一，載波

????????可運載調制信號的高頻振蕩波稱為載 波。 GPS 衛星所用的載波有兩 個, 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 載波是由衛星上的原子鐘所產 生的基準頻率 f0 ( f0 = 10. 23MHz) 倍頻 154倍后形成的, 即 f1 = 154× f0 = 1 575. 42 MHz, 其波 長 λ1 為19. 03cm; L2 載波是由基準頻率 f0 倍頻 120 倍后形成的, 即 f2 = 120× f0 = 1 227. 60MHz, 其波長λ2為 24. 42 cm。 采用兩個不同頻 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定多普勒頻移和載 波相位 ( 對應的 距離值) , 從而 提高測
速和定位的精度, 減少信號的電離層延遲, 因為電離層延遲與信號頻率 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 調制在 高頻 的載 波上, 然后
再將這些調制波播發出去, 而不是直接發射這些信息。 在一般的通信中, 當調制波到達用戶接收機解調出有用信息后, 載波的作用便告完成。 但在全球定位系統中情況有所不同, 載波除了能更好地傳送測距碼和導航電文這些有用信息外( 擔當 起傳統意 義上載 波的作用 ) , 在 載波相位測量中它又被當做一種測距信號來使用。 其測距精度比偽距測量的精度高 2 ～3 個數量級。因此, 載波相位測量在高精度定位中得到了廣泛的應用。

二，測距碼

????????測距碼是用于測定從衛星至接收機間的距離的二進制碼。 GPS 衛星中所用的測距 碼從性質上講屬于偽隨機噪聲碼。 它們看似一組雜亂無 章的 隨機噪 聲碼, 其 實是按 照一 定規律 編排起來的、 可以復制的周期性的二進制序列, 且具有類似于隨機噪聲碼的自相關特性。 測距碼是由若干個多級反饋移位寄存器 所產生 的 m 序 列經平 移、 截短、求模二和等一系列復雜處理后形的。

1. 粗碼
用于進行粗略測距和捕獲精碼的測 距碼稱 為粗碼, 也 稱捕 獲碼。 C /A 碼( Coarse / Acquisition Code) 的周期為 1ms, 一個周期中共含 1 023 個碼元。 每個碼元持續的時間均為 1ms /1 023 =
0. 977 517μs, 其對應的碼元寬度為 293. 05m。 C /A 碼的測 距精度 一般為 ±( 2 ～3) m。 采 用窄
相關間隔( Narrow Correlator Spacing) 技 術后 測距 精度 可達 分 米級, 與 精碼 的測 距 精度 大 體相當。 C /A 碼是一種結構公開的 明 碼, 供全 世界 所 有的 用戶 免費 使用。 目前, C/ A 碼 只調 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 的現 代化, 在 衛 星上 增設 調制了 C/ A 碼的第二民用頻率后, 該問題將可得到解決。
2. 精碼
用于精確測定從 GPS 衛星至 接收機 距離 的測 距碼 稱為 精碼。 精碼 ( Precision Code) 也是一種周期性的二進制序列, 其實際周期為一 星期。 一 個周 期中約 含 6. 2 萬億個 碼元。 每 個碼元所持續的時間為 C /A 碼 的 1 /10, 對 應 的碼 元 寬度 為 29. 3m。 精碼 的 測距 精 度約 為 0. 3m。為防止敵 對方對 GPS 信號進 行電 子干 擾和電 子欺 騙, 美國從 1994 年 1 月 31 日起 實施 了 AS( Anti-Spoofing) 政策。 其具體做法是將 P 碼與絕密 的 W 碼進行模 二相加以形成保密 的 Y 碼。Y 碼的結構是完全保密的, 只有美國及其盟國的 軍方 用戶以 及少 數經 美國政 府授 權的用 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 距碼 又同 時 調制 在 L1和 L2 兩個載波上, 可較完善地消除電離層延遲, 故用它來測距可獲得較精確的結果。

三，導航電文

導航電文是由 GPS 衛星向用戶播 發的 一組 反映 衛星 在空 間的 位 置、 衛星 的工 作 狀態、 衛
星鐘的修正參數、 電離層延遲修正 參數等 重 要數 據的 二進 制代 碼, 也 稱數 據碼 ( D 碼) 。 它是
用戶利用 GPS 進 行 導 航 定 位 時 一 組 必 不 可 少 的 數 據。 導 航 電 文 的 傳 輸 速 率 為 50 bit /s, 以“ 幀” 為單位向外發送。 每幀的長度為 1 500bit, 播發完一個主幀需 30s。 一個主幀包 括 5 個子幀。 每個子幀均包含 300bit, 播發時間為 6s。 每個子幀又可分為 10 個字, 每個字都 由 30bit 組成。 其中第四、 五兩個子 幀各 有 25 個頁 面, 需要 750s 才 能 將 25 個頁 面 全部 播 發 完。 第 一、二、 三子 幀 每 30s 重 復 一 次, 其 內 容 每 隔 2h 更 新 一 次。 第 四、 五 子 幀 每 30s 翻 轉 一 頁。12. 5min 完整地播發一次, 然后 再 重復。 其 內容 僅 在衛 星 注入 新 的導 航 數 據 后才 得 以 更 新。衛星電文的基本構成如下圖 所示。

1. 遙測字
遙測字( TLM—Telemetry Word) 位于各子幀的開頭, 作為捕獲導航電文的前導。 其 中所含的同步信號為各子幀提供了一個同步的起點, 便于用戶解譯電文數據。
2. 交接字
交接字( HOW—Hand Over Word) 為各 子幀 的 第二 個字。 其主 要用 途是 向 用戶 提供 用于捕獲 P( Y) 碼的 Z 計 數。 所謂的 Z 計數 是由 17 個比 特組成的, 從 本質上講 是一個 時間計 數,它給出了下一個子幀開始瞬間的 GPS 時。 為方便 起見, Z 計 數給 出的 是從每 星期 的起始 時刻( 星期六 / 星期日子夜零時) 開始播 發的子 幀數。 由于每 子幀 持續的 時間 為 6s, 所 以下一 子幀開始的時刻即為( 6× Z) s。 據此, 用 戶 可以 將接 收機 鐘精 確 地對 準衛 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 數是 P 碼的 子碼 X1 的周 期 數。 由 于該 子碼 的周期為 1. 5s, 故如果上述定義正確的話, Z 計數 的量 程就 將為 0 ～403 200。 而 Z 計數 是用 17 個比特來表示的, 17 個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) 的周期數的( 見下圖)。

3. 第一數據塊
第一子幀中的第 3 ～10 個字稱為第一數據塊。 現將其中的主要參數介紹如下。
( 1 ) WN
????????WN( Week Number) 表示從 1980 年 1 月 6 日 UTC 零時起算的星期數, 也稱 GPS 周。 位于第 3 個字的 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。 由于計數器的容量所限, WN 將變為 0, 重新開始第二輪計數。 也就是說, 在全球定位系統中也會碰到類似于計算機中 的“ 千 年蟲 ” 問 題。 當時 各 GPS 接收 機生 產廠商 曾花費不少人力物力為老接 收機更新軟件, 解決上述 問題。 有人將 10bit 的 WN, 17bit 的 Z 計數加上 隨后的 2bit 共 29bit 稱為廣義的 Z 計數, 它能給出完整的 GPS 時間( 周數、 子幀數及一周中 P碼的子碼 X1 的周期數) 。
( 2 ) 調制何種測距碼的標識符
????????第 3 個字的 11 ～12bit 表示在 L2 載波上究 竟是 調制 C /A 碼還 是 P 碼。 “ 10” 表示調 制的
是 C/ A 碼; “ 01” 則表示調制的是 P( Y) 碼。
( 3 ) 傳輸參數 N
????????第 3 個字中的第 13 ～16bit 為傳輸參數 N。 傳輸參數 N 與用戶距離誤差 URA 之間有關系?: 用戶距離誤差 URA 是根據單點 定位后 各衛 星的距 離殘 差 V = ρc - ρ0 來 計算的。 ρ0 是用測距碼測定的從衛星至接收機間的距離。 用 P( Y) 碼接 收機或采 用窄相關 間隔技術的 C/ A 碼接收機測距時, 其測距精度可達 0. 2 ～0. 3m。 加 上電離 層延遲改 正和對流 層延遲改正中的殘余誤差的影響后, 其精度均可達 ±1m 左右。 ρc 是據站坐標和由衛星星歷所給出的衛星位置而算得的從衛星至接收機的距離, 其誤差 一般 可達數 米至 數十 米。 而衛 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中, 都把傳輸參數 N 看成是一個反映某衛星廣播星歷預報精度的參數。 即當傳輸參數 為 N 時, 表示該 衛星廣播 星歷的 預報 誤差 σ不大于 2 N m。 如 N = 0101 = 5, 就表明該衛星廣播星歷的誤差不大于 32m, 屬正常 范圍, 可放心使用。 當 N = 1001 = 9 時, 表示廣播星歷的誤差 不超過 512m, 此類 衛星不 宜再 用于 導航定 位。當 N = 1111 = 15 時, 表示此衛星的星歷 完 全沒 有進 行準 確預 報, 使 用該 衛星 所 造成 的損 失由用戶自己負責。

????????美國實施 SA 政策后情況發 生了變化: 不僅衛星星歷 的精度被進一步 降低, 而 且在衛星鐘的頻率中人為地加入了快速抖動。 而鐘頻 的快速 抖動 將影 響測距 精度 ρ0 。 在這種 情況 下, ρ0不再是一個比 ρc 小一個數量級的可略而不計的量, 故傳輸參數 N 也不能單純地看做是一個反映衛星廣播星歷預報精度的參數, 而必須將其看成是反映用戶距離誤差 URA 的參數。 它反映了衛星廣播星歷的預報精度以及衛星鐘頻抖動的程 度。 當 N 的 數值過大 時, 該衛星就 不能被用于導航位。
( 4 ) 信號在衛星內部的時延差 TG D
????????P1( Y1 ) , P2 ( Y2) 等衛星信號都是 在衛星 鐘的 統一控 制下 生成 的, 然而這 些信 號從生 成到離開衛星的發射天線之間是有一定的時間延 遲的。 而 且由于 經過 的線路 不同, 不 同信號 所產
生的時間延遲也各不相同, 其數值最 大的 可達數 米。 P1 ( Y1 ) 和 P2 ( Y2 ) 的時 延 差是 由導航電文中的時延參數 TGD 給出的。 其數值可在衛星發 射前通過 檢驗而 測定。 遺憾 的是其數 值并不能維持長期固定不變。 利用雙頻觀測資料來建立電離層模型時, 如果不顧及上述時延, 就會使求得的電離層延遲產生偏差。 因為用 P1 和 P2 測得的信號時延 差或 距離 差實際 上并 不是完 全由 電離 層引起 的,它與信號在衛星內部的時延差以及信號在接收機的不同通道間的時延差均有關。

( 5 ) 衛星鐘的改正參數的數據齡期
????????衛星鐘的改正參數的數據齡期( AODC) 為:AODC = TOC - tL ( 2-4)
式中: TOC為衛星鐘的改正參數的參 考時 刻, 由導航 電文 給出; tL 為計 算這 些參 數時 所用 到的
觀測資料中最后一次觀測值的觀測時間。所以, AODC 實際上表示鐘改正參數的外推時間。 外推時間越短, 改正參數的精度越高。
( 6 ) 衛星鐘改正參數
任一時刻 t 衛星鐘的改正數 Δt 可用下式計算:

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

a1 為參考時刻TOC時的鐘速;
a2 為參考時刻TOC時的鐘速變化率的一半。

4. 第二數據塊
????????第二數據塊是由第二子幀和第三子幀構成的, 它給出 了該 GPS 衛星的 廣播星歷 參數。 這
些參數每 30s 重復一次, 每 2h 更新一次。 現將第二數據塊中的主要參數介紹如下:
( 1 ) 衛星星歷的數據齡期
衛星星歷的數據齡期( AODE) 為:
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?AODE = TOE - tL
式中: TOE 為星歷的參考時刻, 由導航電文給出;

tL 為預報該星歷時所用到最后一個觀測值的觀測時刻。

????????故 AODE 表示廣播星歷的外 推時 期。 AODE 越大, 星歷 的精 度和可靠性就越差。 有人建
議數據處理時可用 AODE 來為不同的衛星定權。
( 2 ) 開普勒 6 個軌道根數
① TOE 時的平近點角 M0 ;
② TOE 時的軌道偏心率 e;
③ TOE 時的軌道長半徑的平方根 A;
④ TOE 時的軌道傾角 i0 ;
⑤ TOE 時的近地點角距 ω;
⑥ Ω0 = ΩTO E - GAST( t0) , ΩTO E為星歷參考時刻 TOE 時的升交點赤經, GAST( t0 ) 為 本周起
始時刻 t0 的格林尼治恒星時。
( 3 ) 9 個軌道攝動參數
① Δn: 平均角速度 n 的改正值;
② 升交點赤經 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 和改 正項 的振 幅, 其 中 ω 為 近地 點角 距, f
為衛星的真近點角。
⑤ Ci c, Ci s: 軌道傾角 i 的余弦及正弦調和改正項的振幅;
⑥ Crc , Crs: 衛星至地心的距離 r 的余弦及正弦調和改正項的振幅。

5. 第三數據塊
????????第三數據塊包含在第四、 第五子幀中。 它向用戶提供了 其余 GPS 衛星的 概略星歷 及其工作狀態的信息, 也有人將其稱為衛星歷書。 第三 數據塊 是由 25 個 頁面 組成的, 其 中第 5 子幀中的 1 ～24 頁分別給出 1 ～24 號衛星的概略星歷和時鐘改正數。 由于原來在 1、 2、 3 三 個子幀中表示的內容現在要壓縮到一個子幀中來, 所以對參數的位數進行了壓縮并刪除了某些參數,第 25 頁則給出了上述 24 顆衛星的工作狀態是否正常的信息。 第 4 子幀中的 2 、3 、4、 5、 7、 8、 9、10 頁中分別給出第 25 ～32 號衛星的概略星歷和時鐘改正 數, 第 25 頁中給出 了上述衛 星的工作狀態及 32 顆衛星的識別標記。 其他一些頁面有的用于軍事用途, 有的空缺待用。衛星歷書的主要作用如下:
( 1 ) 擬訂觀測計劃
????????根據測站的近似坐標以及一定期 限( 例 如 30 天 ) 內 的衛 星 歷書, 用 戶軟 件 即可 進行 衛星可見性預報。 用戶就能據此來預 定觀測 計劃, 擬訂 調度 命令 等。 當 GPS 網的 規模 較 大, 參加作業的儀器較多時, 仔細擬訂上述計劃就尤為重要。
( 2 ) 有利于快速跟蹤、 鎖定衛星信號
????????在觀測時如接收機已經知道此時視場中應有 哪些 衛星, 這些 衛星 離接收 機的 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、 跟蹤到衛星信號。 這樣比冷開機盲目搜索
的速度要快得多。

總結

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內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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