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GPS 卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文三部分组成。

一、 载波

可运载调制信号的高频振荡波称为载波。GPS 卫星所用的载波有两个, 由于它们均位于微波的 L 波段, 故分别称为 L1 载波和 L2 载波。其中 L1 载波是由卫星上的原子钟所产生的基准频率 f0 ( f0 = 10. 23MHz) 倍频 154 倍后形成的, 即 f1 = 154× f0 = 1 575. 42 MHz, 其波长 λ1 为19. 03cm; L2 载波是由基准频率 f0 倍频 120 倍后形成的, 即 f2 = 120× f0 = 1 227. 60MHz, 其波长λ2 为 24. 42 cm。

采用两个不同频率载波的主要目的是为了较完善地消除电离层延迟。采用高频率载波的目的是为了更精确地测定多普勒频移和载波相位( 对应的距离值) , 从而提高测速和定位的精度, 减少信号的电离层延迟, 因为电离层延迟与信号频率 f 的平方成反比。

二、测距码

测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码。GPS 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码。它们看似一组杂乱无章的随机噪声码, 其实是按照一定规律编排起来的、可以复制的周期性的二进制序列, 且具有类似于随机噪声码的自相关特性。测距码是由若干个多级反馈移位寄存器所产生的 m 序列经平移、截短、求模二和等一系列复杂处理后形成的。

根据性质和用途的不同, 测距码可分为粗码( C/ A 码) 和精码( P 码或 Y码) 两类, 各卫星所用的测距码互不相同且相互正交。

1. 粗码

用于进行粗略测距和捕获精码的测距码称为粗码, 也称捕获码。C /A 码( Coarse / Acquisi_x0002_tion Code) 的周期为 1ms, 一个周期中共含 1 023 个码元。每个码元持续的时间均为1ms/1 023 =0. 977 517μs, 其对应的码元宽度为 293. 05m。C /A 码的测距精度一般为 ±( 2 ～3) m。

C /A 码是一种结构公开的明码, 供全世界所有的用户免费使用。目前, C/ A 码只调制在L1 载波上, 故无法精确地消除电离层延迟。

2. 精码

用于精确测定从 GPS 卫星至接收机距离的测距码称为精码。精码( Precision Code) 也是一种周期性的二进制序列, 其实际周期为一星期。一个周期中约含 6. 2 万亿个码元。每个码元所持续的时间为 C /A 码的 1 /10, 对应的码元宽度为 29. 3m。精码的测距精度约为 0. 3m。

三、导航电文

导航电文是由 GPS 卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码, 也称数据码( D 码) 。它是用户利用 GPS 进行导航定位时一组 必不可少的数据。导航电文的 传输速率为50 bit /s, 以“帧”为单位向外发送。每帧的长度为 1 500bit, 播发完一个主帧需 30s。一个主帧包括 5 个子帧。每个子帧均包含300bit, 播发时间为 6s。每个子帧又可分为 10 个字, 每个字都由 30bit 组成。其中第四、五两个子帧各有 25 个页面, 需要 750s 才能将 25 个页面全部播发完。

卫星电文的基本构成图