GPS接收机导航电文解调算法实现正文

1、gps接收机导航电文解调算法实现摘要gps即为全球定位系统，具有全球覆盖、全天候工作等特点。目前，gps接收机在陆用、航空和海事等领域的应用越来越广泛，为用户定位和导航发挥着巨大的作用。随gps的升级和新的卫星导航系统的发展，相比较传统gps接收机，gps软件接收机具有的成本低、灵活性高等优点越来越突出。本课题主要完成了gps接收机基带信号处理及导航解算各主要算法的研究与实现。重点放在对基带信号处理的算法研究及在实际硬件环境、实时卫星信号条件下导航解算的软件实现。从而比较完整地实现了gps接收机的整个工作流程。本课题的创新之处在于对实时卫星信号进行一系列导航解算处理。在本文的主体部分阐述了对g

2、ps卫星信号搜索、捕获、跟踪及后续导航解算的主要算法及其性能比较。着重对导航解算各主要部分的算法及其软件实现进行详细介绍。本文最后对课题所涉及的系统进行分析，介绍了各主要功能模块，给出了导航解算较完整的工作流程，在实际信号条件下对系统的功能进行了测试分析并给出了结论。关键词：gps；同步；伪距；导航解算；软件实现gps receiver navigation data decoding algorithmabstractgps is global positioning system，and which has the characteristics of global coverage an

3、d all-weather work. currently，gps receiver is more widely used in the land，air and maritime field and has played a great role in the positioning and navigation for users. with the upgrade of gps and the development of new satellite navigation system，compared to traditional gps receiver, gps software

4、 receiver with the features of low cost and high flexibility is more prominent. this paper researches and realizes the major algorithms of gps receiver base band signal processing and navigation solution. it emphasizes researching algorithms of base band signal processing and realizing navigation so

5、lution under condition of specific hardware and real-time satellite signals. therefore, it presents a whole working-flow following the signal flow in a gps receiver. the innovation of this paper is realizing navigation solution in condition of real-time satellite signals.the major part of this paper

6、 was concentrated on expatiation and comparison of the major algorithms of gps signal searching, acquisition, racking and navigation solution in gps receiver. the navigation solution algorithms are also discussed in detail in term of software approach.finally, this paper analyzes the whole system, i

7、ntroduces main function-units, illustrates the general flow chart of navigation solution. furthermore, it analyzes the performance of thesystem and draws an conclusion.key words: gps; synchronization; pseudoranges; navigation solution; software implementation目 录1. 绪论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状21.3 必要性和可

8、行性分析31.4 研究内容和论文结构42. gps卫星导航系统原理52.1 gps系统的组成结构52.2 gps坐标系统和时间系统72.2.1 坐标系统72.2.2 时间系统72.3 gps卫星信号的基本结构82.3.1 gps卫星信号的调制82.3.2 载波信号102.3.3 伪随机码信号122.3.4 导航电文142.4 本章小结173. gps导航电文的解调方案设计183.1 位同步的原理及算法183.1.1 位同步的意义183.1.2 位同步的算法原理193.2 子帧同步的原理及算法213.2.1 帧同步的意义213.2.2 帧同步的算法原理213.3.1 测量伪距的意义243.3.2

9、 伪距的测量原理253.3.3 信号传输时间的测定273.4 本章小结274. 导航电文的解调仿真实现284.1 解调的仿真实现结果284.1.1 位、帧同步后的导航电文284.1.2 提取出的导航数据314.2 伪距的计算结果及误差分析344.3 本章小结375. 总结和展望385.1 前期总结385.2 后期展望38致 谢39参考文献40附录41附录a外文翻译-原文部分41附录b外文翻译-译文部分431. 绪论1.1 课题研究背景近年来，随着卫星导航定位技术的快速发展，日益显示出其巨大的优越性和其在经济、军事领域的重要作用。卫星导航定位接收机具有体积小、重量轻、低成本、长期稳定可靠等特点，

10、可实现全天候、全球覆盖、实时连续导航定位，其定位精度有界且不随时间和距离积累。gps在军事上有着广泛的应用，主要包括全时域的自主导航、各种作战平台的指挥监控、精确制导和打击效果评估、未来单兵作战系统保障以及军用数字信网络授时等等。在信息化时代，gps已经成为高技术战争的重要支持系统，可以极大地提高部队的指挥控制、多军种协同作战和快速反应能力，大幅度地提高武器装备的打击精度和效能。然而，卫星导航定位系统也存在不足，如抗干扰能力弱、更新率低、动态性能差等如何在现有条件下，进一步提高gps抗干扰能力，特别是高动态、大机动条件下接收机仍能正常工作并提供有效导航定位信息能力，是目前正在开展的研究热点领域

11、。进一步提高gps性能有多种技术途径，如调零天线技术、伪卫星技术、惯性辅助技术等。本文在gps软件基础上，针对高动态环境，通过进一步改进卫星导航定位算法、寻求新的数据处理方法，是一条能够降低成本、简单易行的技术路线。全球定位系统（global position system-gps）是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。gps主要由地面控制部分、空间部分和用户设备三部分构成。gps系统的建立和投入使用就是定位于双用途(军用和民用)的空基电子导航系统，其所有权、控制权和运行权都属于美国。gps卫星

12、发射的无线电信号包括两种精度不同的测距码(p码和c/a码)，相对应于两种不同的测距精度，即提供两种不同的定位服务，即精密定位服务(pps)和标准定位服务(sps)，pps的主要对象是美国军事部门和其他特许部门，其单点定位精度是10m，sps主要对象是广大民间用户，由于实际的效果比预计的效果好的多，美国政府为了保卫所谓的国家利益，出台了旨在降低民用定位精度的sa(selective availability)政策，人为地引入了误差，使得民用级的sps水平定位精度降为100m，垂直定位精度降为157m，并从1997年7月1日起，全部在轨卫星均实施sa技术。sa政策的引入严重的影响了国际可接收性，许

13、多提高定位精度的技术应运而生，如差分gps定位技术、载波相位定位技术。这些技术都极大的提高了sps的定位精度。与此同时，替代系统的出现，如与gps抗衡的前苏联的glonass系统，特别是20世纪90年代以后，国际民航组织所倡导的gnss体制，使美国政府感到压力。终于美国宣布自2000年5月1日起取消sa政策，sps的定位精度比原来提高五至十倍。正因为如此，从gps系统的建立和投入使用起，gps技术就有了飞速的发展，目前这一技术已经广泛地融入到我们的生活中，除了被应用在大地测量、地质勘探、石油开采、地震及气象监测这些领域外，随着数字大规模集成电路的发展和定位功能需求，gps已经开始更多地嵌入到移

14、动手持设备、消费电子产品中。在用户设备中，接收机核心芯片是关键技术之一，芯片技术直接关系到gps产品的技术指标和未来发展走向。现阶段gps接收机的研究中，整个接收机的性能无法从射频前端和导航处理模块中得以巨大提升。要获得更高精度的定位，或者要更快速度的捕获到卫星，就要从基带信号处理模块入手，基带处理中包括伪码、载波的捕获和跟踪，位同步、帧同步的完成以及把解调出数据送给导航处理模块。基带处理部分性能的好坏是决定整个gps接收系统成败的关键。因此本项目就着力于能很好的实现位同步、帧同步的完成和数据的解调和伪距的测算。1.2 国内外研究现状在欧美等国家，gps接收机的研究和开发已经相对成熟，只是在追

15、求高性能、多样化接收机方面不断完善，在诸如微弱信号检测、信号快速搜索、缩短启动时间等方面进行不断改善。近年来，关于gps的研究不断升温，在接收机研究方面，主要集中在gps如何满足车辆、武器、航空、航海、个人手持式导航设备的要求。其中小型化、低功耗、高精度、连续性、完好性、可用性、安全性等问题仍然是研究的热点。同时，软件gps接收机、gps与惯性导航（ins）、推算导航（dr）组合也受到越来越多的关注。具体说来，目前主要解决的技术问题集中在系统的抗欺骗、抗干扰、弱信号捕获、误差分析、误差消除、多径抑制、二星定位、三星定位、几何精度因子监控、差分技术（rtd/rtk）、载波相位解模糊、载波周跳修复

16、、地面伪卫星、信号质量监测、数据质量检测、测量质量检测等技术问题。目前,以上问题（比如精度、误差消除、差分技术等）有些已经得到很好解决，但仍有许多问题是当前gps导航领域技术攻关的重点。在国外与接收机研发相对应的市场应用也比较成熟和完善，无论是在军事领域还是日常生活，基于gps的导航定位已经深入人心。在军事应用方面，gps主要用于海、陆、空各类机动平台的定位，各类导弹、炸弹精确制导，野战机动部队定位和定时以及指引救援行动等方面。可以说其已成为现代化战争的重要组成部分。在航海导航方面，截至2001年底，世界上最后一段海岸线即南美洲阿根廷沿海dgps基站投入使用，标志着全球航海导航全部实现了gps

17、化，gps成为海上导航的主要手段。在航空导航方面，由于航空导航gps化是gps系统建设的重要目标之一，但航空导航可靠性要求高，技术相对复杂，因此gps航空导航系统建设落后于gps航海系统。国际上，为了使卫星导航成为航空导航的主导航手段，需要在现有的卫星导航系统基础上，建设增强系统，如北美的waas系统、laas系统，欧洲的egnos系统，日本的msas系统等。可以说，gps将成为世界航空的主导航手段。在民用方面，由于gps设备具有精度高、体积小、功耗小、成本低、实时性强、全球通用等特点，因此，越来越广泛地被应用到交通运输、城市监控、天气监测、灾害预报与防治、地震监测、电力网控制、通讯网控制、个

18、人移动通信、遥感、测量、商业活动、农业耕作等一切与位置、速度、时间有关的人类活动中，并且发挥着越来越重要的作用。gps系统的建立和投入使用、gps应用技术的研究、潜在应用领域的开拓及用户设备软硬件的不断完善，为gps这一高新技术的应用展现了极为广阔的前景。随着应用范围的不断扩大，相关研究不断深入，系统也在不断地发展和完善。特别是随着gps系统推广应用过程中所暴露出来的问题，世界各国都在大力开展相关研究，并不断有新，的技术和措施涌现。最近，在卫星星上技术和设备方面，美国国防部己着手对现有gps系统进行升级改造，增发3个新信号:一是高功率点波束军用m码，其信号增益比gps现有信号高得多，只供军方使

19、用，具有极强的抗干扰能力和保密能力，有助于确保美军在战时复杂的电子环境和干扰条件下使用;二是将c7a码加载在lz载波上，原来加载在ll载波上的c/a码继续保留:三是ls码，用作生命安全信号，仅供民用。除此之外，美国还在不断探索新的gps体系结构。在gps接收机领域的新近取得的两项最为重要的技术是gps接收机应用组件 (gram)和有选择地利用或防欺骗模块(saasm)。其中gram是一种标准电子插件，可将其加在未来的飞机、舰艇、导弹和各种武器中，确保安全性、互通性，减少非标准接口、定义和功能的数目。所有的gram将采用开放式系统结构，能灵活地增加、替代或取消系统中的某些元件。saasm是第二代

20、的gps技术产品安全模块，用于保护保密的gps算法、数据和校准，它将集成到接收机应用模块中。这种集成技术将提高gps系统的安全性，使gps接收机更易于维护，降低其费用。同时，为了解决gps接收机信号弱、易受干扰等问题，洛克希德马丁公司与罗克韦尔科林公司共同开发了gps时阳j一空间抗干扰接收机(g一star)系统，其特点是:在抑制干扰信号的同时，能融合各天线接收到的信号，形成指向gps卫星的波束;能进行数字信号处理，滤掉干扰信号:还具有波束指向、抑制和过滤各种干扰的能力，以适应环境的变化(包括平台或干扰源的移动)。我国gps应用技术的开发以测绘界为先锋，在航海、航空、公交、遥感、城建以及军事等多

21、个领域逐步展开，并取得了一定的成绩(，国内的一些主要沿海港口相继建立起差分gps系统来引导舰船入港，大大提高了安全性;从19%年12月起，国家测绘局正式向社会提供gps的精密星历数据、随着全球卫星导航定位系统在国民经济和国防建设的影响和作用日益增大，特别是其具有的重大战略意义，已引起我国的高度重视，并相继开展了有关研究，建立起深层次的卫星导航定位研发基地。2003年6月1日，我国自主研发的北斗系统正式开通，标志着我倒已经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。分别于2007年2月3日发射的北斗id卫星和4月14日发射的com队55一ml卫星，标志着从北斗一代

22、到北斗二代、从主动式导航到被动式导航的顺利过渡。经过努力，可以相信在不远的将来，我国的卫星导航与定位技术必将突飞猛进，充分发挥出它在现代化建设中的潜在效能。1.3 必要性和可行性分析gps导航技术于20世纪80年代中期引入中国，迄今己在很多领域得到了一定程度的应用。但是目前gps在我国的应用还处于比较落后的状态，随着目前接收终端设备的集成度越来越高，接收机越来越向小型化、低功耗发展，设计的难度越来越大。另外在国防产品中使用国外的这些芯片对国家安全也会有一些潜在的威胁。目前，中国正在发展自主卫星导航系统，卫星导航产业已经成为我国新的经济增长点，gps技术的研究对我国研发自主的卫星导航技术和产品有

23、着极大的战略意义。在加大力度发展我国集成电路产业的同时，芯片技术直接关系到gps产品的技术指标和未来发展走向。我们应开发具有自主知识产权和掌握核心技术的芯片，跟上国际gps的脚步。国内许多机构已经成功的用gp2021和ti系列dsp设计完成了gps接收机信号处理的设计，前期研究成果中的基带信号处理算法可对本课题的研发进行理论指导。从国家安全方面看，由于现在是科技时代，科技强则国家强，因此为了国家的安全必须大力发展gps技术，这已在北京奥运，汶川地震中得到体现，体现出国家对此的重视。从社会影响方面看，gps技术已经广泛用于海陆空交通运输，有线和无线通信，地质，资源调查，森林防火，医疗急救，海上搜

24、救，精密测量，车辆监控，目标监控等领域。从经济效益方面看，它在军事，交通，气象，测绘，通信，治安，传统产业改造等领域具有广阔发展前景。如果gps技术在各领域都能得到推广，那它所创造出价值会远远超出想象。从经济效益方面看，它在军事，交通，气象，测绘，通信，治安，传统产业改造等领域具有广阔的发展前景。如果gps技术在各个领域都能得到推广，那么它所创造出的价值会远远超出想象。但是目前gps在我国的应用还处于比较落后的状态，主要体现在国内的gps应用产品市场上的大部分产品是进口的。在国产的产品中，绝大部分也都是利用进口的gps接收机oem产品进行二次开发生产出来的。我国几乎没有独立知识产权的gps芯片

25、产品。由此可见，目前国内对gps的核心技术的研究还存在继续深入的广阔空间。目前，中国正在发展自主卫星导航系统，卫星导航产业已经成为我国新的经济增长点，同时，我国正加大力度发展我国集成电路产业，对于自主研发集成芯片的需求越来越大，而核心芯片是gps系统的关键部分之一，芯片技术直接关系到gps产品的技术指标和未来发展走向。所以对于gps导航技术的研究就很有必要性。1.4 研究内容和论文结构本论文共分为5章，各章主要内容如下：第一章，绪论。介绍了课题的研究背景和国内外研究现状，提出了研究该课题的必要性，分析课题的可行性，并说明了论文的研究内容和论文结构。第二章，gps系统的组成和gps信号介绍。介绍

26、了gps系统的三大组成部分：空间部分，地面部分和接收机；详细介绍了gps信号产生原理和具体的结构，并在此基础上详细的介绍了导航电文的格式和具体内容。第三章，gps接收机导航电文解调算法总体方案设计。详细地介绍了用于位同步、帧同步的原理和相应的算法和伪距的测量原理，并在此基础上对伪距进行计算。第四章，gps导航电文解调算法的仿真实现。介绍了基于matlab软件工具的的信号处理模块的仿真，包括用matlab完成导航电文位同步算法的仿真实现，并在此基础上用matlab仿真实现导航电文帧同步算法，完成导航电文的解调。仿真实现导航电文的解调，提取相应时间信息并结合提取的原始观测量值实现伪距的计算。第5章

27、总结。总结了课题前期的成果。并对课题的后期工作进行了展望。2. gps卫星导航系统原理2.1 gps系统的组成结构整个gps定位系统由三部分组成，即由gps卫星组成的空间部分、由若干地面站组成的地面监控系统和以接收机为主体的用户设备。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机配合、缺一不可的整体系统。图2.1显示了gps定位系统的三个组成部分及相互关系。图2-1 gps系统的组成结构(1) 空间卫星部分gps系统空间部分是指由多颗gps卫星组成的星座。全球定位系统的空间卫星星座部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。卫星均匀分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道

28、面的倾角为550，各轨道平面升交点的赤经相差600，轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。因此，同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达n颗。在用gps信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。gp

29、s工作卫星的编号和试验卫星基本相同。gps星座的卫星分布如图2-2所示。图2-2 gps星座的卫星分布gps导航卫星在空间的上述配置，保障了在地球上任何地点、任何时刻至少可以同时观测到4颗卫星，加之卫星信号的传播不受天气的影响，因此gps是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。不过， gps卫星的上述分布，仍无法避免在某一地区某一短时内仅能观测到4颗几何分布较差的卫星，而无法达到必要的定位精度。gps卫星的基本功能是:1)接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的指令。2)卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作。3)通过星载高精度艳钟和铆钟提供精密的时间标准。4)向用户发

30、送导航与定位信息。5)在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。(2) 地面控制部分gps的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括五个卫星监测站、一个主控站和三个信息注入站。1)监测站现有5个地面站均具有监测站的功能，5个卫星监控站分别位于全球5个不同的位置。监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。每个监测站配有gps接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器，接收机对gps卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理并存储和传送到主控站，

31、用以确定卫星的精密轨道。2)主控站主控站一个，设在美国科罗拉多的施瑞福空军基地。主控站采集各个监测站传过来的数据，根据采集的数据计算每一颗卫星的星历，时钟校正量，状态参数，大气校正量等，并按一定格式编辑成导航电文传送到注入站。主控站除了协调和管理所有地面监控系统的工作外，其主要任务是:根据本站和其它监测站的所有观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传递到注入站;提供全球定位系统的时间基准，各监测站和gps卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步或测出其钟差，并把这些钟差信息编入导航电文送到注入站;调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行;判断卫星工作状态，启动备用

32、卫星，以代替失效的工作卫星。3)注入站注入站的主要设备包括一台直径为3.6m的天线，一台c波段发射机和一台计算机，其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等注入到相应卫星的存储系统，每天注入3-4次，并监测注入信息的正确性。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。整个gps系统的地面监控部分除主控站外均无人值守。各站间用现代化的专用通讯网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。(3)用户接收机部分全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，而用

33、户只有通过用户设备，才能实现gps导航和定位的目的。根据gps用户的不同要求所需的接收设备各异，用户设备部分的主要设备是gps接收机，它是一种特制的无线接收机，主要由硬件、数据处理软件及其终端设备组成。而gps接收机的硬件一般包括gps接收模块、天线和电源，其中gps接收模块是gps接收机的核心部件。gps接收机的主要作用是接收gps卫星发射的信号，对卫星信号进行处理后以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经数据处理完成导航和定位工作。根据所得的数据确定接收机所在的地理位置。根据不同性质的用户和所需的功能，需要配置不同种类的gps接收机。其性能结构、形状尺寸和价格也大不相同。gps接收机一般可

34、以分为导航型、测地型和授时型。随着gps定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的gps接收机及相应的数据处理软件。目前，世界上gps接收机越来越趋于小型化。gps接收机的工作流程是:当gps卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行;对所接收到的gps信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出gps信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出gps卫星的运行所发出的导航电文，实时的计算出测站的三维位置、三维速度和时间。2.2 gps坐标系统和时间系统2.2.1 坐标系统卫星导航定位是建立在全球大地系

35、统(wgs-world geodetic system)的基础上的，它是一种以地球质心为原点，与地球固连的坐标系(地固坐标系)。全球大地参考系统的精度受技术水平的限制，也由相应的任务精度要求而定。1960年，美国推出了wgs-60，以后义相继推出wgs-66和wgs-72，其精度不断提高。1984年美国军用制图署对地球进行新的测量和定义，推出了wgs-84并沿用至今。世界大地坐标系具体定义如下：原点：地球的质量中心；z轴：指向bih1984.0（bih：国际时间局）定义的协议地球极(ctp)方向；x轴：指向bih1984.0的零度子午面和ctp赤道的交点；y轴：与x轴、z轴构成右手直角坐标系。

36、世界大地坐标系中的点，用表示。其中，表示测地经度，表示测地纬度，表示测地高度。wgs-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数为长半径=6378137m；地球引力常数gm=3986005108m3/s2；正常化二阶带谐系数c2.0=-484.1668510-6；地球自转角速度=729211510-11rad/s；2.2.2 时间系统在gps卫星系统中，时间系统具有重要的意义，因为gps卫星的位置、伪距的测量都是在一定时间系统下计算的，另外，gps本身也发播一种形式的协调世界时(utc)，以便为全世界的用户提供时间同步能力。常用到的时间系统有：(

37、1)世界时世界时以地球自转周期为基准，1960年以前一直作为时间测量的基准，由于地球的自转，太阳会周期性的经过某个地点上空。太阳连续两次经过某条子午线的平均时间间隔称为一个平太阳日，以此为基准的时间称为平太阳时。英国格林威治从午夜起算的平太阳时称为世界时，一个平太阳日的1/86400规定为一个世界时秒。地球自转轴在地球内的变化和地球自转速度不均匀都会对世界时产生影响。(2)原子时由于原子内部能级跃迁所发射或者吸收的电磁波频率极为稳定，比以地球转动为基础的计时系统更为均匀，因而得到广泛应用。原子时以位于海平面的铯原子133原子基态两个超精细结构能级跃迁辐射的电磁波周期为基准，从1958年1月1日

38、零时开始启用。铯束频标的9192631770个周期持续的时间为一个原子时秒，86400个原子时秒定义为一个原子时日。(3)协调世界时协调时(utc-universal time coordinated)并不是一种独立的时间，而是时间服务工作中把原子时的秒长和世界时的时刻结合起来的一种时间。它既可以满足人们对均匀时间间隔的要求，又可以满足人们对以地球自转为基础的准确世界时时刻的要求。协调时的定义是它的秒长严格等于原子时秒长，采用整数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之内。(4)gps时gps时是由gps星载原子钟和地面监控站原子钟组成的一个原子时系统，与国际原子时保持有19s的常数差，

39、并在gps标准历元1980年1月6日零时与utc保持一致。gps时间在0到604800s之间变化，零秒是每星期六午夜，每到此时gps时间重新设定为零，gps周数加1。特别指出的是从导航电文中解调出来的gps时是对1024星期取模的，在进行历书和星历的有效性判决时，应做相应的修正。2.3 gps卫星信号的基本结构2.3.1 gps卫星信号的调制在数字通讯技术中，为了有效的传播信息，一般将低频信号加载到高频的载波上，这时原低频信号称为调制信号，而加载信号后的载波称为调制波。gps卫星信号的调制，是采用调相技术实现的。bpsk是一种简单的数字信号调制方案，其中在相邻的时间间隔上，取决与所传的数字信号

40、是0或是1，rf载波分别以原来的相位或是180。相位翻转的方式传输。如图2-3所示，bpsk信号可视为两种时序波形的乘积-未调制的rf载波和数据波，数据波在每个连续的时间间隔内取值为+1或是。图2-3 bpsk调制直接序列扩频(dsss)可以视为bpsk的一种扩展，是gps和其它卫星导航系统所用的另一种相移键控调制方式。如图2-4所示表明载波信号的调制过程，dsss信号加上了第三个分量，称为扩频或prn波，类似数据波，但符号率高得多。这种prn波是完全已知的，prn波是周期性的，用来产生prn波的一个周期的有限比特序列称为一个prn序列或prn码。在prn波形转换之间的最小时间间隔通常称为码片

41、周期；在一个码片周期之上的prn波部分称为一个码片或扩频符号;码片周期的倒数称为码片速率。prn的独立时间参数常常以码片为单位来表示，称为码相位。图2-4 dsss调制上述信号称为扩频，是因为在更高速率的prn波调制之后信号所占用的带宽更宽了。一般而言带宽与码速率成正比。卫星导航系统中使用dsss波主要有三个原因:首先，也是最重要的，由prn调制所带来的信号中频繁的相位反转使得接收机能够精密测距。其次，使用来自一个良好设计集合的不同prn序列使得多个卫星能够在同一载波上同时传送信号，接收机能够基于不同的码区分这些信号，由于这点，在一个共用载频上具有不同扩频序列的多个dsss信号的传输称为码分多

42、址。最后，dsss抑制窄带的效果显著。gps卫星向用户发送的导航定位信号，.不同于常用的无线电广播台所发送的调频调幅信号，而是利用伪随机噪声码传送导航电文的调相信号，是采用扩展频谱技术发送的卫星导航信号。其载波处于l波段，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码。gps卫星发送的导航电文，是一种不归零二进制码组成的编码脉冲串，可以表述为数据码d(t)，其速率为50bps，换言之，d码的码率为50hz。数据码d(t)包括卫星的星历、工作状态、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正等信息，它是导航和定位的数据基础。为了节省卫星的电能、增强gps信号的抗干扰性和保密性、实现遥远的卫星通讯，gps卫星

43、采用伪噪声码对d码进行二级调制，即先将d码调制成伪噪声码(p码和c/a码)，再将这两种伪噪声码调制在li(1575.42mhz)和l2(1227.6mhz)两个载波上，形成向用户发射的gps射频信号。根据信息论的香农(c.e.shannon)定理，在高斯白噪声干扰条件下，通信系统容量为 (2.1)式中b为通信系统的频带宽度，s是信号平均功率，n为噪声功率。上式表明，当系统容量c一定时，增大频带宽度b，可以减小信噪比及万。可以利用增大系统带宽的办法降低所要求的信噪比，或者说用很小的发射功率，便可实现遥远的卫星通讯。这对于电能紧张的gps卫星，是极为有益的，而且信号深埋在噪声中，不易被他人捕获，具

44、有极好的保密性。gps信号包括两种载波(lllz)和两种伪噪声码(p码和c/a码)，其中li调制有p码、c/a码和d码;lz调制有p码和d码。这些均为dsss调制，这四种gps信号的频率均源于10.23mhz(星载原子钟的基频)的基准频率。基准频率与各信号频率之间存在一定的比例，如表2-1所示。表2-1 gps卫星信号的频率关系gps卫星信号是将导航电文(d码)经过二级调制(扩频)形成的，如图2-5所示为gps卫星信号形成示意图，该图说明，gps卫星的各个信号分量都由卫星原子钟振荡器的基准频率产生，并且信号调制过程是通过电路中一系列混频、模二求和与叠加实现。先以50hz的d码调制p码或c/a码

45、(码率为10.23mhz或1.o23mhz)，得到的组合码再去调制l波段的2个载波，实现d码的第二次调制，形成向用户发送的己调信号。gps信号使用两种载频，ll载波1575.42mhz，用于p码和c/a码两种码的调制；l2载波为1227.6mhz，仅用于p码的调制。并且是采用正交调制方式进行调制的，调制的gps信号表达式为： (2.2) (2.3)式中，。分别为p码和c/a码的振幅；，分别为第i颗卫星的p码和c/a码；为导航电文数据码；，为载波l1和l2的角频率；，为信号的起始相位。综上所述，gps卫星信号包括三种信号分量:载波、测距码、导航电文。其时钟基准频率为=10.23mhz，利用频率合

46、成器产生需要的频率。2.3.2 载波信号gps卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号，其中c/a码和p码的数码率分别为l.023mbit/s与10.23mbit/s，而d码(数据码)的数码率仅为50bit/s。gps卫星离地面约20200km，其电能又非常紧张，因此很难将上述数码率很低的信号传输到地面。图2-5 gps信号的产生框图解决问题的方法就是发射另一种高频信号，并将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上，构成一高频的调制波发射到地面。载波是一种能携带调制信号的高频震荡波，它的振幅、频率及相位都能随调制信号的变化而变化。 gps卫星使用的载波频率有l1和l2两部分，其中

47、载波l1的中心频率为1575.42mhz，波长为19.03cm，载波l2的中心频率为1227.6mhz，波长为24.42cm。载波l1和l2都是基于卫星中的原子钟所产生10.23mhz的基准频率f0形成的: (2.4) (2.5) 其中l1频段同时包含有c/a码和p(y)码，l2频段只包含p(y)码。由于这两个频率的时间参考是原子频标，所以它们是非常准确的。但卫星和接收机的相对运动产生了多普勒效应，其中由于卫星运动产生的在l1频率的多普勒频偏大约为5 khz。目前，l1频率包含了c/a码和p(y)码信号，而l2频率包含了p(y)码信号。在l1频率上的c/a码和p(y)码信号在相位上互相正交，可

48、由下式表达： (2.6)其中是l1的频率信号，是p码的幅度，= 1代表p码； = 1代表数据码；是l1频率；是初始相位；是c/a码的幅度； =1代表c/a码。在这个方程中p码用来代替p(y)码。这些信号能量电平非常微弱，频谱是被扩展的，所以信号不能被频谱分析仪直接观察到。即使当信号被放大到一个合理可观测的能量电平，c/a码信号的频谱仍不能被看到，因为噪声始终比信号强。gps卫星信号中载波的基本作用为传送导航电文和测距码。由于卫星和接收间的相对运动，会使载波产生doppler频移。对于固定的gps接收机，偏移载波的最大doppler频移可达到5 khz。对于高速运动的gps接收机，偏移载波l1的

49、最大doppler频移可达到10 khz 。此频移量可以用于精确测定接收机的三维运动速度。在高精度的gps定位中，载波本身也可作为一种测距信号使用，这时可以提高测距精度，而使用两个载波频率发送卫星导航信号可以对电离层产生的附加延时进行双频校正。在一般的通讯中载波的作用是传送运输调制信号，当调制波到达接收机并解调出调制信号后，载波就不再起作用了。但在全球定位系统中，载波除了更好的传送测距码和导航电文外，本身也被当作一种测距信号来使用，载波相位测量的精度很高，在高精度定位中有广泛的应用。2.3.3 伪随机码信号在gps卫星信号中，测距码是用于测定从卫星至接收机间距离的二进制编码。由于全球定位系统是

50、军民两用系统，因此gps卫星发射的测距码中也包含了两种性质和精度均不相同的伪随机噪声码信号c/a码和p码。(1)伪随机码的产生一组码序列，对于某个时刻t而言，码元是0或1完全是随机的，但其出现的概率均为1/2，这种码元是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。随机噪声码具有良好的自相关性，gps码信号就是利用了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。为了说明这个问题，可将随机噪声码序列平移k个码元，获得具有相同结构的新的码序列。比较两个码序列，假定在它们的对应码元中，码值相同的码元个数为。，码值相异的码元个数为。那么两者之差与两者

51、之和的比值，即定义为随机噪声码序列的自相关函数，并用表示。实际中，可用的取值判断两个随机噪声码序列的相关性。当平移的码元个数k=0时，两种结构相同的码序列其相应码元完全相同，这时=0，自相关系数=1；相反，当k=0时，且假定序列中的码元总数特别大，那么由于码序列的随机性，将有。，这时自相关函数。所以，根据自相关函数的取值，即可以确定两个随机噪声码序列是否已经 “对齐”。如果gps卫星发射一个随机序列，而gps接收机在收到信号的同时复制出结构和完全相同的随机序列，由于信号传播时间延迟的影响，被接收的随机序列与复制出的随机序列之间产生了平移，所以，若通过一个时间延迟器来调整，使两者码元相互完全对齐

52、，即有，那么就可以从gps接收机的时间延迟器测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，再乘以光速便可确定卫星至观测站的距离。虽然随机码具有良好的自相关性，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。为了实际利用，gps采用一种随机噪声码(pseudo random noise，prn)，简称伪随机码。这种码是一种可以预先确定又可重复产生和复制，具有一定周期的取值为0和1的离散符号串，具有类似于白噪声随机统计特性的二进制码序列。它不仅具有高斯噪声所具有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。利用伪随机码信号可以实现低信噪比接收，可实现码分多址通信，具有良

53、好的保密性。gps系统应用伪随机码技术便于捕获各颗卫星的信号，同时还可以提供用于定位的测距数据。伪随机码由多级反馈移位寄存器单元构成。伪码的产生方式很多，gps系统中采用的是由m序列，即由最长线性反馈移位寄存器序列产生的复合码。m序列是由多级反馈移位寄存器产生的，不同级数的反馈寄存器以及不同的反馈抽头都将产生不同的m序列。1c/a码的生成原理gps信号的c/a码是长度为1023的gold码(g码)。g码是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选模2和构成。每改变两个m序列相对位移就可得到一个新的gold序列。对于长度为的m序列，每两个码可以产生n个g码。g码既具有良好的自相关特性，又具有优良

54、的互相关特性，可供码分多址系统选用。这也是gps采用g码作为c/a码的主要原因。c/a码周期为lms，每个周期中都包含有1023个二进制码的低精度测距码，每个码持续时间(即码元宽度)为lms/1023=0.97751711=977.5ns、相应距离(即码元长度=光速与时间的乘积)为293m。gps信号中c/a码的码速率为1.023mhz，c/a码的产生原理如下图所示：图2-6 c/a码的产生原理图2.2中，两个10级移位寄存器分别产生g1序列和g2序列，然后g1序列和经过相位选择后的g2序列通过模2加法器产生c/a码序列。其中 (2.7) (2.8)按照上式中变更模二和的方法，可以获得不同的g

55、ps卫星的c/a码。由于，两个m序列均有1023个码元，的平移序列便多达1023个，加上不平移的与的组合，则有1024个c/a码，实际上只选用了37个c/a码，其中32个用于gps卫星。在生成c/a码时，采用的序列的输出不是直接由移位寄存器的末级输出，而是利用相位选择器选择其中的两级做模2运算后输出，如图2.2中选择3单元和8单元。这样做的结果是产生一个与原码序列平移等价的序列，图2.2中相当于把直接由移位寄存器的末级输出的码序列平移了861个码元。将平移后的序列和序列模2加后产生卫星31的c/a码。不同卫星的相位选择器选择不同的两个单元进行模2运算，由此产生不同的平移量，结果产生对应的36个

56、不同的c/a码，实际有37个c/a码，但是34和37的相位选择是一样的。其中前32个c/a码用于gps卫星(只有24个在轨道中)，33到37号c/a码保留作为其他用途，比如伪卫星。c/a码的码元长度为p码的10倍，一般测距精度为码元长度的百分之一左右，因此c/a码的测距精度比p码低一个数量级，故称为粗码。gps接收机可以很快的捕获c/a码。c/a码具有如下特点：c/a码码长较短，易于捕获，而通过捕获c/a码所得的信息，又可以方便的捕获p码，所以，通常称c/a码为捕获码；c/a码的码元宽度较大，若两个序列的码元相关误差为码元宽度的1/101/100，则此时所对应的测距误差可达29.32.9m。由

57、于其精度较低，又称c/a码为粗捕获码。c/a码之所以用作gps信号传输，是因为它的相关性，这是其非常重要的特性，它分为两种相关性:自相关性和互相关性。同一种c/a码的相关性为自相关性，不同的c/a码的相关性为互相关性。为了能够捕获信号，则当本机产生的c/a码与接收到的c/a码相位完全吻合时，其相关性达到最高，同时若没能吻合，则相关性比必须相对吻合时要低很多。c/a的互相关性必须保证很低，这样才能使得接收机能够通过不同的c/a码来辨别不同的卫星。2p码的生成原理p码由两组各为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，且严格保密。p码的特征是：码长

58、bit；码元宽度，相应长度29.3m；周期7天；数码率为10.23mbit/s。因为p码码长约为bit，所以如果仍采用搜索c/a码的方法来捕获p码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒50码元时，那将是无法实现的。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，便可捕获p码。另外，由于p码的码元宽度为c/a码的1/10，这时若取码元的相关精度仍为码元宽度的1/101/100，则由此引起的距离误差约为2.930.29m，仅为c/a码的l/10。p码的码长很长(周期约为267天)，具有良好的保密性能。不易捕获和破译，主要用于军方。c/a码主要用于民用，是民用gps技术研究的

59、重点。本文研究的gps软件接收机就是基于c/a码的。2.3.4 导航电文导航电文是用户用来定位和导航的数据基础，是包含有关卫星的星历、历书、工作状态、时间系统、星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由c/a码捕获p码等导航信息的数据码（或d码）。这些信息以50bit/s的数据流调制在载频上，数据采用不归零的二进制码。导航电文是二进制文件，它的基本单位叫“帧”，按“帧”向外发送，每一数字帧导航电文长1500bit，播送速率为50bit/s，所以发送一主帧（页）电文需要30s时间。每主帧导航电文包括5个子帧，每个子帧长6s。每子帧由10个字组成，每个字为30bit，也就是每一子帧共含300hit电文。电文的播发速度为每秒50bit，所以播发给一帧电文的时间需要30秒，一套完整的导航电文由25个主帧（页）组成，共37500bit，要750s才能传完，即12.5min。第1，2，3子帧播放该卫星的广播星历及卫星钟修正参数，其内容每小时更新一次。第4，5子帧播放所有空中gps卫星的历书(卫星的概略坐标)，完整的历书站25帧，要12.5分播完，其内容只有在地面注入站注入新的导航数据才更新。为了记载多颗卫星的星历，规定子帧4、5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。图2-7 导航电文格式导航电文的内容可分为遥测码(tlw)、转换码(how)、第一数据