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GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)由載波、測(cè)距碼和導(dǎo)航電文三部分組成。

一、 載波

可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)的高頻振蕩波稱為載波。GPS 衛(wèi)星所用的載波有兩個(gè), 由于它們均位于微波的 L 波段, 故分別稱為 L1 載波和 L2 載波。其中 L1 載波是由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率 f0 ( f0 = 10. 23MHz) 倍頻 154 倍后形成的, 即 f1 = 154× f0 = 1 575. 42 MHz, 其波長(zhǎng) λ1 為19. 03cm; L2 載波是由基準(zhǔn)頻率 f0 倍頻 120 倍后形成的, 即 f2 = 120× f0 = 1 227. 60MHz, 其波長(zhǎng)λ2 為 24. 42 cm。

采用兩個(gè)不同頻率載波的主要目的是為了較完善地消除電離層延遲。采用高頻率載波的目的是為了更精確地測(cè)定多普勒頻移和載波相位( 對(duì)應(yīng)的距離值) , 從而提高測(cè)速和定位的精度, 減少信號(hào)的電離層延遲, 因?yàn)殡婋x層延遲與信號(hào)頻率 f 的平方成反比。

二、測(cè)距碼

測(cè)距碼是用于測(cè)定從衛(wèi)星至接收機(jī)間的距離的二進(jìn)制碼。GPS 衛(wèi)星中所用的測(cè)距碼從性質(zhì)上講屬于偽隨機(jī)噪聲碼。它們看似一組雜亂無(wú)章的隨機(jī)噪聲碼, 其實(shí)是按照一定規(guī)律編排起來(lái)的、可以復(fù)制的周期性的二進(jìn)制序列, 且具有類似于隨機(jī)噪聲碼的自相關(guān)特性。測(cè)距碼是由若干個(gè)多級(jí)反饋移位寄存器所產(chǎn)生的 m 序列經(jīng)平移、截短、求模二和等一系列復(fù)雜處理后形成的。

根據(jù)性質(zhì)和用途的不同, 測(cè)距碼可分為粗碼( C/ A 碼) 和精碼( P 碼或 Y碼) 兩類, 各衛(wèi)星所用的測(cè)距碼互不相同且相互正交。

1. 粗碼

用于進(jìn)行粗略測(cè)距和捕獲精碼的測(cè)距碼稱為粗碼, 也稱捕獲碼。C /A 碼( Coarse / Acquisi_x0002_tion Code) 的周期為 1ms, 一個(gè)周期中共含 1 023 個(gè)碼元。每個(gè)碼元持續(xù)的時(shí)間均為1ms/1 023 =0. 977 517μs, 其對(duì)應(yīng)的碼元寬度為 293. 05m。C /A 碼的測(cè)距精度一般為 ±( 2 ～3) m。

C /A 碼是一種結(jié)構(gòu)公開(kāi)的明碼, 供全世界所有的用戶免費(fèi)使用。目前, C/ A 碼只調(diào)制在L1 載波上, 故無(wú)法精確地消除電離層延遲。

2. 精碼

用于精確測(cè)定從 GPS 衛(wèi)星至接收機(jī)距離的測(cè)距碼稱為精碼。精碼( Precision Code) 也是一種周期性的二進(jìn)制序列, 其實(shí)際周期為一星期。一個(gè)周期中約含 6. 2 萬(wàn)億個(gè)碼元。每個(gè)碼元所持續(xù)的時(shí)間為 C /A 碼的 1 /10, 對(duì)應(yīng)的碼元寬度為 29. 3m。精碼的測(cè)距精度約為 0. 3m。

三、導(dǎo)航電文

導(dǎo)航電文是由 GPS 衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組反映衛(wèi)星在空間的位置、衛(wèi)星的工作狀態(tài)、衛(wèi)星鐘的修正參數(shù)、電離層延遲修正參數(shù)等重要數(shù)據(jù)的二進(jìn)制代碼, 也稱數(shù)據(jù)碼( D 碼) 。它是用戶利用 GPS 進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)一組 必不可少的數(shù)據(jù)。導(dǎo)航電文的 傳輸速率為50 bit /s, 以“幀”為單位向外發(fā)送。每幀的長(zhǎng)度為 1 500bit, 播發(fā)完一個(gè)主幀需 30s。一個(gè)主幀包括 5 個(gè)子幀。每個(gè)子幀均包含300bit, 播發(fā)時(shí)間為 6s。每個(gè)子幀又可分為 10 個(gè)字, 每個(gè)字都由 30bit 組成。其中第四、五兩個(gè)子幀各有 25 個(gè)頁(yè)面, 需要 750s 才能將 25 個(gè)頁(yè)面全部播發(fā)完。

衛(wèi)星電文的基本構(gòu)成圖