卫星定位基础理论之GPS信号及其导航电文

以下内容主要参考谢钢博士的《GPS原理与接收机设计》一书
1、多普勒频移

多普勒频移（Doppler Shift）是指当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。它揭示了波的属性在运动中发生变化的规律。

2、GPS组成部分

1、空间星座、地面监控、用户设备
2、GPS空间星座：21颗工作卫星、3颗备用（实际在轨30颗），分布在6个轨道，每个轨道与地球赤道面夹角约为55°，相邻两个轨道面的升交点经度相差60°，相邻轨道上邻近卫星升角点角距相差30°，（角距，即角距离，也称为角分离、视距离、或视分离，在数学(特别是几何学和三角学)和自然科学(包括天文学、地质学等等)，从不同于两个点物体的位置（即第三点）观察这两个物体，由观测者指向这两个物体的直线之间所夹角度的大小）。卫星属中轨道卫星，平均高度20200Km，轨道为接近正圆的椭圆，运行周期11时58分。
3、在地面一个观测点GPS卫星的可见数范围约为4 - 11 颗。

3、GPS信号

1、载波、伪码、数据码
2、 伪码和数据码一起通过调制而依附在正弦波形式的载波上，之后卫星将调制后的载波信号发送出去。每颗GPS卫星有两个L波段频率，L1 = 1575.42MHz（调制有C/A码，P(Y)码） ，L2 = 1227.60MHz（只有P(Y)码） 均属于特高频，菠菜依次为19cm、24.4cm，卫星原子钟提供的基准频率为10.23MHz，C/A码和P(Y)码都属于伪码
3、 码片（码元）：伪码中的一位二进制数
4、码宽：一个码元的持续时间
5、 码率：单位时间内包含的码片数量
6、 伪码分为：分为m序列、组合码、非线性码。伪码在GPS中又称为测距码，接收机通过对所接收到的卫星信号与接收机内部所复制的伪码进行相关运算，检测自相关函数的峰值，从而确定接收信号中伪码的相位并测量出从卫星到接收机的空间距离。
7、m序列：《GPS原理与接收机设计》谢钢 P20
8、组合码：由两个或多个线性码组合而成。金码是组合码的一种，是由一对级数相同的m序列线性组合而成，GPS信号的C/A码属于金码，能产生金码的一对m序列称为优选m序列对
9、C/A码是周期为1023个码片的金码，每毫秒重复一周所以其码率为1.023的10的6次方码片每秒。在L1载波上，一个C/A码码片的时间等于L1载波重复1540次的时间，不同PRN（伪随机噪声码）编号的卫星采用不同的C/A码
10、数据码：一列载有导航电文的二进制码，码率为50比特每秒，采用不归零的二进制编吗方式，产生主峰频宽为100Hz的数据脉冲信号。
11、数据码与伪码异或相加实现数据码的扩频调制（频率扩为与伪码相同），调制后的信号再经载波BPSK调制，之后卫星将信号发射出去，
12、接收机首先对载波信号进行BPSK（调相调制）解调，使卫星信号的中心频率从L1下变频为0，之后再将载波解调后的卫星信号与接收机内部复制的C/A码Gi做自相关运算，剥离卫星信号中的C/A码，使信号频宽变回到只含数据码的基带，以得到数据码。

4、导航电文

1、每帧导航电文长1500比特，计30s，依次由5个子帧组成。每个子帧长300比特，计6s，依次由10个字组成，每字长30比特，最高为比特先发，每个子帧中的每个字均以6比特的奇偶校验码结束。每比特长20ms，C/A码重复20个周期。
2、每一个子帧的前两个字分别是遥测字（TLW）、交接字（HOW），后8个字组成数据块。第1子帧中的数据块称为第一数据库块，2和3子帧数据块合称为第二数据块，剩下的称为第三数据块。当卫星出现故障时，会在各大数据块的8个字李交替发射1和0。
3、GPS对第三数据块采用了分页结构，即一帧中的第4子帧和第5子帧为一页，然后下一帧的第4和第5子帧继续发送下一页，第三数据块内容共25页，所以发送完一整套导航电文需要750s（12.5min） ，整个导航电文每12.5min重复一次。
4、遥测字：每一个子帧的第一个字均为遥测字，在导航电文中每6s出现一次，内部组成情况。1~8位是二进制固定值10001011的同步码，9–22位提供特许用户所需信息，23、24位保留，最后6位是奇偶校验码。
5、交接字：1–17位是截短的周内时计数，18位是警告标志，为1时提醒非特许用户自己承担使用该卫星信号的风险，该卫星第一数据块所提供的URA值有可能比其真实值大。19比特A–S标志，其值为1时表示对该卫星实施了反电子欺骗措施。20–22比特是子帧识别标志，共5个有效二进制：001表示第1子帧，010表示第2子帧，依次类推。后面是奇偶校验码。
       
6、第一数据块：称为时钟数据块，包含如下内容：星期数（WN）指代当前的星期数，10位二进制表示。在周内计时在周六午夜0时从最大值 跳变为0时，星期数加1；
        用户测距精度（URA），对所有由GPS地面监控部分和空间星座部分引起的测距误差大小的一个统计值，通过4比特表示用户测距精度因子N，0<=N <=6，URA = 2^(1+N/2)，6<N<15，URA = 2的（N-2）次方， URA值越大，表示卫星信号得到的GPS距离测量值精度越低；卫星健康状况，6比特，最高位是0表示导航电文都正确，为1表示出错，低5位具体指出信号各部分出错情况；
       时钟校正参数；
       群波延时校正值；
       时钟数据期号（IODC）通常6小时内不会重复
7、第二数据块 ：提供卫星自身的星历参数，本意是精确描述卫星在各个时刻的空间位置和运行速度的表格，为减少数据量，GPS使用开普勒方程来描述卫星运行轨道，并通过最小二乘法来逼近求解方程的各个参数，共计16个参数。第2子帧和第3子帧均播发一个8比特的星历数据期号（IODE）其值应与IODC低8位保存一致，若不一致则表示卫星导航电文处于新旧更替之中。
8、卫星播发的第1、2和3子帧的内容通常2小时更新1次
9、第三数据块：主要提供所有（自身和其他）卫星的历书参数、电离层延时校正参数、GPS时间与UTC之间的关系以及卫星健康状况等信息，第三数据块不是接收机定位急需的参数。历书原意与星历一致，但历书的精度较低。但其有效期通常达到半年较星历长

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