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《GPS原理与应用》第三章 卫星运动及GPS卫星信号 -


3.6 GPS卫星的伪随机测距码

疑问: 什么是码???

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码的相关概念
码是什么: 码是一种表达信息的二进制数及其组合,是一 组二进制的数码系列。 一般用0和1及其组合。比特为码的度量单位。 码元: 在二进制中,一位二进制数叫一个码元或一比 特。被取为码的度量单位.(11,10,01,00每个码含

有两个二进制数, 即两码元) 数码率: 在二进制的数字化信息传输中每秒钟传输的比 特数。 数码率的单位: bit/s或记为BPS
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何为编码?? 如果将各种信息例如声音、图象和 文字等通过量化,并按某种预定规则, 表示成二进制数的组合形式,则这一 过程称为编码。

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随机噪声码的来源
码:码是一种表达信息的二进制数及其组合
由于码可以看做以0和1为幅度的时间函数,记做u(t)。因此, 一组码序列u(t),对于某个时刻t而言,码元是0或1完全是随 机的,但其出现的概率均为0.5。

随机噪声码:码元值完全无规律的码序列
特点:1.非周期性,无法复制 2.具有良好的自相关性( GPS信号测距)

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补充概念
自相关性: 指两个结构相同码序列的相关程度,可以用先关函数来 描述。
为了说明随机码的自相关性,现将随机序列u(t)平移k个码元,得到 一个新的随机序列u?(t),如果两随机序列u(t)和u?(t)所对应的码元中, 相同的码元数(同为0或1)为Au,相异的码元数为Bu,则随机序列 u(t)的自相关系数R(t)定义为: R(t) = (Au - Bu) / (Au + Bu) 疑问:当平移的码元个数为0的时候,我们可知其相关函数R(t)为1,那 其他情况呢?

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尽管随机码具有良好的自相关性,但却 是一种非周期序列,不服从任何编码规则,实 际中无法复制和利用。 要求: 既拥有随机码的优点,在现实中又可以复 制和利用。 怎么办??

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伪 码
伪随机噪声码及其产生 GPS采用了一种伪随机噪声码(Pseudo Random Noise—— PRN)简称伪随机码或伪码。 伪码的特点: ? 具有随机码的良好自相关性; ? 具有某种确定的编码规则; ? 具有周期性的,容易复制。

可被现实 利用

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伪随机噪声码的产生
伪随机码是由一个“多级反馈移位寄存器”的装置产生的。

移位寄存器的特点
? 移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成,每个存储单 元只有0或1两种状态。 ? 移位寄存器的控制脉冲有两个:钟脉冲和置1脉冲。 ? 移位寄存器是在钟脉冲的驱动和置1脉冲的作用下而工作的。

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移位寄存器的原理机制
以四级反馈移位寄存器为例 假设移位寄存器是由4个存储单元组成的四级反馈移 位寄存器,当钟脉冲加到该移位寄存器后,每个存储单元 的内容,都顺序地由上一单元转移到下一单元,与此同时, 将其中某几个单元,如单元3和单元4的内容进行模2相加, 反馈给第一个单元。

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1111
钟脉 冲

1 1

0111 1
置1脉 冲 模2相 加

2

3

4

输出

0011
0001 1000 …. ….

1
1 0 . .
11

模二相加规则

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移位寄存器在工作开始时,置1脉冲的作用,使各级存储单元 的内容全部处于1状态,此后在钟脉冲驱动下,将经历15种状态。

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移位寄存器在经历了上表所列的15种状态后,再重复 全1状态,完成一个最大周期。同时,从第四级存储单元 也输出一个最大周期为15tu的二进制数序列,(tu为两个钟脉冲 的时间间隔)。这种周期最大的二进制数序列,通常称为m序 列。 上例中是一个码长包含有15个码元的周期序列,其中 任意4个连续的二进制数所构成的码都不相同,任何一个 码在周期序列中都有相应确定的位置和时刻。

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对于一个r级反馈移位寄存器来说,将产生更复杂 的周期性m序列,此时移位寄存器可能经历的状态(码长) 为Nu=2r-1,最多包含Nu个码元,最大周期为Tu=Nutu。
在r级反馈移位寄存器所产生的周期性m序列中,有时可以截取其中的 一部分,组成一个新的周期性序列加以利用,这种新的周期较短的序列, 称为截短序列或截短码。实际中有时还需要将多个周期较短的m序列,按预 定的规则,构成一个周期较长的序列,称为复合序列或复合码。

GPS信号接收机就是利用这一特征使所接收的伪噪声码和机 内产生的伪噪声码达到对齐同步,进而捕获和识别来自不同GPS卫星 的伪噪声码,解译出它们所传送的导航电文,测定从卫星到测站之 间的距离等.
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GPS的测距码
GPS卫星所采用的两种测距码,即C/A码和P码(或Y码) (1)C/A码:是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码 长Nu=210-1=1023比特,码元宽为tu=1/f1=0.97752?s,( f1为 基准频率f0的10分之1,1.023 MHz),相应的距离为293.1m。周 期为Tu= Nutu=1ms。
C/A码的码长短,共1023个码元,若以每秒50码元的速度搜索,只需 20.5s,易于捕获,称捕获码。 码元宽度大,假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的100分之1,则 相应的测距误差为2.9m。由于精度低,又称粗码。

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(2)P码 P码产生的原理与C/A码相似,但更复杂。发生电 路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长 Nu?2.35?1014比特,码元宽为tu=1/f0=0.097752?s,相应 的距离为29.3m。周期为Tu= Nutu? 267d。 P码的周期长,267天重复一次,实际应用时P码的周期被 分成38部分,(每一部分为7天,码长约6.19 ?1012比特), 其中1部分闲置,5部分给地面监控站使用,32部分分配给 不同卫星,每颗卫星使用P码的不同部分,都具有相同的 码长和周期,但结构不同。 P码的捕获一般是先捕获C/A码,再根据导航电文信息,捕 获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10,若取码元对 齐精度仍为码元宽度的1/100,则相应的距离误差为0.29m ,故P码称为精码。
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