GPS卫星信号体制研究

GPS卫星信号体制研究

2011年第1期

文章编号:1006 2475(2011)01 0142 03

计算机与现代化JISUANJIYUXIANDAIHUA

总第185期

GPS卫星信号体制研究

陈振宇,冯旭哲

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073)

摘要:信号体制是卫星导航系统的基础和重要组成部分,本文首先简单地介绍卫星定位原理,接着从GPS卫星信号的组

成入手,从导航码、测距码和载波三个方面对其进行详细的分析,并且简单地研究它们各自的特点。本文对于了解GPS及深入地学习导航有一定的指导意义。

关键词:信号体制;卫星导航;全球定位系统中图分类号:TN967.1;TP872 文献标识码:A do:i10.3969/.jissn.1006 2475.2011.01.041

StudyonSignalStructureofGPS

CHENZhen yu,FENGXu zhe

(SchoolofMechatronicsandAutomation,NationalUniv.ofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Abstract:Signalstructureisthebasicandimportantpartofsatellitenavigationsystem.Thispaperfirstlyintroducestheprincipleofsatellitepositioning,thenstartsfromthecomponentofGPSsatellitesignalandanalyzesitindetailinthreeaspectsincludingnavigationcode,rangingcodeandcarrierwave.Andthepaperinvestigatestheircharacteristicssimply.Thepaperhascertainref erencesignificanceforunderstandingGPSandstudyingnavigationfurther.Keywords:signalstructure;satellitenavigation;GlobalPositioningSystem

0 引 言

GPS(GlobalPositioningSystem)是美国国防部于1973年提出研制的定位系统,经过几十年的发展,它已经成为了现今最成功、应用最广泛的定位系统。它不仅广泛应用于军事领域,而且在民用领域例如汽车导航、个人手机导航、个人生命搜救、船舶定位等方面

[9,13]

也得到了广泛的应用。GPS获得如此广泛的应用是和它自己的特点分不开的,与其它定位系统相比,GPS具有如下特点:(1)全球、全天候、全天时工作;(2)精度高:能达到毫米级的静态定位和厘米级

[3]

的动态测量精度;(3)单向定位,安全性高。GPS的这些优势又是和它的合理、先进的导航信号体制密切联系的。

示,s1、s2、s3的位置是已知的,测得未知点距离s1的

距离为r1,则得到一个以s1为圆心,r1为半径的圆o1,未知点就位于该圆上,同理可以得到圆o2、o3,求得这3个圆的交点c即为所要求的未知点的位置。与二维定位类似的是GPS定位得到的是3个球,通过求得这3个球相交的部分然后再根据辅助信息就

能确定用户的位置。

1 定位原理

GPS定位是基于卫星进行定位的,定位的时候卫星的位置已知,通过测得用户距离卫星的距离来进行

[1]

定位,为了介绍原理的方便,本文采用的是二维定位,三维定位的原理类似于二维定位原理。如图1所

图1 定位原理图

收稿日期:2010 09 27

作者简介:陈振宇(1988 ),男,河南驻马店人,国防科技大学机电工程与自动化学院硕士研究生,研究方向:空间仪器工程。

GPS卫星信号体制研究

2 GPS信号组成

GPS发射的信号由3部分组成:导航码、测距码

[

4]

和载波,信号的结构如图2所示,总的来说GPS信号是经过两次调制得到的。

I第2;、3子帧的3~10字为数据块II,该部分是导航电文的核心部分,它包含了计算卫星位置的信息,因此又被称为卫星星历;第4、5子帧构成了数据块III,它提供GPS卫星的历书数据,根据历书数据只要用户捕获到一个卫星,就能计算出其它卫星的概略位置,这对于选择最佳的卫星星座,提高定位精度具有重要的意义。2.2测距码

GPS所用的测距码就是复杂的伪噪声码,它是由基本的伪噪声码经过截短、模二相加等操作得到的复合码,之所以选用伪噪声码是因为根据信息论可以知道白噪声是一种实现有效通讯的最佳信号,而伪噪声码是一种类似于白噪声的噪声,它不但与白噪声具有类似的功率谱密度还有良好的自相关和互相关特[5 7]性,因此便于GPS利用CDMA技术来区分卫星、传递信号。

图2 GPS信号组成原理

第1级调制是导航码与测距码进行相乘得到,这是第一步的扩频处理,这样做的原因是导航码的码率很低只有50bps,因此当它和高码率的测距码相乘的时候频谱得到极大地扩展,这样做的

[11]

好处是安全性高,,1级扩频后的信号的频谱宽度近似于测距码的频谱宽度。第2级调制是利用1级调制得到的信号g与载波fL相乘,载波是一种频率很高的信号,当把加载在fL上以后,在空间进行传输的时候就减少了有用信号的损耗。2.1导航码

导航码又称数据码(或D码),它是卫星发射的基本数据,用户正是通过导航码获得一些计算卫星精确位置和信号传输时间的必需信息,同时还可以获得一些重要的辅助信息,比如GPS系统到UTC的转换。导航电文的基本格式如图3所示,由图3可以知道电文的比特率为50bps,一帧电文长度为1500bi,t包括5个子帧,每个子帧有10个字,每个字30bit。导航电文播发的时候前

3个子帧循环播发,4、5子帧顺序播发,因此导航电文完整的播发完毕需25帧,也就是需要750s。

图4 GPS码发生器

图3 导航电文格式

根据图4可以看出,C\A码是由G1和G2

通过模二相加得到的,其中G1和G2都是长度为1023的Gold码,所以得到的C\A码长度也是1023,周期为1023/1.023MHz=1ms,码片宽度为0.97752 s。这种组合码可以得到1023种,因此足以满足24颗卫星CDMA的需要,另外由于码元较宽,用C\A码进行测距时其误差较大,但是其易于捕获,

[12]

便于进行快速的定位解算。

PX1X2到的,不同的是X2比X1长了37bit。其中X1是由两个12级的反馈移位寄存器,一个寄存器产生的m码经过截短得到长度为4092的X1a,另一个经过截短得到长度为4093的X1b,X1a和X1b经过模二相加得到长度为4092 4093的长周期码,再对其进行截短,得

6

到周期为1.5s、码长度N1=15.345 10的X1。相同的步骤得到码长度N2=15.345 10+37bi,t于是P码长度N=N1 N2=235469592765000,周期z6

每帧电文中第一个字为遥测字,作用是作为捕获

电文的前导;第二个字是转换字,主要功能是提供用

;

GPS卫星信号体制研究

中的37种情况用来进行CDMA。与C\A码相比,P码的码元宽度小,但是编码长度长,所以P码定位精

[2]

度高、保密性好、不易被敌方捕获。2.3载波特点

GPS的载波都是在基准频率f0=10.23MHz上进行倍频得到,根据前面的介绍可以知道导航码、测距码也是在同一个基准频率f0上产生的,这样做的好处是信号的相干性好。频率分配见表1。

表1 GPS频率分配关系

相关频率D码(50Hz)P码(10.23MHz)C\A码(1.023MHz)载波L1(1575.42MHz)载波L2(1227.6MHz)

基准频率f0(10.23MHz)

f0/204600

f0f0

154f0120f0

3 结束语

本文对GPS信号体制进行了详细的介绍,特别是对各个组成部分以及它们的优点进行了研究,同时对于定位原理以及二级调制也略有介绍。GPS的先进信号体制对于其它导航定位系统,尤其是对于国家的北斗定位系统都有重要的借鉴作用。

参考文献:

[1] KaplanED,HegartyCJ.GPS原理与应用(第2版)[M].寇

艳红译.北京:电子工业出版社,2007:88 105.

[2] 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法(第2版)[M].

北京:科学出版社,2008:130 150.

[3] KaplanED.GPS原理与应用[M].邱致和,王万义译.北

京:电子工业出版社,2002:1 5.

[4] 王惠南.GPS导航原理与应用[M].北京:科学出版社,

2003:67 86.

[5] 胡修林,唐祖平,等.GPS和Galileo信号体制设计综述

[J].系统工程与电子技术,2009,31(10):2285 2293.[6] 邱致和,任至久.GPS的信号设计与电文结构[J].导航,

2004(3):21 24.

[7] 张雷,王建宇.GPSL5信号体制的分析及其性能的仿真

研究[J].计算机应用与软件,2009,3,26(3):85 87.

[8] 陈向东,许亚玲.GPS卫星导航信号体制的发展和设计比

较研究[J].GNSSWorldofChina,2006,31(4):18 20,25.[9] 陈建军,李峥嵘,王飞雪.GPS现代化信号体制与系统裕

量分析[J].GNSSWorldofChina,2006,31(6):20 24.[10]聂俊伟,李峥嵘,等.伽利略系统信号调制体制研究[J].

全球定位系统,2006,31(6):1 6.

[11]朱雪萍,刘锐梅,等.卫星扩频测控体制研究[J].无线电

工程,2006,36(3):39 42.

[12]陈南,贾小林,崔先强.GPS民用导航电文CNAV的特点

[J].全球定位系统,2006,31(1):1 6.

[13]邹振宁,周芸.GPS对抗在信息化战争中的应用[J].全

球定位系统,2004,29(3):45 47.[14]WillardMarquis.Misformodernization[J].GPSWorld.

September2001,12(9):36 43.

根据前面的介绍可以知道数据加载在载波上需

要进行二次调制,第一次调制是扩频处理就是D码和P码或者C\A码相乘的过程,第二次调制就是把扩频处理后的信号经过BPSK调制加载在载波上。值得注意的是,加载在不同载波上的信号是不同的,L1上加载的有C\A码、P码和D码,L2上加载的是P

[14]

码和D码,因此第i颗卫星发射的信号结构为:

iiSL1+AGGiDisin=APPDcowL1t+ L1iwL1t+ (1)(2)

i

iiSL2=BPPiDiwL2t+ L2

式中:Ap、AG、Bp 表示载波L1和L2的振幅;P

i

、

G、D 表示第i颗GPS卫星的P码、C\A码

i

和D码;wL1、wL2 表示L1和L2载波的角频率; L1、 L2 表示第i颗GPS卫星的L1和L2载波的初相。

i

更 正 启 示

计算机与现代化 杂志2010年第9期第85页由作者 李文、洪亲、滕

忠坚、石兆英、胡小丹、刘海博 合著的论文 基于n gram的字符串分割技术的算法实现 是基金项目论文,在该页 收稿日期:2010 05 26 的下面应加上一行 基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2010J01324) 。

特此申明更正。

计算机与现代化 编辑部

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fyk1.html