guān) 間隔技術(shù)的 C/ A 碼接收機(jī)測(cè)距時(shí), 其測(cè)距精度可達(dá) 0. 2 ～0. 3m。 加 上電離 層延遲改 正和對(duì)流 層延遲改正中的殘余誤差的影響后, 其精度均可達(dá) ±1m 左右。 ρc 是據(jù)站坐標(biāo)和由衛(wèi)星星歷所給出的衛(wèi)星位置而算得的從衛(wèi)星至接收機(jī)的距離, 其誤差 一般 可達(dá)數(shù) 米至 數(shù)十 米。 而衛(wèi) 星星歷 誤差又是影響 ρc 精度最主要的因素。 因而在早期的參考文獻(xiàn)中, 都把傳輸參數(shù) N 看成是一個(gè)反映某衛(wèi)星廣播星歷預(yù)報(bào)精度的參數(shù)。 即當(dāng)傳輸參數(shù) 為 N 時(shí), 表示該 衛(wèi)星廣播 星歷的 預(yù)報(bào) 誤差 σ不大于 2 N m。 如 N = 0101 = 5, 就表明該衛(wèi)星廣播星歷的誤差不大于 32m, 屬正常 范圍, 可放心使用。 當(dāng) N = 1001 = 9 時(shí), 表示廣播星歷的誤差 不超過 512m, 此類 衛(wèi)星不 宜再 用于 導(dǎo)航定 位。當(dāng) N = 1111 = 15 時(shí), 表示此衛(wèi)星的星歷 完 全沒 有進(jìn) 行準(zhǔn) 確預(yù) 報(bào), 使 用該 衛(wèi)星 所 造成 的損 失由用戶自己負(fù)責(zé)。

????????美國實(shí)施 SA 政策后情況發(fā) 生了變化: 不僅衛(wèi)星星歷 的精度被進(jìn)一步 降低, 而 且在衛(wèi)星鐘的頻率中人為地加入了快速抖動(dòng)。 而鐘頻 的快速 抖動(dòng) 將影 響測(cè)距 精度 ρ0 。 在這種 情況 下, ρ0不再是一個(gè)比 ρc 小一個(gè)數(shù)量級(jí)的可略而不計(jì)的量, 故傳輸參數(shù) N 也不能單純地看做是一個(gè)反映衛(wèi)星廣播星歷預(yù)報(bào)精度的參數(shù), 而必須將其看成是反映用戶距離誤差 URA 的參數(shù)。 它反映了衛(wèi)星廣播星歷的預(yù)報(bào)精度以及衛(wèi)星鐘頻抖動(dòng)的程 度。 當(dāng) N 的 數(shù)值過大 時(shí), 該衛(wèi)星就 不能被用于導(dǎo)航位。
( 4 ) 信號(hào)在衛(wèi)星內(nèi)部的時(shí)延差 TG D
????????P1( Y1 ) , P2 ( Y2) 等衛(wèi)星信號(hào)都是 在衛(wèi)星 鐘的 統(tǒng)一控 制下 生成 的, 然而這 些信 號(hào)從生 成到離開衛(wèi)星的發(fā)射天線之間是有一定的時(shí)間延 遲的。 而 且由于 經(jīng)過 的線路 不同, 不 同信號(hào) 所產(chǎn)
生的時(shí)間延遲也各不相同, 其數(shù)值最 大的 可達(dá)數(shù) 米。 P1 ( Y1 ) 和 P2 ( Y2 ) 的時(shí) 延 差是 由導(dǎo)航電文中的時(shí)延參數(shù) TGD 給出的。 其數(shù)值可在衛(wèi)星發(fā) 射前通過 檢驗(yàn)而 測(cè)定。 遺憾 的是其數(shù) 值并不能維持長(zhǎng)期固定不變。 利用雙頻觀測(cè)資料來建立電離層模型時(shí), 如果不顧及上述時(shí)延, 就會(huì)使求得的電離層延遲產(chǎn)生偏差。 因?yàn)橛?P1 和 P2 測(cè)得的信號(hào)時(shí)延 差或 距離 差實(shí)際 上并 不是完 全由 電離 層引起 的,它與信號(hào)在衛(wèi)星內(nèi)部的時(shí)延差以及信號(hào)在接收機(jī)的不同通道間的時(shí)延差均有關(guān)。

( 5 ) 衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)的數(shù)據(jù)齡期
????????衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)的數(shù)據(jù)齡期( AODC) 為:AODC = TOC - tL ( 2-4)
式中: TOC為衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)的參 考時(shí) 刻, 由導(dǎo)航 電文 給出; tL 為計(jì) 算這 些參 數(shù)時(shí) 所用 到的
觀測(cè)資料中最后一次觀測(cè)值的觀測(cè)時(shí)間。所以, AODC 實(shí)際上表示鐘改正參數(shù)的外推時(shí)間。 外推時(shí)間越短, 改正參數(shù)的精度越高。
( 6 ) 衛(wèi)星鐘改正參數(shù)
任一時(shí)刻 t 衛(wèi)星鐘的改正數(shù) Δt 可用下式計(jì)算:

Δt = a0 + a1( t - TOC) + a2( t - TOC)^2
式中: 0 為參考時(shí)刻TOC時(shí)的鐘差;

a1 為參考時(shí)刻TOC時(shí)的鐘速;
a2 為參考時(shí)刻TOC時(shí)的鐘速變化率的一半。

4. 第二數(shù)據(jù)塊
????????第二數(shù)據(jù)塊是由第二子幀和第三子幀構(gòu)成的, 它給出 了該 GPS 衛(wèi)星的 廣播星歷 參數(shù)。 這
些參數(shù)每 30s 重復(fù)一次, 每 2h 更新一次。 現(xiàn)將第二數(shù)據(jù)塊中的主要參數(shù)介紹如下:
( 1 ) 衛(wèi)星星歷的數(shù)據(jù)齡期
衛(wèi)星星歷的數(shù)據(jù)齡期( AODE) 為:
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?AODE = TOE - tL
式中: TOE 為星歷的參考時(shí)刻, 由導(dǎo)航電文給出;

tL 為預(yù)報(bào)該星歷時(shí)所用到最后一個(gè)觀測(cè)值的觀測(cè)時(shí)刻。

????????故 AODE 表示廣播星歷的外 推時(shí) 期。 AODE 越大, 星歷 的精 度和可靠性就越差。 有人建
議數(shù)據(jù)處理時(shí)可用 AODE 來為不同的衛(wèi)星定權(quán)。
( 2 ) 開普勒 6 個(gè)軌道根數(shù)
① TOE 時(shí)的平近點(diǎn)角 M0 ;
② TOE 時(shí)的軌道偏心率 e;
③ TOE 時(shí)的軌道長(zhǎng)半徑的平方根 A;
④ TOE 時(shí)的軌道傾角 i0 ;
⑤ TOE 時(shí)的近地點(diǎn)角距 ω;
⑥ Ω0 = ΩTO E - GAST( t0) , ΩTO E為星歷參考時(shí)刻 TOE 時(shí)的升交點(diǎn)赤經(jīng), GAST( t0 ) 為 本周起
始時(shí)刻 t0 的格林尼治恒星時(shí)。
( 3 ) 9 個(gè)軌道攝動(dòng)參數(shù)
① Δn: 平均角速度 n 的改正值;
② 升交點(diǎn)赤經(jīng) Ω 的變化率, ·Ω = dΩdt
③ 軌道傾角 i 的變化率, ·i = didt
④ Cuc , Cus : 升交距角 u = ω + f 的余 弦及 正弦調(diào) 和改 正項(xiàng) 的振 幅, 其 中 ω 為 近地 點(diǎn)角 距, f
為衛(wèi)星的真近點(diǎn)角。
⑤ Ci c, Ci s: 軌道傾角 i 的余弦及正弦調(diào)和改正項(xiàng)的振幅;
⑥ Crc , Crs: 衛(wèi)星至地心的距離 r 的余弦及正弦調(diào)和改正項(xiàng)的振幅。

5. 第三數(shù)據(jù)塊
????????第三數(shù)據(jù)塊包含在第四、 第五子幀中。 它向用戶提供了 其余 GPS 衛(wèi)星的 概略星歷 及其工作狀態(tài)的信息, 也有人將其稱為衛(wèi)星歷書。 第三 數(shù)據(jù)塊 是由 25 個(gè) 頁面 組成的, 其 中第 5 子幀中的 1 ～24 頁分別給出 1 ～24 號(hào)衛(wèi)星的概略星歷和時(shí)鐘改正數(shù)。 由于原來在 1、 2、 3 三 個(gè)子幀中表示的內(nèi)容現(xiàn)在要壓縮到一個(gè)子幀中來, 所以對(duì)參數(shù)的位數(shù)進(jìn)行了壓縮并刪除了某些參數(shù),第 25 頁則給出了上述 24 顆衛(wèi)星的工作狀態(tài)是否正常的信息。 第 4 子幀中的 2 、3 、4、 5、 7、 8、 9、10 頁中分別給出第 25 ～32 號(hào)衛(wèi)星的概略星歷和時(shí)鐘改正 數(shù), 第 25 頁中給出 了上述衛(wèi) 星的工作狀態(tài)及 32 顆衛(wèi)星的識(shí)別標(biāo)記。 其他一些頁面有的用于軍事用途, 有的空缺待用。衛(wèi)星歷書的主要作用如下:
( 1 ) 擬訂觀測(cè)計(jì)劃
????????根據(jù)測(cè)站的近似坐標(biāo)以及一定期 限( 例 如 30 天 ) 內(nèi) 的衛(wèi) 星 歷書, 用 戶軟 件 即可 進(jìn)行 衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)。 用戶就能據(jù)此來預(yù) 定觀測(cè) 計(jì)劃, 擬訂 調(diào)度 命令 等。 當(dāng) GPS 網(wǎng)的 規(guī)模 較 大, 參加作業(yè)的儀器較多時(shí), 仔細(xì)擬訂上述計(jì)劃就尤為重要。
( 2 ) 有利于快速跟蹤、 鎖定衛(wèi)星信號(hào)
????????在觀測(cè)時(shí)如接收機(jī)已經(jīng)知道此時(shí)視場(chǎng)中應(yīng)有 哪些 衛(wèi)星, 這些 衛(wèi)星 離接收 機(jī)的 粗略距 離是
多少及它們的多普勒頻移等信息, 就能迅速地搜索、 跟蹤到衛(wèi)星信號(hào)。 這樣比冷開機(jī)盲目搜索
的速度要快得多。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的GPS 卫星的信号结构的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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