【文章內(nèi)容簡介】 倍產(chǎn)生的。衛(wèi)星信號上調(diào)制有載波 ,偽碼和數(shù)據(jù)碼。其中偽碼包括民用的 C/A 碼和軍用碼。在 L1頻率上調(diào)制有一路民用信號和一路軍用信號。在 L2 頻率上調(diào)制有第二路的軍用信號。 L5 頻段是 GPS 現(xiàn)代化的一部分 ,屬于民用信號。對于北斗系統(tǒng)，要到 2021 年左右 ,所有 24 顆北斗衛(wèi)星全部發(fā)射后才能正常提供服務(wù) ,本文主要側(cè)重于對 L1 頻段上的民用信號進行研究。圖 21 是 GPS 衛(wèi) 星信號生成框圖 ,包括了 L1 和 L2 兩個頻段的信號。北斗信號模型與之類似只不過發(fā)射頻率有所不同。在每顆北斗和 GPS 衛(wèi)星上配備了高頻率穩(wěn)定度的銣原子鐘和銫原子鐘 ,可以保證穩(wěn)定的時鐘基準 ,產(chǎn)生時間上嚴格同步的導(dǎo)航信號 [5]。 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 B P S K調(diào) 制 器B P S K調(diào) 制 器B P S K調(diào) 制 器P 碼發(fā) 生 器C / A 碼發(fā) 生 器X 1 2 0 6 d BX 1 5 49 0 176。 3 d B0120 f015 4 f開 關(guān)限 制 器247。 1 0247。 2 0數(shù) 據(jù) 發(fā) 生 器0f0fX 1 歷 元 10/0fL 2 信 號L 1 信 號5 0 H z5 0 b p s 數(shù) 據(jù)P （ Y ） 碼p 碼 和 數(shù) 據(jù)C / A 碼 和 數(shù) 據(jù) 圖 21 GPS信號結(jié)構(gòu) C/A碼是一種 Gold碼序列 ,其序列長度為 1023位 (基碼 ),碼片 (chip)速率為 ,碼周期為 1ms。 C/A 的產(chǎn)生是通過兩個 10 位的移位寄存器 G1 和 G2, 由 G1的直接輸出和 G2 的延遲輸出結(jié)果異或得到的。 C/A 是一個長度為 1023 的二進制序列 ,其產(chǎn)生器如圖 22 所示。 G2 的時間延遲取決于選取的兩個點的位置 ,這兩個點又和衛(wèi)星的 ID 是一一對應(yīng)的。 C/A 碼具有特殊的自相關(guān)和互相關(guān)性質(zhì) ,這些性質(zhì)及其重要 ,也是 GPS 信號解擴的關(guān)鍵。 C/A 碼的自相關(guān)函數(shù)為 dttCtCR ii )()()( 1 0 2 30 ?? ?? ? （ 21） 式中 :Ci（ t）表示衛(wèi)星的 C/A 碼； τ為碼相位延遲。 在式（ 21）中 ,只有當 τ=0 時 ,自相關(guān)函數(shù)才可以取得最大值 1023,而當 τ 為其它值時 ,自相關(guān)值為 65 ,l 或 63。正因為 C/A 碼的自相關(guān)函數(shù)具有如此性質(zhì) ,使本地 C/A 碼和接收信號 C/A 碼相位對齊 ,可獲得很高的處理增益 ,將深埋在噪聲中的信號檢測出來。不同衛(wèi)星的 C/A 碼近似正交 ,互相關(guān)值雖然不等于 0,但是非常小。為了在強信號中檢測中微弱信號 , 互相關(guān)峰值必須比弱信號 的自相關(guān)峰低 ,高自相關(guān)峰和低互相關(guān)峰可以為信號捕獲提供高靈敏度 [6]。 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 2 43 51 86 1 07 91 2 53 1 08 94 76復(fù) 位1 . 0 2 3 M時 鐘1 0 2 3 譯 碼247。 2 0C / A 碼G 1G 21 K H z5 0 H z相 位 選 擇 器G 2 生 成 器G 1 生 成 器 圖 22 C/A碼的生成 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 23 一周期 CA碼波形 圖 24 C/A碼自相關(guān)仿真結(jié)果 衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu) 北斗和 GPS 衛(wèi)星信號主要由三部分組成：載波（ L1 和 L2）、用于測距的偽隨機碼（ Pseudo Random Noise Code,PRN）和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)。 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 L 11 5 7 5 . 4 2 M H zP 碼1 0 . 2 3 M c h i p / sC / A 碼1 . 0 2 3 M c h i p / sL 21 2 2 7 . 6 M H zP 碼1 0 . 2 3 M c h i p / s數(shù) 據(jù) 碼5 0 b i t / s數(shù) 據(jù) 碼5 0 b i t / s基 本 頻 率1 0 . 2 3 M H z 1 5 4 1 2 0247。 1 0247。 2 0 4 6 0 0 圖 25 GPS衛(wèi)星信號頻率關(guān)系 在北斗和 GPS 接收機中 ，載波、 PRN 以及數(shù)據(jù)信息的再生都與 MHzf ?緊密相關(guān)。北斗和 GPS 衛(wèi)星采用碼分多址（ CDMA）技術(shù)在兩個頻率上廣播測距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，也就是說系統(tǒng)使用兩個頻率，采用雙頻的目的是測定電離層延遲。L1頻段和 L2頻段上的載波頻率均為 0f 的整數(shù)倍，關(guān)系如下： M H zffL *154 01 ?? （ 22） M H zffL 27*12 0 02 ?? （ 23） 北斗和 GPS 衛(wèi)星采用兩種偽隨機碼，每顆衛(wèi)星產(chǎn)生一個稱為粗碼或 C/A 碼的短碼，和一個稱為精碼或 P(Y)碼的長碼。偽隨機碼可用來區(qū)分不同的北斗和 GPS衛(wèi)星，并可測量衛(wèi)星信號的傳播時間。衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電 文包含有導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼，其中數(shù)據(jù)碼中包括衛(wèi)星歷書、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)和時間等。北斗和GPS衛(wèi)星從 2020年起增加了三種新信號。一個用兩種不同碼字調(diào)制的碼信號 L2C，并附加在 L2頻率上；新增碼片速率為 的 L5 頻率（ ）；并且在 L1 和 L2 上還疊加一種新的軍用信號 M碼 [8]。 衛(wèi)星信號的調(diào)制解調(diào) 北斗和 GPS 的每顆衛(wèi)星在 L 波段的兩個載波頻率（ MHzfL ? ，MHzfL ? ）上發(fā)射導(dǎo)航數(shù)據(jù)，兩種載頻之間的間隔為 ， L1 載太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 波同時被 C/A碼、 P 碼和數(shù)據(jù)碼分別以同相和正交方式相位調(diào)制，其中 C/A 碼信號比 P碼信號滯后 90176。， L2 載波上只調(diào)制有 P碼（或 Y碼）和數(shù)據(jù)碼 [9]。 分別以 )(1tSL 和 )(2tSL 表示載波經(jīng)測距碼和數(shù)據(jù)碼調(diào)制后的信號，其信號結(jié)構(gòu)為 )s i n()()()c o s ()()()( 11111 titctitpL ttDtCAttDtPAtS ???? ???? （ 24） )c os ()()()( 222 titpL ttDtPBtS ?? ?? (25) 式中， pA ， pB ， cA 分別為 P 碼和 C/A 碼振幅； )(tPt ， )(tCt 分別為第 i 顆衛(wèi)星發(fā)射的 P碼和 C/A碼的碼狀態(tài)； )(tDi 為第 i 顆衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文； 1? ， 2?分別為載波 L1 和 L2 角頻率； 1? ， 2? 為載波 L1，和 L2 的初始相位。調(diào)制碼的碼值只取 0或 l。當碼值取 0時，對應(yīng)的碼狀態(tài)取 +1；而碼值取 1 時，對應(yīng)的碼狀態(tài)取 1。載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后便實現(xiàn)了對載波的調(diào)制，也就是，當碼值為0 時，調(diào)制后的載波相位不變，而當碼值為 1 時，調(diào)制后載波 相位改變 180176。所以當碼值從 0到 l，或從 l 到 0 改變時，都將使載波相位改變 180176。 接收機是衛(wèi)星信號解調(diào)的硬件設(shè)備。它的主要工作是重建載波，提取測距碼信號和導(dǎo)航電文。信號解調(diào)的常用方式有兩種，復(fù)制碼相關(guān)技術(shù)和平方解調(diào)技術(shù)。 復(fù)制碼相關(guān)技術(shù)。當接收機復(fù)制出的與衛(wèi)星的測距碼信號結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，在同步的條件下與接收到的衛(wèi)星信號相乘，即可去掉信號中的測距碼信號分量。這時，恢復(fù)的載波依然還含有數(shù)據(jù)碼信號分量。采用這種技術(shù)的條件，是必須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)，否則將不能產(chǎn)生復(fù)制碼。 平方解調(diào)技術(shù)。將接收到的衛(wèi)星信號進 行平方，由于處于177。 1狀態(tài)的調(diào)制碼，經(jīng)過平方后均變?yōu)椋?1，且＋ 1 不影響載波相位，所以信號經(jīng)平方后便達到解調(diào)的目的。采用這種方法不需要知道測距碼的結(jié)構(gòu)，但該解調(diào)技術(shù)卻去掉了測距碼和導(dǎo)航電文，故而不能用來實時導(dǎo)航。另外，該技術(shù)將使信號上的噪聲平方，使得信噪比（ SNR）大大降低。現(xiàn)在的平方解調(diào)技術(shù)一般用于 C/A 碼接收機，用復(fù)制 C/A 碼相關(guān)技術(shù)重建 L1 載波，用平方解調(diào)技術(shù)重建 L2 載波。 衛(wèi)星信號導(dǎo)航電文 導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)位是二相碼，每個數(shù)據(jù)位 20ms 長。在一個數(shù)據(jù)位中包括 20太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 個 C/A 碼周期，所有 20 個周期的 C/A碼都有相同的相位。導(dǎo)航電文每個字由 30個數(shù)據(jù)位組成，每個數(shù)據(jù)位包含 20 個 C/A 碼周期，總長度為 600ms；每 1 個子幀由 10 個字組成，長度為 6 秒；每 1 頁由 5 個子幀組成，長度為 30 秒；每 25頁組成 1組完整的 BD數(shù)據(jù)，總長度為 分鐘，每 25頁的數(shù)據(jù)被稱為 1個超幀。 北斗時間以一周的秒數(shù)給出，這個值在每周的結(jié)束 /起始時刻復(fù)位一次。在此時刻，不管在此之前哪個子幀是最后被發(fā)送的，從子幀 1 到子幀 5 的循環(huán)分頁將從子幀 1 重新開始；不管在此之前哪個頁是最后被發(fā)送的， 25 頁的循環(huán)也將從每個子幀的第 1頁重新開始。因此 ，在子幀 4和子幀 5的新數(shù)據(jù)可以從這些子幀的 25 頁中的任何一頁開始傳輸 [10]。 二次編碼分析 二次編碼概述 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，對衛(wèi)星信號的捕獲速度也提出了更高的要求，因此，現(xiàn)代的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在設(shè)計的時候采用了二次編碼的方式。 北斗 B1 二次編碼碼長為 1800,周期 18s，碼速率為 100bps，衛(wèi)星 PRN 號對應(yīng)為 163 的二次碼由 11 位線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的自然長度為 2047 的 m 序列截短得到，而 64210的二次編碼由 Gold 碼截短得到。我們對 L1C 二次編碼相關(guān)性進行分析，由于二次編碼調(diào)制導(dǎo)頻通道的主碼，因此不需要考慮奇相關(guān)，只考慮它們的偶自相關(guān)和偶互相關(guān)性 [11]。 北斗 B2二次編碼采用的是 NeumanHofman 碼，簡稱為 NH碼。數(shù)據(jù)通道和導(dǎo)頻通道分別用長度為 10 和 20 的 NH 碼。播發(fā) L5C 信號的所有衛(wèi)星采用的 NH碼都是一樣的，即 n(10)=(+1,+1,+1,+1,1,1,+1,1,+1,1)。 n(20)=(+1,+1,+1,+1,+1,1,+1,+1,1,1,+1,1,+1,1,+1,+1,1,1,1,+1) 二 次編碼的作用 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 二次編碼的第一個作用是改善了衛(wèi)星信號之間的互相關(guān)特性，主要是使各衛(wèi)星信號之間的互相關(guān)旁瓣峰下降。當兩顆衛(wèi)星的信號完全對準時，二次編碼的作用相互抵消，對互相關(guān)性沒有多大的改善，但是完全對準的情況發(fā)生的概率很小。L5C的二次編碼能使不同信號間的互相關(guān)旁峰至少降低 3dB。 二次編碼可以減小功率譜的線譜寬度，提高抗窄帶干擾能力。 對于 L5C 信號， 主碼周期為 1ms， 如果沒有 NH 碼，數(shù)據(jù)通道信號的功率譜是一些間隔 1kHz的譜線；而有了 NH 碼，由于 NH碼周期是 10ms，譜線間隔下降為 100Hz，當信號總 功率不變時， NH 碼使每條譜線的功率譜密度也下降為原來的 1/10。 接收機對衛(wèi)星信號進行接收時，數(shù)據(jù)同步是一個薄弱環(huán)節(jié)。要確定每個數(shù)據(jù)字符的起始時刻和結(jié)束時刻，可以采用在每個字符寬度內(nèi)增加一些事先已知的相位渡越方法來實現(xiàn)。 E5b 數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)字符寬度為 4ms，二次編碼的基碼寬度為 1ms，周期為 4ms，因此 E5b 數(shù)據(jù)通道的二次編碼使在一個字符寬度內(nèi)增加了多次相位渡越。這樣，用二次編碼全相關(guān)的辦法便可以實現(xiàn)自動字符同步 [11]。 二次編碼設(shè)計準則 在總結(jié)了二次編碼的作用后，可以據(jù)于此來選取具有良好 性能的二次編碼。 1) 周期不宜過長，自身有良好自相關(guān)性。采用二次編碼帶來的相關(guān)性能的改善程度比不上直接增加主碼碼長，二次編碼是在捕獲復(fù)雜度和相關(guān)特性折中考慮的結(jié)果。 2) 易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)字符同步。如果設(shè)計的二次編碼周期較長，不僅自身要有很好的整體相關(guān)性，局部也要有很好的相關(guān)性。 L1C 的二次編碼長度為 1800，整