GPS从入门到放弃（四） --- GPS信号结构

GPS从入门到放弃（四） — GPS信号结构

GPS信号结构可以分为三层：

载波
伪码
数据码

载波

载波是三层里的基础，伪码和数据码都是调制在载波上才能发送。GPS有两个载波频率，L1和L2，L1为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。我们常用的主要是L1载波。根据频率，我们可以算出L1载波的波长：
λ=cf=2.99792458×1081575.42×106≈0.190[m]\lambda = \frac{c}{f} = \frac{2.99792458\times 10^8}{1575.42\times 10^{6}} \approx 0.190[m]λ=fc=1575.42×1062.99792458×108≈0.190[m]

伪码

伪码主要有两个作用：一是用来实现码分多址，二是用来测距。GPS系统其实就是一个基于码分多址(CDMA)的扩频系统。GPS使用的伪码有两种，一种是公开的C/A码，一种是特许用户才能用的P（Y）码（Y码就是加密的P码，所以算成一种）。在此我们不管P（Y）码，因为我们用不了，以后我们只谈C/A码。

C/A码是长度为1023个码片（chip）的金码（Gold Code）。金码是一种组合码，由一对级数相同的m序列线性组合而成，很适用于多址扩频的通信系统。它有着良好的自相关和互相关特性，即自相关函数幅值大大高于互相关函数幅值。这个特性被用来识别不同的金码。C/A码自然也具有这个良好的特性。因此不同的卫星可以用不同的C/A码来区分。

一个C/A码长度是1023个码片，每1毫秒重复一次，因此其码率为1.023Mcps，一个码片的时间约为1/(1.023M)≈977.5ns1/(1.023M) \approx 977.5 ns1/(1.023M)≈977.5ns，将其乘以光速，得到1码片的长度约为293m。通过相关性的计算，可以得到当前C/A码的相位，于是可以进行粗略的测距计算，当然精度只有300m左右。

若需要更高精度的测距，则需要用到载波相位。由C/A码的码率可以计算出1码片时间L1载波重复1575.42M/1.023M=15401575.42M/1.023M = 15401575.42M/1.023M=1540次。相当于可以在精度300m的基础上再提高1540倍，达到0.2m左右。当然这是理论值，还有很多其他因素的考虑，如钟差、大气延时等，以及载波相位的周整模糊度问题，这些我们以后再讲。

数据码

对每颗卫星来说，其C/A码是固定的，无法用于传递导航电文。为了能传递导航电文，GPS系统设计了数据码。

数据码的速率为50bps，即一个比特持续20ms，相当于每一比特C/A码重复20周。每个数据比特的发生沿都与C/A码的第一个码片的发生沿对齐。

数据码的内容就是导航电文，导航电文的内容下一篇再讲。

在发射信号的时候，数据码首先与伪码异或相加，其结果再通过双相移位键控（BPSK）对载波进行调制，然后发送出去。接收的时候正好相反。

至此，GPS信号结构就很清晰了，如下图所示：

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