GPSM码信号的产生与特性分析
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第6章相位编码脉冲信号(研)页数:33
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第二章 计算机控制系统信号分析页数:37
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一种低信噪比二相编码信号时频分析方法页数:5
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gps信号产生与构成资料
伪随机噪声码的产 生及特性： 伪随机噪声码简 称PRN，是一个 具有一定周期的取 值0和1的离散符号 串。
GPS信号卫星的核心为原子钟，根 据原子钟所发出的频率f， 1、GPS卫星信号是GPS卫星向广大 用户发送的用于导航定位的调制波 。 它包括有：载波、测距码和数据码 。 2、时钟基本频率为10.23MHz 3、GPS使用L波段的两种
有如下图
基本频率fo 10.23MHz
L1 1575.42MHz
L2 1227.6MHz
C/A码 1.023MHz
P码 10.23MHz P码 10.23MHz
50BPS
数据吗（导航电文，或D码）
各个波形如下
C码
P码
L2
L1
民用码（C）
测距码
军用码（P）
民用码特征（C） 1.容易捕获 2.码元持续时间短 3.距离：L=293.1m(码元 持续时间与c乘积） 4.精度（29.3~2.93）
军用码特征（P）
1.不容易捕捉 2.码元持续时间长 离：L=29.3m（码元持续时间与c乘积） 4.精度（2.93~0.293m）
伪随机噪声码的产生及特性
伪随机码的产生：
伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声码，简称普瑞纳，是一个具有一定周期 的取值0和1的离散符号串 · 伪随机码的产生方式很多。GPS技术采用m序列，即产生于最长线性反馈 移位寄存器
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a3 a2 a1 a0 输出
m序列有下列特性 1、均衡性：在一个周期中，“1”与“0”的数目基本相 等， “1”比“0”的数目只多一个。它不允许存在全“0” 状态。 2、在序列中，相同码元连在一起称为一个游程。 3、位移相加特性：一个m序列mp与其经过任意次延迟移 位产生的另一个序列mr模2相加得的ms仍是m序列。 4、根据自相关函数的定义，可求得m序列的自相关函数 ： R（j）=A-D/A+D =A-D/M 5、伪噪声特性：如果对噪声取样，并将每次取样按次序 排列成序列，会发现其功率谱为正态分布。
GPS和GLONASS相关
1 GPS 卫星导航系统
1.1 概述 GPS 信号利用码分多址（CDMA）方式，所有的卫星都工作在同样 的频率上，采用伪随机噪声码（PRN） ，这是 GPS 信号的基本特点，实 际上它只是一种非常复杂的数字编码，具有特殊的数学特征。这种信 号看起来如同随机的电噪声，但是又不是真正的噪声，故称为“伪随 机噪声”，信号为伪随机噪声码，如图所示。 详细内容可参见《GPS 接口控制文件》 。
2.2 伪码生成
GPS 和 GLONASS 之间伪码的对比
参数 GPS SPS(标准定位服务)信号 上：C/A 码系列 伪码 PPS（精密定位服务）信号 W 信号上：同一个 P 码序列 上：P（Y）码系列 长度[码片] 周期[ms] C/A 码 码率[Mcps] 类型 阶段后周期 P码 码率[Mcps] 1.023 5.11 1.023 Gold 码 7天 0.511 m 序列 1s 1023 1 511 1 GLONASS ST（标准精度）信号上：同一 个 C/A 码序列
24 为每颗卫星的频率编号。所有 GPS 卫星的载波的频率是相同，均 为 L1=1575.42MHZ 和 L2=1227.6MHZ。 GLONASS 卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码： S 码和 P 码。 俄罗斯对 GLONASS 系统采用了军民合用、不加密的开放政策。 GLONASS 系统单点定位精度水平方向为 16M，垂直方向为 25M。 为进一步提高 GLONASS 系统的定位能力，开拓广大的民用市场， 俄政府计划用 4 年时间将其更新为 GLONASS-M 系统。内容有：改进一 些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到 8 年；实现系统高的定位 精度：位置精度提高到 10～15M，定时精度提高到 20～30NS，速度精 度达到 0.01M/S。 详细内容可参见《GLONASS 接口控制文件》 。
1.1 概述 GPS 信号利用码分多址（CDMA）方式，所有的卫星都工作在同样 的频率上，采用伪随机噪声码（PRN） ，这是 GPS 信号的基本特点，实 际上它只是一种非常复杂的数字编码，具有特殊的数学特征。这种信 号看起来如同随机的电噪声，但是又不是真正的噪声，故称为“伪随 机噪声”，信号为伪随机噪声码，如图所示。 详细内容可参见《GPS 接口控制文件》 。
2.2 伪码生成
GPS 和 GLONASS 之间伪码的对比
参数 GPS SPS(标准定位服务)信号 上：C/A 码系列 伪码 PPS（精密定位服务）信号 W 信号上：同一个 P 码序列 上：P（Y）码系列 长度[码片] 周期[ms] C/A 码 码率[Mcps] 类型 阶段后周期 P码 码率[Mcps] 1.023 5.11 1.023 Gold 码 7天 0.511 m 序列 1s 1023 1 511 1 GLONASS ST（标准精度）信号上：同一 个 C/A 码序列
24 为每颗卫星的频率编号。所有 GPS 卫星的载波的频率是相同，均 为 L1=1575.42MHZ 和 L2=1227.6MHZ。 GLONASS 卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码： S 码和 P 码。 俄罗斯对 GLONASS 系统采用了军民合用、不加密的开放政策。 GLONASS 系统单点定位精度水平方向为 16M，垂直方向为 25M。 为进一步提高 GLONASS 系统的定位能力，开拓广大的民用市场， 俄政府计划用 4 年时间将其更新为 GLONASS-M 系统。内容有：改进一 些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到 8 年；实现系统高的定位 精度：位置精度提高到 10～15M，定时精度提高到 20～30NS，速度精 度达到 0.01M/S。 详细内容可参见《GLONASS 接口控制文件》 。
第二章：GPS卫星信号及其测量原理
2.1 GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理
返回
GPS卫星信号及其测量原理> GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理
测距码（C/A码、P 码）
载波L1、L2 （相当于运载工具)
GPS 卫星 信号
导航电文 （数据码或D码）
GPS卫星信号及其测量原理> GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理>码
（1）码：表达信息的二进制数及其组合。
当级数r足够大时，就有R(t)≈0。所以，伪随机噪声码与随机噪声 码一样，具有良好的自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期 性序列。用户接收机可方便地复制卫星所发射的伪随机噪声码信号， 并通过和接收到的码信号比较(相关)，精确测定信号的传播时延，进 一步计算出某一时刻测站和卫星间的距离。
GPS卫星信号及其测量原理> GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理>测距码
式中：Nu也称为码长。
Tu (2r 1) tu N u tu
由于移位寄存器不容许出现全“0”状态，因此 2r -1个码元中，
“1”的个数总比“0”的个数多1个。这样，当两个周期相同的m序
列其相应码元完全相齐时，自相关系数R(t)=1，而在其他情况则有：
R(t) 1 Nu
1 2r 1
GPS卫星信号及其测量原理> GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理>伪随机噪声码
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。
GPS卫星信号及其测量原理
GPS卫星信号构成示意图
GPS卫星信号及其测量原理
返回
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测距码（C/A码、P 码）
载波L1、L2 （相当于运载工具)
GPS 卫星 信号
导航电文 （数据码或D码）
GPS卫星信号及其测量原理> GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理>码
（1）码：表达信息的二进制数及其组合。
当级数r足够大时，就有R(t)≈0。所以，伪随机噪声码与随机噪声 码一样，具有良好的自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期 性序列。用户接收机可方便地复制卫星所发射的伪随机噪声码信号， 并通过和接收到的码信号比较(相关)，精确测定信号的传播时延，进 一步计算出某一时刻测站和卫星间的距离。
GPS卫星信号及其测量原理> GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理>测距码
式中：Nu也称为码长。
Tu (2r 1) tu N u tu
由于移位寄存器不容许出现全“0”状态，因此 2r -1个码元中，
“1”的个数总比“0”的个数多1个。这样，当两个周期相同的m序
列其相应码元完全相齐时，自相关系数R(t)=1，而在其他情况则有：
R(t) 1 Nu
1 2r 1
GPS卫星信号及其测量原理> GPS卫星的测距码信号与伪距测量原理>伪随机噪声码
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。
GPS卫星信号及其测量原理
GPS卫星信号构成示意图
GPS卫星信号及其测量原理
gps技术的应用原理及特点分析
GPS技术的应用原理及特点分析一、GPS技术简介GPS（全球定位系统）是一种基于卫星导航的定位技术，由美国军方开发并于20世纪90年代初投入使用。
GPS技术通过对接收到的卫星信号进行测距计算，能够精确定位地球上的任何一个地点。
二、GPS技术的应用原理GPS技术的应用原理主要包括以下几个方面：1.卫星发射信号：GPS系统由一组24颗运行在轨道上的卫星组成，这些卫星定期向地面发射一系列信号。
2.接收器接收信号：GPS接收器接收来自卫星的信号，信号通过GPS天线传输到接收器内部。
3.信号测距计算：GPS接收器内部的芯片通过对接收到的卫星信号的到达时间进行计算，测量出信号传播的距离，并根据多个卫星信号的测距结果计算出接收器的三维空间坐标。
4.位置定位计算：通过将接收器测得的三维空间坐标与卫星的位置信息进行比对，可以精确定位接收器所在的位置。
5.时间同步：GPS系统同时提供高精度的时间信息，接收器可以通过接收到的GPS信号来同步本地时间。
三、GPS技术的特点分析GPS技术具有以下几个显著的特点：1.全球覆盖：GPS系统中的卫星分布在全球范围内，几乎任何地方都可以接收到GPS信号，使得GPS技术可以在全球范围内被广泛应用。
2.高精度定位：GPS技术在理想的条件下能够提供高精度的定位结果，通常可以实现米级的精度。
3.实时性：GPS技术提供的定位结果是实时的，能够在几秒内获取到当前位置信息，非常适用于需要及时定位的应用场景。
4.多功能应用：GPS技术不仅可以用于定位导航，还可以用于车辆监控、物流配送、地图制作等各种领域。
5.抗干扰能力：GPS技术具有较强的抗干扰能力，能够在恶劣的天气条件下或者有遮挡的环境中保持稳定的工作。
6.低成本：GPS技术的设备成本相对较低，广泛应用于个人消费电子产品中，如汽车导航仪、手机等。
综上所述，GPS技术凭借其全球覆盖、高精度定位、实时性、多功能应用、抗干扰能力和低成本等特点，成为现代导航和定位领域最重要的技术之一。
GPS卫星信号
第4章 GPS 卫星信号GPS 卫星定位测量通过用户接收机接收GPS 卫星发射的信号来测定测站坐标。
GPS 卫星信号包括测距码信号、导航电文或称D 码（数据码信号）和载波信号。
4.1 GPS 卫星的测距码信号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。
本节从码 的基本概念入手，介绍伪随机噪声序列及其产生，以及C/A 码和P 码的产生及其特征，并简要介绍码相关伪距测量原理。
一、码的基本概念码是指表达信息的二进制数及其组合；其中每1位二进制数称为1个码元或叫1比特（bit ），它是码（或信息量）的度量单位；如果将各种信息通过量化并按某种规则表示为二进制数的组合形式，称此过程为编码，也即信息的数字化；在二进制数字化信息的传输中，每秒钟传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s （或记为BPS ）。
一组二进制数的码序列可以看作是以0或1为幅度的时间函数，以u （t ）表示。
若一组码序列u （t ）在时刻t 码元取0或1完全是随机的，但其出现的概率均为1/2，则称这种码元幅值完全无规律的码序列为随机噪声码序列，其特点是非周期性、无法复制且自相关性良好。
自相关性指两个结构相同的码序列的相关程度，常由自相关函数描述。
若具有相同结构的两个随机噪声码序列u(t)和()t u ~的对应码元中码值相同的码元个数为S u ，码值相异的码元个数为D u ，则它们的自相关函数R （t ）可表示为uu u u D S D S t R +-=)( （4-1）根据R （t ）的取值，即可确定两个随机噪声码序列是否相关，或两个码序列的相应码元是否已完全对齐。
GPS 测距码的良好自相关性是GPS 测码伪距测量的关键因素。
二、伪随机噪声码及其产生1、伪随机噪声码虽然随机噪声码序列具有良好的自相关特性，但其非周期性使其无法复制和利用。
GPS 采用一种伪随机噪声码（PRN ），不仅具有类似随机噪声码的良好自相关特性，而且具有确定的编码规则，是可以复制的码序列。
GPS全球卫星定位系统知识
GPS接收机工作原理
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卫星所发送的导航电文实时地计算出测站的三维 位置甚至三维速度和时间
• GPS是20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
• 经过20余年的研究实验耗资 300亿美元到1994年3月全球 覆盖率高达98%的24颗GPS卫 星星座己布设完成
GPS的主要目的
为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的 导航服务并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军 事目的是美国独霸全球战略的重要组成
国内GPS民用方面发展 6/6
——挑战与机遇并存
2009年GPS市场来说一直处在一种半沉睡的状态与前两年所出现的井喷 现象擦肩而过低价扰市和盗版地图横行成为阻碍GPS市场正常发展的隐患
2009年包括燃油税改革汽车产业调整和振兴规划、购置税减半、汽车下 乡、汽车报废补贴、汽车以旧换新等一系列鼓励汽车消费利好政策的密集出 台带动上半年汽车销量增长
码和数据码或D码等多种信号分量而其中P码和C/A码统 称为测距码
GPS卫星信号的产生、构成和复制等都涉及到现代数 字通信理论和技术方面的复杂问题
GPS卫星信号的测距码
码的概念
在现代数字通信中广泛使用二进制数0和1及其组合来 表示各种信息表达不同信息的二进制数及其组合称为码一 位二进制数叫一个码元或一比特比特为码和信息量的度量 单位
导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间 系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和 由C/A码捕获P码等导航信息导航电文又称为数据码或D 码
GPS卫星定位原理及其应用 电磁波的传播和GPS卫星的信号
3.利用相对定位的差分法来减弱对流层大气折射的影响。
4.完善对流层大气折射改正模型。
2019/6/18
11
电离层改正模型
f1
40.2
注：N为信号传播路径上电的子总量。
2019/6/18
12
减弱电离层影响的措施
1.利用两种不同的频率进行观测
f 1
f22 f22
f12
2.两观测站同步观测量求差
f 1 40 . 28
N f12
f 2 40 . 28
N f22
2
f 2
f 1
f1 f2
2019/6/18
13
GPS卫星的测距码信号
GPS卫星所发射的信号包括： 载波信号 P码（或Y码） C/A码 数据码（又称作D码）
约为地面上70Km以上的范围。
由于太阳和其它天体的各种射线作用，使该层的大 气分子发生电离。从而具有密度较高的带电粒子，对电 磁波的传播具有很大的影响。
2019/6/18
9
对流层的处理办法
采用模型进行改正。
将对流层大气对电磁波的影响可以分为干分量和湿 分量的联合影响
S Sd Sw
载 波 L1 的 波 长 为 19 cm ，L2 的 波 长为 24 cm
接收仪将接收到的卫星载波 信 号的 相 位 与 其 自 身 产 生 的 参 考 载 波信 号 的 相 位 进 行 比 较
接 收 仪 开 机 后，相 位 整 周 数 未 知 (带 有 整 周 模 糊 度 )
跟踪卫星时间较长时距离的 变 化可 以 测 定 ( 整 周 数 保 持 不变)
Sd
4.完善对流层大气折射改正模型。
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电离层改正模型
f1
40.2
注：N为信号传播路径上电的子总量。
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减弱电离层影响的措施
1.利用两种不同的频率进行观测
f 1
f22 f22
f12
2.两观测站同步观测量求差
f 1 40 . 28
N f12
f 2 40 . 28
N f22
2
f 2
f 1
f1 f2
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13
GPS卫星的测距码信号
GPS卫星所发射的信号包括： 载波信号 P码（或Y码） C/A码 数据码（又称作D码）
约为地面上70Km以上的范围。
由于太阳和其它天体的各种射线作用，使该层的大 气分子发生电离。从而具有密度较高的带电粒子，对电 磁波的传播具有很大的影响。
2019/6/18
9
对流层的处理办法
采用模型进行改正。
将对流层大气对电磁波的影响可以分为干分量和湿 分量的联合影响
S Sd Sw
载 波 L1 的 波 长 为 19 cm ，L2 的 波 长为 24 cm
接收仪将接收到的卫星载波 信 号的 相 位 与 其 自 身 产 生 的 参 考 载 波信 号 的 相 位 进 行 比 较
接 收 仪 开 机 后，相 位 整 周 数 未 知 (带 有 整 周 模 糊 度 )
跟踪卫星时间较长时距离的 变 化可 以 测 定 ( 整 周 数 保 持 不变)
Sd
GPS的基本原理、通讯码制及定位应用.
GPS 的基本原理、通讯码制及定位应用目录：1全球定位系统的原理及组成1.1 GPS基本原理1.2 GPS的组成2 有关GPS 工作的几个问题2.1信号与多通道2.2 差分工作方式与独立工作方式2.3 载波相位与码相位2.4 操作码2.5 系统精度3 GPS信号结构3.1 GPS传输信号的分类3.2 GPS信号结构3.3 C/A码3.4 P码一、全球定位系统的原理及组成1.1 基本原理GPS 系统是由美国国防部的陆海空三军在70年代联合研制的新型卫星导航系统它的英文名称是“Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Positioning System”，其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称GPS 系统。
该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性(陆地、海洋、航空和航天全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。
GPS 的定位原理实质上就是测量学的空间测距定位，利用在平均20200km 高空均匀分布在6个轨道上的24颗卫星，发射测距信号码和载波，用户通过接收机接收这些信号测量卫星至接收机之距，通过一系列方程演算，便可知地面点位坐标。
1.2 GPS的组成GPS 由三部分组成GPS 空间部分、地基监控站和GPS 用户接收机部分1.2.1 GPS空间部分GPS 空间部分由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成。
卫星分布可保证全球任何地区、任何时刻都不少于4颗卫星供观测。
24颗卫星中3颗作为备份。
每个轨道平面上有4颗卫星，它们按与地球成55的相同方向运行，空间间隔约为90°. 这些卫星工作在2种频率下1575.42MHz 和1227.6MHz ，通过测量这些卫星到达的时间用户可以用4颗卫星确定4个导航参数：纬度经度、高度和时间。
每个GPS 卫星都对应一组编号它们有多种编号一般采用PRN （卫星所采用的伪随机噪声码）编号。
GPS卫星信号分析修正版.doc
GPS卫星信号分析(修正版)——基于SirfStar GPS上的NMEA0183协议及Sirf二进制协议之实现 (输出/输入)：SirfStar GPS接收机可工作在NMEA0183协议和Sirf二进制协议两种协议上。
工作协议可以切换，如在NMEA0183协议上工作时，可用$PSRF100输入消息来设置要使用的协议。
NMEA(National Marine Electronics Association) 0183协议简介NMEA 0183是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式，是一种航海、海运方面有关于数字信号传递的标准，此标准定义了电子信号所需要的传输协议，传输数据时间。
这个协议是文本格式的。
大致格式如下：NMEA0183消息输出格式：$GPsss,df1,df2,…[CR][LF]GP标识该信号是GPS信号，sss为信息内容识别码，df1,df2…是信息内容值，[CR]、[LF]分别表回车换行各主要GPS消息内容识别码的含义如下：GGA：时间、位置、定位数据GLL：经纬度,UTC时间和定位状态GSA：接收机模式和卫星工作数据,包括位置和水平/竖直稀释精度等。
稀释精度（Dilution of Precision）是个地理定位术语.一个接收器可以在同一时间得到许多颗卫星定位信息，但在精密定位上，只要四颗卫星讯号即已足够了GSV：接收机能接收到的卫星信息，包括卫星ID，海拔，仰角，方位角，信噪比（SNR）等RMC：日期，时间，位置，方向，速度数据。
是最常用的一个消息VTG：方位角与对地速度MSS：信噪比(SNR),信号强度，频率，比特率ZDA：时间和日期数据注：GPS系统还含有一些未在此列出的其它信号，特定软硬件平台只能处理的特定的信号与地理信息密切相关的消息及其所含主要内容如下，各消息之间的信息字段有出入也有重复，在一轮消息循环里，各1. GGA(时间、位置、定位数据)2.GLL(经纬度,UTC时间和定位状态)例样数据：$GPGLL,3723.2475,N,12158.3416,W,161229.487,A*2C4．GSV(接收机能接收到的卫星信息，包括卫星ID，仰角，方位角，信噪比（SNR）等)例样数据：这两条语句描述一个完整的卫星信息（这里共描述7颗卫星，每颗卫星的描述部分已用不同颜色标出），每颗卫星用4个段来描述：卫星ID（又称随机伪代码，PRC）、卫星高程（仰角，卫星和接收点连线与水平面的夹角）、方位角（连线在水平面上的投影与正北方向的顺时针旋转夹角）、信噪比。
gps原理
gps原理
全球定位系统（GPS）是一种通过使用位于地球周围轨道上的卫星发射信号，来确定地球上一个特定位置的系统。
GPS系统的原理基于三个基本要素：空间部分，地面控制部分和用户部分。
空间部分由24颗GPS卫星组成，这些卫星布置在地球上不同的轨道上，并朝向地球发送无线电信号。
这些信号包含有关卫星和时间的数据。
地面控制部分由地面上的控制站和相关设备组成，负责监测卫星的状态和位置，以及提供必要的校正和更新。
用户部分则是我们通常使用的GPS接收器，它通过接收至少三颗卫星发射的信号，来确定接收器的位置。
GPS接收器测量信号从卫星发送到接收器的时间，并使用这些时间数据以及卫星的位置信息来计算用户位置。
具体而言，GPS接收器通过测量从卫星到达的信号的时间来计算信号的传播距离。
由于信号传播的速度已知（光速），接收器可以使用距离和已知的卫星位置来计算用户的位置。
通过收集更多的卫星信号，接收器可以提供更准确的位置信息。
总结一下，GPS系统利用卫星发射的无线电信号，以及测量信号传播时间的方式来确定用户的位置。
通过接收来自不同卫星的信号，并利用这些信号的时间数据和卫星位置信息，GPS 接收器能够计算出用户所在的地理位置。
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图 3 功 率 1W 的 基 带 M 码 信 号 的 功率 频 谱 密度( dBW / Hz)
2 信号仿真及性能分析
2. 1 仿真参数设置 由于 GPS M 码信号基于下一代的密码系统进
行了加密设计, 并且像当前的 GPS 军用 P ( Y) 码信 号一样, 采用了很长的扩频码序列, 没有明确的结构 或周期, 目前也很难获得 M 码真实结构; 另外, GPS M 码信号采用 BOC( 10, 5) 方式调制, 其二进制序列 没有可辨别的结构, 因此, 对其扩展码结构不需要精 心设计[ 4] 。因此, 为进行 BO C( 10, 5) 调制的性能研 究, 本仿真系统中选用基于 GP S-ICD-200 产生的自 相关性良好的 P 码的截短码( 2 046 bit ) , 代替未知 的 M 码信号的扩频码。M 码信号的数据电文速率 目前有两种说法, 分别为 50 bps 和 200 bps, 由于针 对本次仿真 5. 115 M Hz 的扩频码速而采用的 2 046 bit 扩频码, 两种数据电文的速率并无差别, 因此, 最 终选择以目前 GP S 卫星采用的 50 bps 速率产生随 机数, 作为仿真的数据电文。
稍小 一些的地 方; 而采 用
BP SK 方式调制的 P 码信 图 4 P 和 M -码信 号功率
号, 其频谱主瓣位于中心
谱特性
频率点处, 主瓣宽度为扩频码 P 码码速的 2 倍, 即
20. 46 MHz, 10. 23 MH z 为其 零点, 虽 然比 9. 496
M Hz 稍微高一些, 但是仍然十分接近。
( 1. D alian U niv er sity , Dalian 116622, China, 2. Sheny ang LiGong University , Sheny ang 110168, China)
Abstract: Binar y Of fset Carrier ( BOC) m odulat io n is t he key t o t he new sig nal f orm in t he GPS. Based on the resear ch on t he definition and the po wer spect rum densit y ( P SD) of BOC-modulated signal , t he BOC ( 10, 5) -m odu-lat ed sig nal are simulat ed at f irst . W hen the PSD and t he aut oco rrelat ion funct ion ( ACF ) are simulated, t he char act er ist ics of PSD and ACF are analyzed at t he same t im e. Co mpar ed w it h the Pco de t he current m il it ary signal, t he merits of M signal t hat using BOC m odulat ion can be concluded in t he end .
下页图 4 示出了 P 和 M 码信号功率谱仿真结 果。经过仿真计算得出 BOC 调制的 M 码信号功率 谱密度形 状由一些 主瓣和 副瓣构 成, 主 瓣宽度 为 10. 23 MHz, 和普通 P SK 调制相同, 恰为扩频码速 率 f c 的 2 倍; 旁瓣宽度为 5. 115 M Hz, 等于码速率, 即比主瓣窄一半。与 P 码信号相比较二者主要功率 谱特性表现为:
·32· ( 总第 34- 322) 火 力 与 指 挥 控 制 2009 年 第 3 期
M 码信号由于上下
边 带 之 间有 相 干 交 互 作
用, 因此, 其主瓣的最大值
发 生 在 中 心 频 率 9. 496
M Hz 处, 即比亚载波频率
由此可见, M 码信号的使用作为 实现 GPS 现 代化的重要内容, 其采用的 BOC 调制方式是关键所 在, 本文将主要针对 M 码信号 BOC 调制的定义、功 率谱和自相关特性进行研究, 并与现在的军用 P 码 信号的性能进行比较, 最终证实其优势所在。
1 M 码信号产生机理研究
GPS 中 M 码信号采用 BOC( 10, 5) 的二进制偏 移载波调制方式[ 2, 3] , 即满足 BOC ( f s , f c) 中亚载波 f s= 10. 23 M Hz, 扩频码速率 f c= 5. 115 M Hz。下页 图 1 所示, 为产生 BOC 调制信号的方框图, 所有的 数据、扩频码、亚载波的 RF 信 号均由 1. 023 M Hz 的基准时钟产生。设 T s 为亚载波的半个周期, 因此
现代化 GPS 系统中, 增发的 M 码信号采用了
收稿日期: 2008-02-15 修回日期: 2008-03-24 * 基金项目: 国家“863”计划基金资助项目 作 者简介: 杨 力( 1982- ) , 女 , 黑龙江依 兰人, 博士 研究
生, 主要研究方向: 导航 制导与控制。
BOC 调制。相对于传统的 P SK 调制, BOC 调制在改 善信道噪声和多径效应方面跟踪性能更好。由于这 种改进将大部分能量集中在分配带宽的边缘, 从而 导致了 Gabor 带宽的增加; 而 且 BOC 调 制充分利 用了不同的频带占用空间, 进而减少了与通常的频 带( 像 L 1 频段) 的预存导航信号间的干扰。
GPS M 码信号的产生与特性分析*
杨 力1, 潘成胜1 , 薄煜明2
( 1. 大连大学, 辽宁 大连 116622, 2. 南京理工大学, 江苏 南京 210094)
摘 要: G PS 采用了一种新的信号形式, 其关键技术为 BO C( Binary Offset Car r ier ) 调制。基于对 G PS M 码信号 BO C 调 制的 定义与功率谱研究, 针对其采用 的 BO C( 10, 5) 调制方式进 行了信号仿真, 进一步对 其频谱与自 相关函数 进行了仿真, 并 针对其特性进行了分析, 同时与现在的军用 P 码信号性能进行了对比, 从而得出 GP S 现代化采用 BOC 调制的 M 码信号的优 势所在。
度为:
GBOC( f s , f
c) (
f
)=
1 4T s
s in (
f T s ) sin( 4 f T s) f cos( f Ts)
Байду номын сангаасfc
sin
f 2f s
sin
f fc
f cos
f 2f s
2
2
=
( 4)
图 2 BOC ( 10, 5) 基 带 信 号 ( 实线) , 曼彻斯特 编码 后 的扩 频码 序列 ( 虚 线)
关键词: G PS , M 码信号, BO C 调制, 仿真 中图分类号: T N 96 文献标识码: A
The Generation and Characteristic Analysis of GPS M-code
Y A N G Li1 , PA N Cheng-sheng 1, BO Y u-ming2
Key words: GP S, M co de sig nal , BOC m odulat io n, simulat io n
引 言
美国下一代全球定位系统计划被称作 GP S III 计划。随着 GPS 现代化的建设 GPS 信号的具体结 构发生了变化。GPS III 系统的主要改进包括: 在 L 1 和 L 2 两个频率上加载两种新型的高功率点波束军 用码—— M 码信号, 以增强抗干扰能力; 增发民用 L 5 信号以提供功率更大的导航信号以便在局域、区 域和全国范围内的各种应用中改善位置和时间精 度, 同时也能使 GPS 地面控制结构得以简化。其中, 使用抗干扰能力和功能更强的 M 码军用信号, 进而 建 立独立的军用 G PS 系统是美军“导航战”计划[ 1] 的一个尤为重要的措施。
V o l . M ar
34, N o. 3
ch, 2009
F ir e
C
火力 on tr ol
与 &
指挥控制 Command Cont
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第 l
34 卷 第 3 2009 年 3 月
期
文章编号: 1002-0640( 2009) 03-0030-03
GPS 卫星以 30 M Hz 带宽发射卫星信号, 为提 高仿真计算速度选择进行中频仿真, 由于 M 码信号 亚载波频率为 f s = 10. 23 M Hz, 扩频码码速为 f c = 5. 115 M Hz, 由第二节的分析计算可知, 信号大部分 功率集中在约 24 M Hz 带宽范围内, 因此可以选择 载波频率为中频 40. 92 M Hz。 2. 2 仿真结果与分析 2. 2. 1 功率谱特性
有+
1 和-
1。CT
(
s
t
)
是亚载波,
是周期为
2T
s
的周期
函数。 ( 4Ts t) 是扩频符号, 是持续时间为 4T s 的矩形
脉冲, 表示在一个扩频符号持续期内亚载波的半周
期数。 和 t0 分别是相对于某个基准的相位和时间
偏移。
∑ S ( t ) = ei ak 4 T s ( t - k·4T s - t 0) CT s ( t - t0 ) k
根据数字信号功率谱密度的一般公式, 对于双
极性信号 S( t) , 设 S T ( t) =
s( t) 0
t≤ T /2 el se
是 S ( t)
的截短, ST ( f ) 是其傅立叶变换, 则其功率谱密度计
算 公式为
Ps(
f
)
～
=
lim
T →∞
1 T