14GPS原理与接收机设计【4】肖仕武，刘万顺，焦邵华，李轶群，秦立军异地双端继电保护暂态试验新方法，华北电力大学学报，1999年4月，第26卷第2期[5]新华网.全球定位系统—战争中的“双刃剑”，2003.4.2[6】新华网.中欧伽利略计划合作项目进人实质性操作阶段.2004.10[7]周忠漠，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用，北京：测绘出版社，1997[8] Black H., "Satellites for Earth Surveying and Ocean Navigating." Johns Hopkins APL Technical Digest, VoL.2,No.1, 1981.[9] Dana P.,"Global Positioniug System Overview."Department of Geography,University of Colorado,Boulder,CO, 1999.[10]EngeP."LocalAreaAugmentationofGPSforthePrecisionApproachofAircraft,"Proceedingsof theIEEEVol.87,No.1,January1999[1l]Erickson D.,TaylorC.,"PacifythePower:GPS Hamess forLarge-AreaElectrical Grid,"GPS World,Apri2005.[12]Federal Aviation Administration,"Global Positioning System (GPS),"Satellite Navigation Product Teams[13] Federal Communications Commission,"Enhanced 911 Wireless Services," June 17, 2005.[14] Gibbons G,"GLONASS-ANew Look for the 21st Century." InsideGNSS,May/June 2008[15] GlobalSecurity.org."Navstar Global Positioning System," June 2, 2005.[16] HeX.,Sang W.,Chen Y.,Ding X.,"Steep-Slope Monitoring: GPS Multiple-Antenna System at XiaowanDam,"GPSWorld,November2005.[17]InternationalGPSService,IGSAnnual Report1999,IGSCentralBureau,2000[18] Janssen V.,"GPS on the Web:GPS Volcano Deformation Monitoring."School of Surveying and SpatialInomationSystems,UniversityofNewSouthWales,SydneyAustralia[19] KaplanE.,UnderstandingGPS:Principles and Applications,Seconddition,Atch House, Inc.,2006[20] Last D., "GPS and Galileo: Where Are We Headed?" University of Wales, UK, May 24, 2004.[21] Lowenberg-DeBocr J.."Precision Farming or Convenience Agriculture," Proceedings of the 1lth AustralianAgronomyConference,Australian SmocietyofAgronomy,Geelong,Victoria,Australia,February2-6,203[22] Misra P,Enge P.. Global Positioning System-Signals, Measurements, and Performance, Ganga-JamunaPress,2001.[23] MITRE Corporation,"MITRE Supports the Advancement of GPS Technology for Users Worldwide," June2000.[24] National Imagery and Mapping Agency,The American Practical Navigator:An Epitome of Navigation, Pub.No.9, Bicentennial Edition, Bethesda, Maryland, 2002[25] NAVSTAR Global Positioning System Joint Program Office, "NAVSTAR GPS Overview," June 2G05.[26] Parkinon B.,Spilker J.,Axelrad P,Enge P.,Global Positioning System:Theory and Applications, AmericanInstitute ofAeronautics andAstronautics,1996.[27] Revnivykh S., Klimov V., Kossenko V., Dvorkin V., Tyulyakov A., "Status and Development of GLONASS,"European Navigation Conference, Munich, Germany. July 19-22, 2005.[28] Sandhoo K., Turner D., Shaw M., "Modemization of the Global Positioning System," Proceedings of IONGPS,Salt Lake City,UT,September 19-22,2000[29] Strom S.,"Charting a Course Toward Global Navigation,"Crosslink,Summer2002.[30] The White House,"Statement by the President Regarding the United States'Decision to Stop Degrading
第1章导引15Global Positioning System Accuracy"May1,2000[31] Tiberius C.,"Standard Positioning Service-Handheld GPS Receiver Accuracy"GPS World, February 2003.[32]UnitedStatesAirForce,TheNAVSTARGlobalPositioningSystem,"FactSheet,October15,2007[33] United States Department of Defense, Global Positioning System Standard Positioning Service PerformanceStandard, October 2001.Available at: http:/www.navcen.uscg.gov/gps/geninfol.[34] United States Departments of Defense and Transportation, 1999Federal Radionavigation Plan.[35] United StatesDepartments ofDefense and Transportation,2001Federal Radionavigation Plan.Availableat:http://www.navcen.uscg.gov/pubs/frp2001/FRP2001.pdf.[36] United States Naval Observatory,"GPS Constellation Status,"November 18,2005.[37] Watson C.,Coleman R.,"The Batman Bridge:Structural Monitoring Using GPS,"Proceedings ofIntermational Workshop on Advances in GPSDeformation Monitoring,Perth,Australia,September 24-251998
第2章GPS信号及其导航电文本章将介绍GPS信号结构和信号中所播发的导航电文，它和上一章的内容均属于GPS的基本知识。在学完这两章的知识后，读者会对GPS的运行机理有一个总体的认识。这一章内容既丰富又董要，并且涉及很多其他方面的知识。一方面，如果读者在学习本章的过程中感到对某些小节理解得不够完整，那么可暂且绕过这些局部难点，而这基本上不会影响读者对本书前半部分章节的学习；另一方面，因为介绍GPS接收机信号跟踪环路的最后几章会充分运用到本章很多具体的GPS基础知识，所以我们又希望读者在学习GPS的过程中，能多次回顾本章各小节的相关内容，直至深刻理解。GPS卫星所发射的信号从结构上可分为载波、伪码和数据码三个层次，而2.1节、2.2节和2.3节将分别对这三个信号层次做详细介绍。考虑到伪码在GPS中的重要作用，2.2节将对其做大篇幅的讨论。接着，2.4节将探讨由上述三个层次所组成的GPS信号的调制及其结构。导航电文是由数据码序列按照一定格式编排而成的，而2.5节将剖析导航电文的格式，并逐一解释电文中的各个数据块。最后，2.6节将扼要地叙述GPS的现代化计划。2.1载波GPS卫星所发射的信号从结构上可分为三个层次：载波、伪码和数据码。在这三个层次中，伪码和数据码一起先通过调制而依附在正弦波形式的载波上，然后卫星将调制后的载波信号播发出去。因此，载波可以视为GPS卫星信号中的最底层。每颗GPS卫星用两个L波段频率（即LI和L2）发射载波无线电信号，其中载波L1的频率J为1575.42MHz，载波L2的频率为1227.60MHz。这两个载波频率均属于特高频（UHF）波段，而特高频波段在电磁波频谱中的位置见图2.14。对于任一载波，它的频率f与波长入存在以下关系：几=clf(2.1)其中c为光在真空中的速度，其值约等于3x10°m/s。根据这一关系，我们可计算出载波L1的波长元约为19cm，而L2的波长约为24.4cm。波长波段频率传播方式1红外光0.1cm300GHz极高频（EHF)1ctn30GHz超高频（SHF)10cm3GHz直射波传摄特高频（UHF）1m300MHz基高频（VHF）10m30 MHz.天波传摄高（HF）100m3MHz中频（MF)1 km300kHz地波传播低频（LF）10 km30kHz甚低领（VLF)100km3KHz声波图2.1电磁波频谱
第2章GPS信号及其导航电文17上一章的1.2.1节曾指出卫星中的核心设备是原子钟，而由此原子钟所提供的基准频率f为10.23MHz。这个卫星时钟基准频率与上述两个载波频率在数值上存在如下关系：fi=154fo(2.2)f2=120fa(2.3)卫星利用频率综合器可在基准频率的基础上产生所需要的力和f这两个载波率。GPS之所以选择如此大小的这两个载波频率值，是基于多方面的条件、因素考虑的，而这其中主要包括以下几点。（1）首先，地球表面的电特性、地貌和电离层等因素对不同频率的电磁波传播有着不同的影响14.23]。大体上讲，频率较低的电磁波能沿着弯曲的地表以地波形式传播很长的距离，但它很容易受到干扰，不适合数字通信：高频电磁波以天波形式传播，即电磁波被电离层挡住而反射回来后又继续向地面传播，因而高频电磁波也能传播很长的距离，但是它遭电离层反射的具体情况很难被预测：特高频和更高频率的电磁波以直射波形式传播，能穿透电离层和建筑物，受噪声干扰影响小，适合数字与卫星通信，但它的缺点可体现在以下两方面：一是地球表面的弯曲度限制了其直线传播的距离，二是系统损耗会随着其工作频率的升高而增大。如图2.1所示，处于特高频波段的GPS载波信号以直射波形式传播，这符合GPS基于卫星的全球定位功能的要求，(2）其次，作为电磁波频谱的一部分，无线电波的频带是有限的宝贵资源。为了有效地利用频谱资源和减少无线电波之间的相互干扰，国际上和各国均设立了相应的组织、机构来管理频谱资源的分配和利用，例如联合国属下的国际电信联盟（ITU）和美国的联邦通信委员会（FCC）等。自然，GPS载波频率的选择也必须遵守这一规范。（3）再次，因为伪码信号会被用来调制载波信号，所以这要求载波频率必须远远高于伪码频宽。稍后的图2.17将表明GPS信号中的P(Y)码频宽至少在20.46MHz以上，故GPS载波频率必须远高于20.46MHz(4）最后，10.2节还会谈到载波频率对GPS接收天线的增益及其尺寸大小的影响。GPS卫星信号呈右旋圆极化（RHCP），而关于电磁波的极化问题以及GPS信号的右手圆极化特点，第10章将再予以解释。2.2伪码GPS从根本上讲是一个基于码分多址（CDMA）的扩频（SS）通信系统，而这个码正是指伪码，它是GPS信号结构中位于载波之上的第二个层次。只有理解了伪码的特性和功能，我们才有可能为真正懂得GPS和GPS接收机的工作原理打下坚实的基础。在这一节和2.4节的一部分中，我们将深人细致地介绍伪码。2.2.1二进制数随机序列现代数字通信普遍采用二进制数（即“0”和“1"）来表示和传递信息。本书将采用无线电技术中的惯例，以二进制数“0”代表正电平（+1），以二进制数“1"代表负电平（-1）。我们将伪码中的一位二进制数称为个码片（Chip），或者称为个码元。一个码片的持续时间Tc称为码宽，而单位时间内所包含的码片数目称为码率。显然，码率值等于码宽Tc的倒数，即1/Tc码片/秒（或赫兹）
GPS原理与接收机设计18如果我们随机地、相互独立地产生一系列二进制数，那么这些数先后排列在一起就形成一个二进制数随机序列。显然，二进制数随机序列不能被预测，不能重现，没有周期性，并且序列中出现0和1的概率均为0.5。图2.2(a)中的x(k）是一个二进制数随机序列的例子，而该离散型序列x(k)也可用时间连续型序列x(t)等价地表示，其中x(t)在kTc≤t<(k+1)Tc时的值等于x(k)。二进制数随机序列所具有的一个很重要的特点是，它的良好自相关性。一个二进制数随机序列x(t)的自相关函数（ACF）R（t）定义为17R.(t)=lim-x(t)x(t-)dt(2.4)T-mT其中，因为x(t-t)是信号x(t)在时间上向右平移t后得到的波形，所以自相关函数R（t)检查x(t)与它本身平移后的波形x(t-t)两者之间的相似程度。自相关函数R(t)是个偶函数，它关于原点左右对称。如图2.2b）所示，二进制数随机序列的自相关函数R（t）在原点中心呈一个三角形。这表明当t=0时，因为波形相同的x)与x(t-t)在时间上正好完全重登叠，所以两者具有最大相关性，R,(t)值等于1；当≥Tc时，x(t)与x(t-t)完全不相关，或者说两者正交，R(t)值等于0。0TC1Puuin!高值(R)：111100011011101010000100101100(a)二进制随机序列R.(t)NT-TOTe(b)自相关函数图2.2二进制随机序列及其自相关函数需要提醒的是，我们必须用码片的电平值“+1”和“-1”来计算自相关值和稍后将会介绍到的互相关值，而一般用离散型二进制数“0”和“1”来表示码、序列和数据信息等。2.2.2m序列码分多址系统需要具有良好自相关特性的二进制数序列作为码，即要求码与其本身的平移正交。为了减少噪声和其他码对一个码的自相关运算的干扰，我们要求码看上去最好是随机的。虽然上一小节所介绍的二进制数随机序列能满足这一个条件，但是由于它不能复制而很难在实际中加以利用。伪随机噪声码（PRN）简称伪随机码或者伪码，它不但是一种能预先确定的、有周期性的二进制数序列，而且又具有接近于二进制数随机序列的良好自相关特性。这种周期性的伪随机码可由一个多级反馈移位寄存器产生。图2.3所示是一个五级反馈移位寄存器电路，其中第一级寄存器位于电路的最左边，而第三级和第五级寄存器输出值的异或相加结果反馈作为第一级寄存器的输人。通常，最后一级寄存器的输出端用做整个多级反馈移位寄存