2.2 卫星信号及测量原理

由卫星发射的卫星信号包含以下信息：

（1）卫星星历及卫星钟校正参量；

（2）测距时间标记，大气附加延时校正参量；

（3）与定位和导航有关的其他信息。

用户在接收和处理所接收的上述信号后，提取需要的信息，完成定位和导航的各种计算，并给出用户需要的结果。

2.2.1 卫星信号成分与调制技术

1.卫星信号成分

用户接收机从卫星信号的时间标记上提取传播延时（即距离信息），从卫星信号载波的多普勒频移提取速度信息，星历、时钟及大气校正参量、时间标记等则由卫星以通信方式传送给用户，在GPS系统中将信息变成编码脉冲以数字通信方式来完成。考虑到保密通信和提高抗干扰能力，各卫星发射信号的区分选择及精密测距，将编码脉冲先调制到伪随机码上，即经伪随机码扩频，再对L波段的载频进行双相调制（或称为移相键控调制，BPSK），然后由卫星天线发射。由稳定钟频5.115MHz经倍频产生的两个载频L1和L2，频率各为154×10.23MHz和120×10.23MHz，由此便可以对电离层产生的时延进行双频校正。

每个卫星分配不同的C/A码，分配P码中各不同周期的部分段，C/A码和P码的作用相当于测距中的定时信号，可用来接收多个卫星的信号，解释C/A码和P码就可以得到导航电文和星历等参数。

2.C/A码与P码

GPS卫星发射的测距码信号包括C/A码和P码，它们都是二进制伪随机噪声序列，具有特殊的统计性质。GPS采用的伪随机噪声码（PRN，Pseudo Random Noise），简称伪随机码或者伪码。这种码序列的主要特点是不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则，是周期性的、可人工复制的码序列。GPS卫星发射的测距码信号原理见图2-2。

C/A 码由两个 10 级反馈移位寄存器组合产生，两个移位寄存器于每星期日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于1状态。同时在频率为f1=f0/10=1.023MHz钟脉冲驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为210-1=1023b，周期为1ms的m序列G1(t)与G2(t)。这时G2(t)序列的输出不是在该移位寄存器的最后一个存储单元，而是选择其中两存储单元进行二进制相加后输出，由此得到一个与G2(t)平移等价的m序列G2i(t)，再将其与G1(t)进行模2相加，从而得到C/A码。由于G2i(t)可能有 1023 种平移序列，所以其分别与G1(t)相加后，将可能产生 1023 种不同结构的 C/A码。C/A码不是单纯的m序列，而是由两个具有相同码长和数码率但结构不同的m序列相乘所得到的组合码，称为戈尔德（Gold）序列。

C/A码的码长、码元宽度、周期和数码率分别为：码长度210-1=1023b；码元宽度为0.97752µs，相应长度为293.1m；周期1ms；数码率1.023Mbps。各个GPS卫星所使用的C/A码，其上述4项指标都相同但结构相异，这样既便于复制又容易区分。

P码由两组各有两个12级反馈移位寄存器的电路产生，其基本原理与C/A码相似，但其线路设计细节远比C/A码复杂并且严格保密。P码的码长约为6.19×1012，数码率为10.23Mbps，若仍采用搜索C/A码的办法来捕获P码，即逐个码元依次搜索，当搜索速度仍为每秒50码元时，约需10 631 250天，是无法实现的。因此，一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，便可容易地捕获P码。

3.信号调制

带有导航信息的编码脉冲D(t)先调制到伪码（P码和C/A码）上，然后对L波段的载频L1和L2进行双相调制（BPSK）。在载频L2只调制了一种伪码（P码），而在载频L1调制了两种伪码（P码和C/A码），而且是采用正交调制方式进行的，以便分别对P码和C/A码解调。由于对载波信号采用了BPSK调制技术，使其频带变宽，对应P码和C/A码的频带宽度分别为20.46MHz和2.016MHz。

将D(t)调制到伪码P(t)上，即将二者模 2 相加，或波形相乘，乘积码为D(t)P(t)。编码脉冲D(t)的频带被扩展，称为扩频。频谱展宽后，使单位频带内信号功率下降，从而减小了信号被检测和被窃听的可能性。另一方面，要将扩频信号恢复成编码脉冲信号，即解扩，必须在接收机中设置同样结构的伪码作为跟踪伪码。

2.2.2 导航电文格式

GPS卫星的导航电文主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延校正、卫星工作状态信息以及由C/A码转换到捕获P码的信息。导航电文同样以二进制码的形式播送给用户，因此又叫数据码，或称D码。

导航电文的基本单位是“帧”。一帧导航电文长1500b，含5个子帧。而每个子帧又分别含有10个字，每个字含30b电文，故每一子帧共含300b电文。电文的播送速率为每秒50b，所以报送一帧电文的时间为30s，而一个子帧电文的持续播发时间为6s。为了记载多达25颗GPS卫星的星历，规定子帧4、5各含有25页，子帧1、2、3与子帧4、5的每一页均构成一帧电文。每25子帧导航电文组成一个主帧。在每一帧电文中，1、2、3子帧的内容每小时更新一次，而子帧4、5的内容仅在给卫星注入新的导航数据后才得以更新。

每一子帧开头的第一个字码是遥测字，作为捕获导航电文的前导。其中第 1～8 位为同步码（10001000），为各子帧编码脉冲提供同步起点。第9～22位为遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息以及其他信息，以指示用户是否选择该颗卫星。第23和24位无实际意义，第25～30位为奇偶校验码。

每个子帧的第二个字码为交换字，它的主要作用是向用户提供捕获P码的Z计数。Z计数位于交换字的第1～17位，表示自星期天零时至星期六24时P码子码X1的周期重复数。X1的周期为1.5s，因此Z计数的量程是0～403200。知道了Z计数，也就知道了观测瞬间在P码周期中所处的准确位置，这样便可以迅速捕获 P 码。交换字的第 18 位，表明卫星注入电文后是否发生滚动动量矩缺载现象；第19位指示数据帧的时间是否与子码X1的时钟信号同步；第20～22位为子帧识别标志；第23和24位无意义；第25～30位为奇偶校验码。

导航电文第1子帧的第3～10字码为数据块Ⅰ，它的内容主要包含：卫星的健康状况，数据周期，星期序号，卫星时钟校正参数，电离层校正参数等信息。导航电文的第2子帧和第3子帧构成数据块Ⅱ，它的内容为GPS卫星星历，这是GPS卫星为导航、定位所发送的主要电文，向用户提供用于计算卫星运行位置的信息。导航电文的第4子帧和第5子帧构成数据块Ⅲ，它向用户提供GPS卫星的历书数据，包括卫星的概略星历，卫星钟概略改正数，码分地址和卫星运行状态信息。用户根据这些信息，可以选择工作正常和位置适当的卫星，构成最佳观测空间几何图形，以此提高导航和定位的精度；并可根据已知的码分地址，较快地捕获所选择的观测卫星。

2.2.3 卫星星历

GPS系统通过两种方式向用户提供卫星星历，一种方式是通过导航电文中的数据块Ⅱ直接发射给用户接收机，通常称为预报星历；另一种方式是由GPS系统的地面监控站，通过磁带、网络、电传向用户提供，称为后处理星历。

预报星历是指相对参考历元的外推星历，参考历元瞬间的卫星星历（即参考星历），由 GPS系统的地面监控站根据大约一周的观测资料计算而得。由于摄动力的影响，卫星的实际轨道将逐渐偏离参考轨道，且偏离的程度取决于观测历元与参考历元间的时间间隔。因此，为了保证预报星历的精度，采用限制外推时间间隔的方法。GPS卫星的参考星历每小时更新一次，参考历元选在两次更新星历的中央时刻，这样由参考历元外推的时间间隔限制力为0.5h。

由于GPS卫星的广播星历包含外报误差，因此它的精度受到限制，不能满足某些精密定位工作的要求。后处理星历是不含外推误差的实测精密星历，它由地面监测站根据实际精密观测资料计算而得。可向用户提供用户观测时刻的卫星精密星历，其精度目前为米级，将来可望达到分米级。但是，用户不能实时通过卫星信号获得后处理星历，只能在事后通过磁带、网络、电传等通信媒体向用户传递。

2.2.4 卫星信号接收机工作基本原理

GPS信号接收机是用来接收、处理和测量GPS卫星信号的专门设备。由于GPS卫星信号的应用范围非常广泛，而信号的接收和测量又有多种方式，因此GPS信号接收机有许多种不同的类型。

尽管GPS信号接收机有许多种不同的类型，但其主要结构却大体相同，可分为天线单元和接收单元两大部分。天线单元的主要功能是将GPS卫星信号的非常微弱的电磁波能转化为电流，并对这种电流信号进行放大和变频处理；而接收单元的主要功能则是对经过放大和变频处理的电流信号进行跟踪、处理和测量，见图2-3。

1.天线单元

GPS信号接收机的天线单元由接收天线和前置放大器两部分组成。天线的基本作用是把来自卫星的微量能量转化为相应的电流量；而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大，并进行变频，即将中心频率为1575.42MHz（L1载波）与1227.66MHz（L2载波）的高频信号变换为低一两个数量级的中频信号。

通常，GPS信号接收机天线应满足以下基本要求：

（1）接收天线与前置放大器应密封为一体，以保障在恶劣的气象环境下也能正常工作，并减少信号损失；

（2）天线的作用范围应为整个上半天球，并在天顶处不产生死角，以保证能接收到自天空任何方向发来的卫星信号；

（3）天线需有适当的防护和防屏蔽措施，以尽可能减少来自各个方向的反射信号的干扰；

（4）天线的相位中心应保持高度稳定，并与其几何中心偏差尽可能小。

2.接收单元

GPS信号接收机的接收单元主要由信号通道、储存单元、计算和显示控制单元、电源等4部分组成。

信号通道是接收单元的核心部分，由硬件和软件组合而成。每一个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星，当某颗卫星被锁定后，该卫星占据这一通道直到信号失锁为止。因此，目前大部分接收机均采用并行多通道技术，可同时接收多颗卫星的信号。对于不同类型的接收机，信号通道数目不等。信号通道有平方型、码相位型和相关型3种不同类型，它们分别采用不同的调制技术。

GPS 信号接收机内部的存储单元用于存储所翻译的 GPS 卫星星历、伪距观测量和载波相位观测量，以及各种观测站数据。在储存单元内通常还装有许多工作软件，如自测试软件、天空卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件等。

计算和显示控制单元由微处理器和显示器构成。微处理器是 GPS 信号接收机的控制部件， GPS信号接收机的一切工作都是在微处理器的控制下自动完成的，其主要工作任务如下：

（1）开机后立即对各个信号通道进行检查并显示结果，检测、校正和存储各个信号通道的时延值；

（2）根据各通道跟踪环路所输出的数据码，解译出卫星星历，并根据实际测量得到卫星信号到达接收天线的传播时延，计算出测站的三维地心坐标，并按预置的位置更新率不断更新测站坐标；

（3）根据已经测得的测站近似坐标和卫星星历，计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高角度；

（4）记录用户输入的测站信息，如测站名、天线高、气象参数等；

（5）根据预先设置的航路点坐标和测得的测站点近似坐标计算导航参数。

GPS信号接收机一般都配备液晶显示屏向用户提供接收机工作状态信息，并配备控制键盘，用户可通过键盘控制接收机工作。

GPS信号接收机一般采用蓄电池作为电源，机内往往配备锂电池，用于为RAM存储器供电，以防止关机后数据丢失。机外另配外接电源，通常为可充电的12V直流镍镉电池，也可采用普通汽车电瓶。