全球定位系统(GPS)测量 原 理 与 应 用
长安大学地质工程与测绘工程学院 主讲教师:张勤 王利 张永志
第二章 GPS卫星信号及其测量原理
GPS卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射 的信号来测定测站坐标的,那么究竟什么是GPS卫星信号呢 粗略地说,GPS卫星信号包括测距码信号(即P码和C/A码信 号),导航电文(或称D码,即数据码信号)和载波信号. GPS卫星信号的产生,调制和解调都非常复杂,涉及 到现代数字通讯理论和技术方面的若干高科技问题.作为 GPS信号用户,虽然可以不去深入钻研这些问题,但了解其 基本知识和概念,将有助于理解GPS卫星导航和定位测量的 原理,因而仍旧是十分必要的.
一,GPS卫星信号
GPS卫星信号构成示意图
1 GPS信号的组成
用于导航定位的GPS信号由三部分组成: 测距码(C/A码和P码(Y码)) 载波(L1,L2和L5三个民用频率) 导航电文(数据码,D码)
2 码,随机噪声码和伪随机噪声码
(1)码:表达表达信息的二进制数及其组合. (2)随机噪声码:每一时刻,码元是0或是1完全是随 机的一组码序列,这种码元幅值是完全无规律的码序列, 称为随机噪声码序列.它是一种非周期序列,无法复制. 但是,随机噪声码序列却有良好的自相关性,GPS码信号测 距就是利用了GPS测距码的良好的自相关性才获得成功.
自相关性是指两个结构相同的码序列的相关 程度,它由自相关函数描述. 自相关函数:
R (t ) = Su Du 码值相同的码元个数 码值相异的码元个数 = Su + Du 码元总数
在实用中,可通过自相关函数的取值判断两个随机噪声 码序列的相关性.很明显,当平移的码元个数 k = 0 时,两 个结构相同的码序列其相应码元完全相同,这时 Du = 0 , 而自相关函数 R (t ) = 1;相反,当 k ≠ 0 时,且假定码序列 中的码元总数充分大,那么由于码序列的随机性,有 S u ≈ Du , 这时自相关函数R(t)≈0.由此,根据自相关函数 R (t ) 的取 值,即可确定两个随机噪声码序列是否已经"相关",或者通 俗地讲,两个码序列的相应码元是否已完全"对齐".
(3)伪随机噪声码(Pseudo Random Noise-PRN ) 虽然随机码具有良好的自相关特性,但由于它是一种 非周期性的码序列,没有确定的编码规则,所以实际上无 法复制和利用.因此,为了能够实际应用,GPS采用了一种 伪随机噪声码( Pseudo Random Noise-PRN ),简称伪随机 码或伪码.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.它 是周期性的,可人工复制的码序列.
伪随机噪声码表面上看无规律,实际上有一定的规律 和周期性,且可以复制. 伪随机噪声码(Pseudo Random Noise-PRN )由多级反 馈移位寄存器产生.这种移位寄存器由一组连接在一起的 存储单元组成,每个存储单元只有"0"或"1"两种状态,并 接受钟脉冲和置"1"脉冲的驱动和控制.
伪随机噪声码
假定一由4个存储单元组成的四级反馈和移位寄存器, 如下图所示.在钟脉冲的驱动下,每个存储单元的内容, 都按次序由上一单元转移到下一单元,而最后一个存储单 元的内容便输出.并且,其中某两个存储单元,例如单元 3和4的内容进行模二相加,再反馈输入给第一存储单元.
伪随机噪声码的产生 (四级反馈移位寄存器)
当移位寄存器开始工作时,置"1"脉冲使各级存储单元全 处于"1"状态,此后在钟脉冲的驱动下,移位寄存器将经历15 种不同的状态,然后再返回到全"1"状态,从而完成了一个周 期.在四级反馈移位寄存器经历上述15种状态的同时,其最 末级存储单元输出了一个具有15个码元,且周期为15的二进 制数码序列,称为m序列. 表示钟脉冲的时间间隔,也就是 码元的宽度.
模二相加的运算规则 : 1 ⊕ 1 = 0, 0 ⊕ 1 = 1, 1 ⊕ 0 = 1, 0 ⊕ 0 = 0
不难看出,四级反馈移位寄存器所产生的m序列,其一 个周期可能包含的最大码元个数恰好等于24 -1个.因此, 一般来说,一个r级移位寄存器所产生的m序列,在一个周 期内其码元的最大个数:
Nu = 2r 1
与此相应,这时m序列的最大周期:
Tu = ( 2 r 1) t u = N u t u
N 式中: u 也称为码长.

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