GPS從入門到放棄（四） --- GPS信號結構

GPS從入門到放棄（四） — GPS信號結構

GPS信號結構可以分爲三層：

• 載波
• 僞碼
• 數據碼

載波

載波是三層裏的基礎，僞碼和數據碼都是調製在載波上才能發送。GPS有兩個載波頻率，L1和L2，L1爲1575.42MHz，L2爲1227.60MHz。我們常用的主要是L1載波。根據頻率，我們可以算出L1載波的波長：
$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{2.99792458\times 10^8}{1575.42\times 10^{6}} \approx 0.190[m]$

僞碼

僞碼主要有兩個作用：一是用來實現碼分多址，二是用來測距。GPS系統其實就是一個基於碼分多址(CDMA)的擴頻系統。GPS使用的僞碼有兩種，一種是公開的C/A碼，一種是特許用戶才能用的P（Y）碼（Y碼就是加密的P碼，所以算成一種）。在此我們不管P（Y）碼，因爲我們用不了，以後我們只談C/A碼。

C/A碼是長度爲1023個碼片（chip）的金碼（Gold Code）。金碼是一種組合碼，由一對級數相同的m序列線性組合而成，很適用於多址擴頻的通信系統。它有着良好的自相關和互相關特性，即自相關函數幅值大大高於互相關函數幅值。這個特性被用來識別不同的金碼。C/A碼自然也具有這個良好的特性。因此不同的衛星可以用不同的C/A碼來區分。

一個C/A碼長度是1023個碼片，每1毫秒重複一次，因此其碼率爲1.023Mcps，一個碼片的時間約爲$1/(1.023M) \approx 977.5 ns$，將其乘以光速，得到1碼片的長度約爲293m。通過相關性的計算，可以得到當前C/A碼的相位，於是可以進行粗略的測距計算，當然精度只有300m左右。

若需要更高精度的測距，則需要用到載波相位。由C/A碼的碼率可以計算出1碼片時間L1載波重複$1575.42M/1.023M = 1540$次。相當於可以在精度300m的基礎上再提高1540倍，達到0.2m左右。當然這是理論值，還有很多其他因素的考慮，如鐘差、大氣延時等，以及載波相位的周整模糊度問題，這些我們以後再講。

數據碼

對每顆衛星來說，其C/A碼是固定的，無法用於傳遞導航電文。爲了能傳遞導航電文，GPS系統設計了數據碼。

數據碼的速率爲50bps，即一個比特持續20ms，相當於每一比特C/A碼重複20周。每個數據比特的發生沿都與C/A碼的第一個碼片的發生沿對齊。

數據碼的內容就是導航電文，導航電文的內容下一篇再講。

在發射信號的時候，數據碼首先與僞碼異或相加，其結果再通過雙相移位鍵控（BPSK）對載波進行調製，然後發送出去。接收的時候正好相反。

至此，GPS信號結構就很清晰了，如下圖所示：