DZ192GPS的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DZ192GPS的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì),dz192gps,定位,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 1第一章 概論 .............................................................................................................................................................11.1 GPS 的發(fā)展史 ....................................................................................................................................................11.2 GPS 組成 ............................................................................................................................................................21.3 GPS 的特點(diǎn) ........................................................................................................................................................41.4 GPS 政策及系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) ...............................................................................................................................41.5 課題介紹 ...........................................................................................................................................................5第二章 GPS 導(dǎo)航定位原理 ....................................................................................................................................12.1 地心地球固連(ECEF)坐標(biāo)系 ............................................................................................................................12.2 GPS 信號(hào)結(jié)構(gòu) ....................................................................................................................................................12.2.1 概述 ................................................................................................................................................................12.2.2 GPS 傳輸信號(hào)分類 ........................................................................................................................................22.2.3 最長(zhǎng)線性移位寄存器-m 序列 ......................................................................................................................32.2.4 C/A 碼的產(chǎn)生 ................................................................................................................................................32.3 GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文 ........................................................................................................................................62.4 GPS 定位原理 ....................................................................................................................................................62.5 多普勒頻移 .......................................................................................................................................................82.6 GPS 信號(hào)的自相關(guān)性 ........................................................................................................................................8第三章 MATLAB 仿真工具 Simulink...............................................................................................................103.1 Simulink 簡(jiǎn)介 .............................................................................................................................................103.2 創(chuàng)建仿真模型 ...............................................................................................................................................103.2.1 Simulink 的安裝 ........................................................................................................................................10圖 3.1 simulink 的安裝 ..........................................................................................................................................103.2.2 運(yùn)行 Simulink............................................................................................................................................113.2.3 Simulink 簡(jiǎn)單模型的建立 ........................................................................................................................112? 簡(jiǎn)單模型的建立 ............................................................................................................................................11（1）建立模型窗口 ...............................................................................................................................................11（2）將功能模塊由模塊庫(kù)窗口復(fù)制到模型窗口 ...............................................................................................11（3）對(duì)模塊進(jìn)行連接，從而構(gòu)成需要的系統(tǒng)模型 ...........................................................................................11? 模型的特點(diǎn) ....................................................................................................................................................11（1）在 SIMULINK 里提供了許多如 Scope 的接收器模塊，這使得用 SIMULNK 進(jìn)行仿真具有像做實(shí)驗(yàn)一般的圖形化顯示效果。 .................................................................................................................................11（2）SIMULINK 的模型具有層次性，通過(guò)底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。 .........................................11（3）SIMULINK 提供了對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行封裝的功能，用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對(duì)話框。.................................................................................................................................................................................113.2.4 模塊庫(kù) .........................................................................................................................................................113.2.5 連線 .............................................................................................................................................................123.2.6 信號(hào)標(biāo)簽 .....................................................................................................................................................123.2.7 創(chuàng)建子系統(tǒng) .................................................................................................................................................123.2.8 保存及結(jié)束仿真 .........................................................................................................................................133.3 使用菜單命令進(jìn)行仿真 .................................................................................................................................133.3.1 Simulation.................................................................................................................................................133.3.2 用命令行進(jìn)行仿真 .....................................................................................................................................143.3.3 仿真結(jié)果分析 ...........................................................................................................................................143.4 S-function 的編寫 ......................................................................................................................................153.4.1 M 文件 S 函數(shù)的編程環(huán)境 ..........................................................................................................................15圖 3.2 M 文件編程環(huán)境 ......................................................................................................................................163.4.2 S-函數(shù)的基本概念 .....................................................................................................................................163.4.3 M 文件 S-函數(shù) .............................................................................................................................................17第四章 GPS L1 信號(hào)仿真 ......................................................................................................................................134.1 仿真的第一部分-擴(kuò)頻 .....................................................................................................................................14.2 仿真的第二部分-調(diào)制 .....................................................................................................................................34.2.1 調(diào)制簡(jiǎn)介 .......................................................................................................................................................34.2.2 調(diào)制的仿真實(shí)現(xiàn) ...........................................................................................................................................44.2.3 BPSK 子模塊 ..............................................................................................................................................64.2.4 10KHz 的多普勒頻移子模塊 ........................................................................................................................7圖 4.6 多普勒頻移子模塊 .......................................................................................................................................84.3 仿真的第三部分-自相關(guān)仿真 .........................................................................................................................94.3.1 第一部分 .......................................................................................................................................................94.3.2 第二部分 .....................................................................................................................................................10第五章 仿真結(jié)果及分析 .......................................................................................................................................105.1 L1 信號(hào)的數(shù)據(jù)流 ............................................................................................................................................115.2 載波的波形圖 ..................................................................................................................................................115.3 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)流 .............................................................................................................................................125.4 L1 信號(hào)的 BPSK 數(shù)據(jù)流 ..................................................................................................................................135.5 L1 信號(hào)的波形圖 ............................................................................................................................................135.6 (+10KHz)的多普勒頻移 .................................................................................................................................145.7 L1 信號(hào)的頻譜 ................................................................................................................................................145.8 C/A 碼信號(hào)的自相關(guān)性 ..................................................................................................................................15結(jié)束語(yǔ) .......................................................................................................................................................................1參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................................................2致 謝 .........................................................................................................................................................................3附錄Ⅰ：英文文獻(xiàn) ...................................................................................................................................................4Introduction to Serial Communication .................................................................................................................4Asynchronous and Synchronous Communication.................................................................................................44Duplex Communication ........................................................................................................................................5Flow Control Methods ..........................................................................................................................................5Asynchronous Serial Communication Protocol....................................................................................................6The RS-422 Serial Interface..................................................................................................................................8附錄Ⅱ：譯文 .........................................................................................................................................................11串行通信的介紹 .................................................................................................................................................11附錄Ⅲ：程序 .........................................................................................................................................................161第一章 概論1.1 GPS的發(fā)展史五十年代未，原蘇聯(lián)發(fā)射了人類的第一顆人造地球衛(wèi)星，美國(guó)科學(xué)家在對(duì)其的跟蹤研究中，發(fā)現(xiàn)了多普勒頻移現(xiàn)象，并利用該原理促成了多普勒衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)TRANsIT 的建成，在軍事和民用方面取得了極大的成功，是導(dǎo)航定位史上的一次飛躍，我國(guó)也曾引進(jìn)了多臺(tái)多普勒接收機(jī)，應(yīng)用于海島聯(lián)測(cè)、地球勘探等領(lǐng)域。但由于多普勒衛(wèi)星軌道高度低、信號(hào)載波頻率低，軌道精度難以提高，使得定位精度較低，以滿足大地測(cè)量或工程測(cè)量的要求，更不可能用于天文地球動(dòng)力學(xué)研究。為了提高衛(wèi)星定位的精度，美國(guó)從 1973 年開(kāi)始籌建全球定位系統(tǒng) GPS （Global Positioning System)。在經(jīng)過(guò)了方案論證、系統(tǒng)試驗(yàn)階段后，于 1989 年開(kāi)始發(fā)射正式工作衛(wèi)星，并于 1994年全部建成，投入使用。GPS 系統(tǒng)的空間部分由 21 顆工作衛(wèi)星和 3 顆在軌備用衛(wèi)星組成，均勻分布在 6 個(gè)軌道面上，地面高度為 20000 余公里，軌道傾角為 55 度，扁心率約為 0，周期約為 12 小時(shí)，衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個(gè)波段的載波信號(hào)，載波信號(hào)頻率分別為 1575.442 兆 赫茲（L1 波段）和 1227.6 兆赫茲（L2 波段） ，衛(wèi)星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩(wěn)定性，在載波上調(diào) 制有表示衛(wèi)星位置 的廣播星歷，用于測(cè)距的 C/A 碼和 P 碼，以及其它系統(tǒng)信息，能在全球范圍內(nèi)，向任意多用 戶提供高精度的、全天候的、連續(xù)的、實(shí)時(shí)的三維測(cè)速、三維定位和授時(shí)。GPS 實(shí)施計(jì)劃共分三個(gè)階段：第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。從 1973 年到 1979 年，共發(fā)射了 4 顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。從 1979 年到 1984 年。又陸續(xù)發(fā)射了 7 顆試驗(yàn)衛(wèi)星，這—階段稱之為 BlockI。與此同時(shí)，研制了各種用途的接收機(jī)，主要是導(dǎo)航型接收機(jī)，同時(shí)測(cè)地型接收機(jī)也相繼問(wèn)世。試驗(yàn)表明，GPS 的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。利用粗碼的定位精度幾乎提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到 14m。由此證明，GPS 計(jì)劃是成功的。第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。1989 年 2 月 4 日第一顆 GPS 工作衛(wèi)早發(fā)射成功，宣告了 GPS 系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。這種工作衛(wèi)星稱為 BlockII 和 BlockIIA 衛(wèi)星。這兩組衛(wèi)星的差別是：BlockIIA 衛(wèi)星增強(qiáng)了軍事應(yīng)用功能，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量； BlockII 衛(wèi)2星只能存儲(chǔ)供 14 天用的導(dǎo)航電文(每天更新三次)；BlockIIA 衛(wèi)星能存儲(chǔ)供 180 天用的導(dǎo)航電文， 確保在特殊情況下使用 GPS 衛(wèi)星。實(shí)用的 GPS 網(wǎng)即(21+3)GPS 星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。圖 1.1 示出星座的衛(wèi)星分布。 圖 1.1 GPS 星座的衛(wèi)星分布1.2 GPS組成GPS 系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS 衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分—GPS 信號(hào)接收機(jī)。圖 1.2 GPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖31.GPS 衛(wèi)星星座GPS空間部分由24顆分布在6個(gè)等間隔軌道上的衛(wèi)星組成衛(wèi)星分布可保證全球任何地區(qū)任何時(shí)刻都不少于4顆衛(wèi)星供觀測(cè)24顆衛(wèi)星中3顆作為備份每個(gè)軌道平面上有4顆衛(wèi)星它們按與地球成55的相同方向運(yùn)行空間間隔約為90這些衛(wèi)星工作在2種頻率下1575.42MHz和1227.6MHz 通過(guò)測(cè)量這些衛(wèi)星到達(dá)的時(shí)間用戶可以用4 顆衛(wèi)星確定4個(gè)導(dǎo)航參數(shù)緯度經(jīng)度高度和時(shí)間每個(gè)GPS衛(wèi)星都對(duì)應(yīng)一組編號(hào)它們有多種編號(hào)一般采用PRN衛(wèi)星所采用的偽隨機(jī)噪聲碼編號(hào)GPS定位精度高低關(guān)鍵在于高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)為此每顆GPS 衛(wèi)星都設(shè)有兩臺(tái)銣原子鐘和兩臺(tái)銫原子鐘2.地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的 的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常 工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng) 另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。3．GPS信號(hào)接收機(jī)用戶接收機(jī)通過(guò)接收多顆衛(wèi)星的信號(hào)來(lái)解算出自身的位置以實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航GPS接收機(jī)按使用環(huán)境可分為中低動(dòng)態(tài)接收機(jī)和高動(dòng)態(tài)接收機(jī)按所收信號(hào)可分為單頻C/A碼接收機(jī)和雙頻P 碼和Y 碼接收機(jī)GPS接收機(jī)可以捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換放大和處理以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置甚至三維速度和時(shí)間41.3 GPS的特點(diǎn)GPS 系統(tǒng)最基本的特點(diǎn)是以“多星、高軌、高頻、測(cè)時(shí)---測(cè)距”為體制，以高精度的原子鐘為核心，由此產(chǎn)生下列主要特點(diǎn)。1．全球覆蓋連續(xù)導(dǎo)航定位由于 GPS 有 24 顆衛(wèi)星，且分布合理，軌道高達(dá) 20200km，所以在地球上和近地空間上任何一點(diǎn)，均可連續(xù)同步地觀測(cè) 4 顆以上衛(wèi)星、實(shí)現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。2．高精度三維定位GPS 能連續(xù)地為各類用戶提供三維位置、三維速度和精確時(shí)間信息。GPS 提供的測(cè)量信息多，既可通過(guò)偽碼測(cè)定偽距，又可測(cè)定載波多普勒頻移、載波相位。偽距觀測(cè)的單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度，P 碼為 20m，C/A 碼為 40m；事后處理精度可達(dá)3～5m。載波相位測(cè)量，相對(duì)定位精度可達(dá) 10 ～ 10 。據(jù)報(bào)道，新的 GPS 接收機(jī)，6?7相對(duì)定位精度可高達(dá) 10 ，我國(guó)于 1991～1994 年布測(cè)完成的 GPS 一級(jí)網(wǎng)相對(duì)定位精8?度達(dá) 3×10 。8?3．實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位利用 GPS 進(jìn)行導(dǎo)航定位，1s( 秒)即可完成一次。這對(duì)高動(dòng)態(tài)用戶尤為重要。4．被動(dòng)式全天候?qū)Ш蕉ㄎ挥?GPS 導(dǎo)航定位時(shí)，用戶設(shè)備只需接收 GPS 信號(hào)就可進(jìn)行導(dǎo)航定位，而不需用戶發(fā)射任何信號(hào)。這種被動(dòng)式導(dǎo)航定位不僅隱蔽性好，而且可容納無(wú)數(shù)多用戶5．抗于擾性能好、保密性強(qiáng)。GPS 采用數(shù)字通訊的特殊編碼技術(shù)，即偽噪聲碼技術(shù)。具有良好的抗干擾性和保密性。1.4 GPS 政策及系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)雖然 GPS 系統(tǒng)具有以往導(dǎo)航定位系統(tǒng)不可比擬的許多優(yōu)點(diǎn)，但其所有權(quán)、控制權(quán)和運(yùn)營(yíng)權(quán)均屬于美國(guó)國(guó)防部。為了限制不同用戶對(duì) GPS 的應(yīng)用，GPS 衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)含有兩種不同的測(cè)距碼，即所謂的 P 碼和 C/A 碼，因此 GPS 提供兩種定位服務(wù)，即精密定位服務(wù)（PPS ）和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS ） 。 PPS 的主要對(duì)象是美國(guó)和盟軍的軍事5部門及其他特許部門，利用 P 碼定位，估計(jì)其單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度約為 10m；SPS 的主要對(duì)象是廣大的民間用戶，只能采用調(diào)制在一種載波頻率上的 C/A 碼定位，且無(wú)法利用雙頻技術(shù)來(lái)消除電離層折射的影響，估計(jì)其單點(diǎn)定位精度約為 400m。但在 GPS 研制初始階段的多次試驗(yàn)表明，實(shí)際定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)測(cè)值，利用 C/A 碼的定位精度可達(dá) 14m，利用 P 碼的定位精度可達(dá) 3m。這個(gè)出人意料的情況促使美國(guó)軍方認(rèn)真評(píng)估民間用戶及其他非特許軍事用戶使用 C/A 碼定位給美國(guó)帶來(lái)的可能影響。于是在 1983年 5 月根據(jù)里根總統(tǒng)的命令將 GPS 從單純軍用轉(zhuǎn)為軍民共用后又在 1984 年確立了保護(hù)美國(guó)國(guó)家安全的兩大政策，即防止敵對(duì)勢(shì)力對(duì) P 碼信號(hào)進(jìn)行干擾的 AS（Anti-Spoofing）政策和降低 C/A 碼定位精度的 SA（Selective Availability）政策。在考慮限制 C/A 碼定位精度的 SA 政策初期，曾經(jīng)確定采用 C/A 碼的定位精度為 500m，后來(lái)考慮到民事用戶的實(shí)際需要，最后確定其定位精度為 100m，并從 1991 年 7 月 1 日開(kāi)始對(duì)所有的在軌衛(wèi)星全部實(shí)施 SA 技術(shù)。采用 SA 技術(shù)后使 C/A 碼的實(shí)時(shí)定位精度大大降低，嚴(yán)重地影響了 GPS 系統(tǒng)定位服務(wù)的國(guó)際可接受性，許多潛在的民間用戶迫切要求改善定位精度。在此背景下，差分 GPS（DGPS）定位、載波相位等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并飛速發(fā)展。與此同時(shí)，GPS 平行系統(tǒng)的出現(xiàn)，如前蘇聯(lián)的 GLONASS 系統(tǒng)，使美國(guó)政府感到了壓力，為了加強(qiáng) GPS 的世界領(lǐng)導(dǎo)地位，美國(guó)政府醞釀了 GPS 現(xiàn)代化計(jì)劃，基本方針是在強(qiáng)化軍用 PPS 服務(wù)的同時(shí)改善民間 SPS 服務(wù)，努力擴(kuò)大民用市場(chǎng)。SPS 服務(wù)的改善主要有三個(gè)途徑：①發(fā)展利用差分定位原理的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）和本地增強(qiáng)系統(tǒng)（LAAS） ；②4～10 年內(nèi)取消 SA 政策，恢復(fù)精度；③增發(fā)第二民用頻率，解決電離層延遲誤差對(duì)系統(tǒng)定位精度的影響。綜上所述，美國(guó)的 GPS 政策具有雙重性，既要鼓勵(lì)國(guó)際應(yīng)用，又不能失去軍事優(yōu)勢(shì)。我們可充分利用這一特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際合理利用 GPS 這一國(guó)際共享的信息資源為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)1.5 課題介紹本課題是基于 MATLAB 的 GPS 信號(hào) C/A 碼的仿真，對(duì) C/A 碼從基礎(chǔ)理論到仿真都作了詳細(xì)的介紹。具體的說(shuō)，本文第一章簡(jiǎn)要介紹 GPS 的特點(diǎn)以及發(fā)展史；第二章主要6介紹 GPS 導(dǎo)航定位原理、信號(hào)的多普勒頻移和 C/A 碼的自相關(guān)性；第三章主要介紹了仿真軟件 MATLAB/SIMULINK 的特點(diǎn)和使用方法，以及怎樣使用 SIMULINK 進(jìn)行通信仿真；第四章詳細(xì)介紹了 GPS L1 信號(hào)的仿真實(shí)現(xiàn)，講述擴(kuò)頻后 C/A 碼的 BPSK 調(diào)制、多普勒頻移以及 C/A 碼的自相關(guān)性質(zhì)。第五章主要介紹在 SIMULINK 環(huán)境下仿真結(jié)果的分析，詳細(xì)講解各種波形產(chǎn)生的機(jī)理以及特點(diǎn)的分析。最后提了本文所用到的參考文獻(xiàn)，附錄帶有本課題 MATLAB 軟件所用到的所有程序。1第二章 GPS導(dǎo)航定位原理 GPS 的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置，三維方向以及運(yùn)行速度和時(shí)間信息。2.1地心地球固連(ECEF)坐標(biāo)系為了計(jì)算 GPS 接收機(jī)的位置，使用叫做地心地球固連（ECEF ）坐標(biāo)的隨地球而旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系更為方便。在這一坐標(biāo)系中，更容易計(jì)算出接收機(jī)的緯度、經(jīng)度和高度參數(shù)，并將其顯示出來(lái)。坐標(biāo)系的具體描述為：ECEF 坐標(biāo)系其 XY 平面與地球赤道平面重合。X 軸指向 0 經(jīng)度方向，而 Y 軸指向東經(jīng) 90 方向。因此 X 和 Y 軸隨著地球一起?旋轉(zhuǎn)，在慣性空間中不再描述固定的方向。在這種 ECEF 系中，將 Z 軸選擇為與赤道平面正交而指向地理北極（亦即經(jīng)線在北半球上匯聚處） ，這樣便形成了右手坐標(biāo)系。2.2 GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)2.2.1概述GPS 衛(wèi)星信號(hào)包含有三種信號(hào)分量：載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼。時(shí)鐘頻率選用10.23MHZ，利用頻率綜合器產(chǎn)生所需要的頻率。GPS 信號(hào)的產(chǎn)生如圖 2.1.2圖 2.1 GPS 信號(hào)的產(chǎn)生GPS 使用 L 波段，配有兩種載頻：L1 載波： ＝154× ＝1575．42MHZ，波長(zhǎng) ＝19．03cm，1lf0f 1?L2 載波： ＝120× ＝1227．6MHZ，波長(zhǎng) ＝24．42cm。2l 2兩載頻之間隔為 347．82MHZ，等于 L2 的 28.3％。所以選擇這兩個(gè)載頻，目的在于測(cè)量出或消除由于電離層效應(yīng)而引起的延遲誤差。數(shù)據(jù)流和兩種偽隨機(jī)碼分別以同相和正交的方式調(diào)制在 L1 的載波上，信號(hào)結(jié)構(gòu)為：(t)= Pi (t) (t)cos(ω L1t+ )+ (t) (t)sin(ω L2t+ )…2.1SL1AD1?t1ACG1D?t1在 L2 載頻上，只有 P 碼進(jìn)行雙向調(diào)制，其信號(hào)結(jié)構(gòu)為：SL2(t)=B p Pi (t) (t)cos(ω L2t+ )…………………………………...…2.21t1式中， ， 為載波 L1 的振幅；B p 為載波 L2 的振幅；P i (t)， (t) ， (t)C 1D1分別為 GPS 衛(wèi)星的 P 碼，C/A 碼和 D 碼； 為載波 L1 的角頻率；ω L2 為載波 L2?1L的角頻率； 為第 I 顆 GPS 衛(wèi)星的載波 L1 的初相。?t12.2.2 GPS傳輸信號(hào)分類被傳輸?shù)男盘?hào)包含四種不同的信息??第一種是頻率為10.23MHz 的軍用P 碼美國(guó)政府禁止把該碼提供給民用用戶P 碼接收機(jī)價(jià)格昂貴但有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)1 它能利用另一個(gè)L 波段通道1227.6MHz 補(bǔ)償電離層折射誤差因?yàn)樾盘?hào)通過(guò)電離層折射變慢且這種變化是大氣環(huán)境及時(shí)間的函數(shù)若知道兩個(gè)頻率的延遲時(shí)間就能對(duì)電離層折射引起的誤差進(jìn)行修正。碼速高將使精度提高2 倍左右3 在噪聲環(huán)境中仍有良好性能適于軍用。??第二種是C/A 碼頻率為1.023MHz 用戶用該碼可以得到基本的定位信息。??第三種信息是一種調(diào)制在同一載波上的50 位/秒的低頻數(shù)據(jù)信號(hào)，利用此信息用戶可以計(jì)算出當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射用于測(cè)量距離的信號(hào)時(shí)衛(wèi)星所在的位置，每顆衛(wèi)星約每小時(shí)必須使該信息更新一次，獲取此信息需要30 秒到40 秒的時(shí)間。? 最后是載波相位信息，可以用來(lái)進(jìn)行精確的大地測(cè)量和其它測(cè)量應(yīng)用，利用載波頻率還可以獲得精確的速度信息。32.2.3 最長(zhǎng)線性移位寄存器-m序列m 序列是由“多級(jí)反饋移位寄存器”裝置產(chǎn)生的。移位寄存器是由一組連接在一起的存儲(chǔ)單元(觸發(fā)器) 組成。每個(gè)存儲(chǔ)單元只有 0 或 1 兩種狀態(tài)。移位寄存器是在控制脈沖的作用下工作?？刂泼}沖有兩個(gè)：一個(gè)是置“1”脈沖。在它的作用下，使各級(jí)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容全處于“1”的狀態(tài)，另一個(gè)是鐘脈沖。當(dāng)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，每個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都順序地由一個(gè)單元移到下一個(gè)單元，而最后一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容便輸出。圖 2.2是一個(gè) 4 級(jí)反饋移位寄存器。它由 4 級(jí)觸發(fā)器 1．2．3．4 構(gòu)成。它取第 4 級(jí)和第 3 級(jí)的狀態(tài)經(jīng)模 2 加法器運(yùn)算反饋至第 1 級(jí)。這樣在第 4 級(jí)的輸出端就得到一個(gè) 4 級(jí) m 序列。圖 2.2 4 級(jí)線性反饋移位寄存器移位寄存器的狀態(tài)變化是：首先在置“1”脈沖作用下，移位寄存器各級(jí)均處于“1”的狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，各級(jí)寄存器的狀態(tài)依次移位，而第 3、4 級(jí)的狀態(tài)經(jīng)模 2 加法運(yùn)算而成為“0” ，它被反饋至第 1 級(jí)觸發(fā)器的輸入端．而使第 1 級(jí)處于“0”狀態(tài)。當(dāng)鐘脈沖依次到來(lái)，在鐘脈沖和反饋狀態(tài)作用下，移位寄存器輸出端的狀態(tài)依次變化。該序列具有周期性，一周期內(nèi)包含 15 個(gè)碼元，此為碼長(zhǎng)。由于 4 級(jí)移位寄存器最多有 2 ＝16 種不同狀態(tài)，但其中全 0 狀態(tài)不允許出現(xiàn)，因?yàn)樘幱谌?0 狀態(tài)，則輸出將4持續(xù)地為 0，因此，最多有 15 個(gè)狀態(tài)。以上序列是 4 級(jí)移位寄存器的最長(zhǎng)線性移位寄存器序列，簡(jiǎn)稱為 m 序列。m 序列的周期是最長(zhǎng)的周期。2.2.4 C/A碼的產(chǎn)生 C／A 碼是用于跟蹤、鎖定和測(cè)量的偽隨機(jī)碼。它是由 m 序列優(yōu)選對(duì)組合形成的4Gold 碼。G 碼是由兩個(gè)長(zhǎng)度相等而互相關(guān)極大值最小的 m 序列碼逐位進(jìn)行模 2 相加構(gòu)成的。改變產(chǎn)生它的兩個(gè) m 序列的相對(duì)相位，就可以得到不同的碼。對(duì)于長(zhǎng)度為 N=2-1 的 m 序列，每?jī)蓚€(gè)碼可以產(chǎn)生 N 個(gè) G 碼。G 碼最主要的優(yōu)點(diǎn)在于廣泛用于多址通n信。這是 GPS 采用 G 碼作為 C/A 碼的主要原因。C/A 碼的產(chǎn)生是由兩個(gè) 10 級(jí)反饋移位積存器構(gòu)成的 G 碼產(chǎn)生的( 圖 2.3) 兩個(gè)移位寄存器于每個(gè)星期日的零時(shí)，在置“1”脈沖作用下處于 1 狀態(tài)，同時(shí)在碼率1.023MHz 驅(qū)動(dòng)下，兩個(gè)移位寄存器產(chǎn)生碼長(zhǎng) N=2 -1=1023，周期為 1ms 的兩個(gè) m 序10列 G (t)和 G (t)。其中， G (t)經(jīng)過(guò)相位選樣器，輸入一個(gè)與 G (t)平移等價(jià)的 m 序列，122 2然后與 G (t)進(jìn)行模 2 相加，便得到 C/A 碼。C/A(t)= G (t) G (t+it ) ……………………………………(2.3)1?20相位選擇器可以區(qū)分不同的衛(wèi)星，其對(duì)照表如表 2.1。圖 2.3 C/A 碼產(chǎn)生原理圖表 2.1 C/A 碼分配表衛(wèi)星序號(hào) 相位選擇 前 10 位 C/A 碼1 2&6 11001000002 3&7 111001000053 4&8 11110010004 5&9 11111001005 1&9 10010110116 2&10 11001011017 1&8 10010110018 2&9 11001011009 3&10 111001011010 2&3 110100010011 3&4 111010001012 5&6 111110100013 6&7 111111010014 7&8 111111101015 8&9 111111110116 9&10 111111111017 1&4 100110111018 2&5 110011011119 3&6 111001101120 4&7 111100110121 5&8 111110011022 6&9 111111001123 1&3 100011001124 4&6 111100011025 5&7 111110001126 6&8 111111000127 7&9 111111100028 8&10 111111110029 1&6 100101011130 2&7 110010101131 3&8 1110010101632 4&9 11110010102.3 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文是衛(wèi)星以二進(jìn)制碼的形式發(fā)送給用戶的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，它是個(gè)永不歸零的數(shù)據(jù)流。導(dǎo)航電文按幀向外播送，每幀長(zhǎng)度為 1500bit，播送速度為 50bit/s，所以播送一幀電文歷時(shí) 30s。圖為導(dǎo)航電文的格式框圖。圖 2.4 導(dǎo)航電文格式其中，一個(gè)主幀有 5 個(gè)子幀組成，每個(gè)子幀分別含有 10 個(gè)字碼，每個(gè)字碼為30bit，故每個(gè)子幀含 300bit，持續(xù)播發(fā)時(shí)間為 6s。第 1，2，3 子幀每 30s（即一個(gè)子幀）重復(fù)一次，而為了記載多達(dá) 25 顆衛(wèi)星的星歷，第 4，5 子幀各含 25 頁(yè)，1，2，3 子幀和 4，5 子幀的每一頁(yè)構(gòu)成一幀電文，每 25 幀導(dǎo)航電文組成一個(gè)子幀。2.4 GPS定位原理1.GPS 利用到達(dá)時(shí)間（TOA）測(cè)距的原理以確定用戶的位置。這種原理需要測(cè)量7信號(hào)從位置已知的輻射源（例如霧號(hào)角，無(wú)線電信標(biāo)，衛(wèi)星）發(fā)出至到達(dá)用戶