【正文】 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 15 一個(gè) n 級(jí) m 序列 x(t)屬于線性偽隨機(jī)碼，它具有許多特性，其中包括以下幾點(diǎn)： （ 1） m序列的周期 N 等于 2n1 碼片，即 N=2n1 （ ） 與此相對(duì)應(yīng)，這時(shí) m序列的最大周期為： T=(2n1)Tc= N Tc （ ） 于是我們通常該 m序列碼的長(zhǎng)度為 Nu 碼片，或者說(shuō)一碼相當(dāng)于 N 碼片。在時(shí)鐘脈沖的作用下，周而復(fù)始地重復(fù)著上述狀態(tài)過(guò)程， 個(gè)寄存器狀 態(tài)如表 所示。在第四個(gè)脈沖來(lái)到時(shí)， D1D2D3D4分別處在 1000 狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)時(shí) 鐘脈沖來(lái)時(shí)， D1 的“ 0”狀態(tài)被轉(zhuǎn)移到觸發(fā)器 D2, D2的狀態(tài)從“ 1”變成“ 0”。因?yàn)?D3D4兩個(gè)觸發(fā)器均處于“ 1”狀態(tài)，它們的輸出脈沖之模二和為“ 0”。 當(dāng)移位寄存器開(kāi)始工作時(shí)，置“ 1‖脈沖使各級(jí)存儲(chǔ)單元處于全“ 1‖狀態(tài) 。所需要的 m序列 {X0}是從觸發(fā)器 D4輸出的。圖中的置“ 1”脈沖，將使 m序列發(fā)生器的各個(gè)觸發(fā)器之初始狀態(tài)均為“ 1”。 如圖 所示表示一個(gè)四級(jí)最長(zhǎng)線性移位寄存器，或曰四級(jí) m 序列。 D 觸發(fā)器就是在時(shí)鐘脈沖的控制下將它的輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)移到輸出狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)移位。 偽隨機(jī)碼的產(chǎn)生，不能用一般的移位寄存器，而必須采用一種具有特殊反饋電路的移位寄存器，稱為最長(zhǎng)線性移位寄存器（其反饋電路是線性的），或稱為抽頭式反饋移位寄存器，它所產(chǎn)生的偽噪聲碼也稱為 m序列。它是周期性的、可人工復(fù)制的碼序列。 偽隨機(jī)噪聲碼 （ PRN）簡(jiǎn)稱偽隨機(jī)碼或偽碼 ，是一個(gè)具有一定周期的取值 0 和 1 的離散符號(hào)串。 偽碼 m 序列 m 序列的生成 碼分多址系統(tǒng)需要具有良好自相關(guān)特性的二進(jìn)制數(shù)序列作為碼，即要求碼與其本身的平移正交。 50bps 的數(shù)據(jù)碼碼寬 TD為 20ms,相當(dāng)于長(zhǎng)約 6000m。各幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容如圖 所示。第 3 子幀播放該衛(wèi)星的廣播星歷及衛(wèi)星時(shí)鐘的修正參數(shù)。導(dǎo)航數(shù)據(jù)的格式如圖 所示。在每一幀電文中， 2 子幀的內(nèi)容每 30s 重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次，而子幀 5 的內(nèi) 容在給衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才能得以更新。子幀 3 與子幀 5 的每一頁(yè)均構(gòu)成一幀電文。每個(gè)子幀分別含有 10 個(gè)字， 每個(gè)字含 30 bit 電文，故每一子幀共含 300 bit 電文。 GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)碼是 GPS 信號(hào)中的第三個(gè)層次，它是一列載有導(dǎo)航電文的二進(jìn)制碼 ,是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)于偽碼的詳細(xì) 內(nèi)容，本文將在 節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。只有理解了偽碼的特性和功能，我們才有可能真正懂得 GPS。 GPS 信號(hào)中使用了偽隨機(jī)碼編碼技術(shù)，識(shí)別和分離各顆衛(wèi)星信號(hào)，并提供無(wú)模糊度的測(cè)距數(shù)據(jù)。它不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相關(guān)特征，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。制導(dǎo) 20 世紀(jì) 60 年代中期，偽隨機(jī)機(jī)噪聲編碼技術(shù)的問(wèn)世，噪聲通訊才獲得了實(shí)際的應(yīng)用，并隨 即擴(kuò)展到了雷達(dá)和導(dǎo)航等技術(shù)領(lǐng)域。 (3）因?yàn)閭未a信號(hào)會(huì)被用來(lái)調(diào)制載波信號(hào)，所以這要求載波頻率必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于偽碼頻寬。為了有效地利用頻譜資源和減少無(wú)線電波之間的相互干擾，國(guó)際上和各國(guó)均設(shè)立了相應(yīng)的組織、機(jī)構(gòu)來(lái)管理頻譜資源的分配和使用。大體上講，頻率較 低的電磁波能沿著彎曲的地表以地波形勢(shì)傳播很長(zhǎng)的距離，但它很容易收到干擾，不適合數(shù)字通信；高頻電磁波以天波形式傳播，即電磁波被電離層擋住而反射回來(lái)后又繼續(xù)向前傳播，因而高頻電磁波也能傳播很長(zhǎng)的距離，但是它遭電離層反射的具體情況很難被預(yù)測(cè)；特高頻和更高頻率的電磁波以直射波形式傳播，能穿透電離層和建筑物，受噪聲干擾影響小，適合數(shù)字與衛(wèi)星通信，但它的缺點(diǎn)可體現(xiàn)在以下兩方面：一是地球表面的彎曲度限制了其直線傳播的距離；二是系統(tǒng)損耗會(huì)隨著其工作頻率的升高而增大。 衛(wèi)星中的核心設(shè)備是原子 鐘，而由此原子鐘所提供的基準(zhǔn)頻率 f0為 。所有衛(wèi)星均在這兩個(gè)相同的載波頻率上發(fā)射，但由于偽隨機(jī)碼調(diào)制不同，因此無(wú)明顯的相互干擾。對(duì)于任一載波，它的頻率 f 與波長(zhǎng) λ 存在以下關(guān)系： λ =c/f () 式中 c——光在真空中的速率。 GPS 衛(wèi)星發(fā)送的 GPS 衛(wèi)星信號(hào)采用 L 波段的兩種載頻作載波， 分別被稱作 L1 的8 主頻率和 L2 的次頻率。在這三個(gè)層次中，偽碼和數(shù)據(jù)碼一起先通過(guò)調(diào)制而依附在正弦波形式的載波上，然后衛(wèi)星將調(diào)制后的載波信號(hào)播發(fā)出去。從表 41 中可以看出，在 D 碼的一個(gè)碼元內(nèi)，將有 20 460 個(gè) C/A 碼碼元， 204 600 個(gè) P碼碼元， 31 508 400 個(gè) L1 周期和 24 552 000 個(gè) L2 周期。它們的頻率不僅與基準(zhǔn)頻率有一定的比例關(guān)系，而且相互之間也存在一定的比例關(guān)系，詳細(xì)如表 41 所示。 在 D 碼調(diào)制偽噪聲碼以后，再用 它們的組合碼去調(diào)制 L 波段的載波，實(shí)現(xiàn) D 碼的第二級(jí)調(diào)制，而形成向廣大用戶發(fā)送的已調(diào)波。其方法是，用很低碼率的數(shù)據(jù)碼作二級(jí)調(diào)制（擴(kuò)頻）：第一級(jí)，用 50Hz 的 D 碼調(diào)制一個(gè)為噪聲碼，例如調(diào)制一個(gè)被叫做 P 碼的偽噪聲碼，它的碼率高達(dá) 。換言之， D 碼的速率 fd=50Hz。 GPS 衛(wèi)星信示意圖如圖所示 ： 6 圖 GPS 信號(hào)的產(chǎn)生框圖 GPS 信號(hào)的調(diào)制波，是衛(wèi)星導(dǎo)航電文和偽碼的組合碼 。數(shù)據(jù)碼首先與偽碼異或相加而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，然后它們兩者的組合碼再通過(guò)（ BPSK）對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。 圖 GPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 GPS 信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS 衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的信號(hào)，是一種調(diào)制波，但有別于常用的無(wú)線電廣播電臺(tái)發(fā)送的調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)，它是利用偽隨機(jī)噪聲嗎傳送導(dǎo)航電文的調(diào)相信號(hào)。GPS 接收機(jī)的硬件主要任務(wù)是接收 GPS 衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)，以獲得必要的導(dǎo)航和定位5 信息 及觀測(cè)量，并經(jīng)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位； GPS 接收機(jī)的軟件主要任務(wù)是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精加工，以便獲得精密定位。 注入站有三個(gè)，分別設(shè)在阿松森群島（ Ascencion）、迭戈加西亞（ Diego Garcia）、卡瓦加蘭（ Kwajalein），注入站的主要任務(wù)是在主控站的控制下將主控站計(jì)算和編制出的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘的改正參數(shù)、導(dǎo)航電文和其他控制指令等注入到相應(yīng)的衛(wèi)星存儲(chǔ)系統(tǒng)中去。監(jiān)測(cè)站有 5 個(gè)，現(xiàn)有的 5 個(gè)地面站均具有監(jiān)測(cè)站的功能；除了主控站外，其它四個(gè)分別設(shè)在夏威夷（ Hawaii）、阿松森群島（ Ascencion）、迭戈加西亞 （ Diego Garcia）、卡瓦加蘭（ Kwajalein） 。 地面監(jiān)控部分 GPS 的地面監(jiān)控部分目前由分布在全球的 5 個(gè)地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站、主控站和信息注入站。每顆 GPS 工作衛(wèi)星每天約有 5 個(gè)小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目最少為 4 顆，最多可達(dá) 11 顆。這些 GPS 工作衛(wèi)星組成了 GPS 衛(wèi)星星座，其中 21 顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星， 3 顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星。它是美國(guó)國(guó)防部的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 本文先以 C/A 碼為基礎(chǔ)研究 GPS 信號(hào)的生成，熟悉 C/A 碼后，再著重研究 P 碼的生成算法，并利用 MATLAB 軟件進(jìn)行仿真，已達(dá)到對(duì) GPS 信號(hào)理論的掌握。然而， C /A 碼的碼長(zhǎng)短、碼速率低，易受敵方干擾和欺騙 , 在強(qiáng)干擾和欺騙的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下，很難通過(guò) C /A 碼來(lái)捕獲到 P 碼。而 P 碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、周期長(zhǎng)且碼速率快，對(duì)其直接捕獲困難，但定位精度高。 GPS 信號(hào)的生成，偽碼 的生成算法很重要。但由于涉及敏感技術(shù)，和對(duì)其內(nèi)核的嚴(yán)格保密，國(guó)外在這方面公開(kāi)發(fā)表的技術(shù)文獻(xiàn)很少。本文從 m 序列出發(fā)研究了隨機(jī)序列的相關(guān)性原理，并由 MATLAB 軟件對(duì)C/A 碼和 P 碼的相關(guān)特性進(jìn)行了很好的仿真。 本文先以 C/A碼為基礎(chǔ)研究 GPS 信號(hào)的生成，熟悉 C/A 碼后，再著重研究 P 碼的生成算法， 循序漸進(jìn)， 從而真正明白所研究的內(nèi)容 。 C/A 碼由兩組 10 級(jí) 的 反饋移位寄存器產(chǎn)生，產(chǎn)生的 序列周期短，易捕獲。本文著重研究偽碼的產(chǎn)生，用幾個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)碼代替導(dǎo)航電文。 本文研究的主要內(nèi)容 本文主要研究的是 GPS 信號(hào)的組成，并在 MATLAB 軟件平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)仿真。這也就意味著各家公司都存在著較大的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)空間。 我國(guó)第一代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) ―北斗一號(hào)導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng) ‖的兩顆衛(wèi)星已上天，我國(guó)第二代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在進(jìn)入論證預(yù)研階段，與俄羅斯在 GLONASS上和與歐盟在 Galileo 上的國(guó)際合作也在進(jìn)行之中，因此可以期望缺乏管理和領(lǐng)導(dǎo)的局面會(huì)很快改變。 中國(guó)是個(gè) GPS 應(yīng)用大國(guó)，所有的 GPS 芯片和 OEM 接收板幾乎都是靠進(jìn)口，在 GPS 車(chē)輛跟蹤系統(tǒng)上，我國(guó)在應(yīng)用面和規(guī)模上在國(guó)際上居于有特色的先行者地位，但是從系統(tǒng)的技術(shù)水平和產(chǎn)品的質(zhì)量和成熟程度來(lái)說(shuō)，我們還處在往上發(fā)展時(shí)期。據(jù)估計(jì)，到 2020 年 GPS 芯片的全球市場(chǎng)值將達(dá) 50 億美元。 GPS 開(kāi)始進(jìn)入民用之后，使用者終端的 GPS 產(chǎn)品便成了當(dāng)前 GPS 主要的市場(chǎng)內(nèi)容。在軍事領(lǐng)域， GPS 也已從當(dāng)初的為軍艦、飛機(jī)、戰(zhàn)車(chē)、地面作戰(zhàn)人員等提供全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)、高精度的定位導(dǎo)航，擴(kuò)展到成為目前精確制導(dǎo)武器復(fù)合制導(dǎo)的一種重 要技術(shù)手段。 GPS 在 國(guó)際上都已經(jīng)是發(fā)展成熟，出現(xiàn)了許多獨(dú)立的或綜合的實(shí)際應(yīng)用。 同時(shí)，在國(guó)防和戰(zhàn)爭(zhēng)中， GPS具有非常重要的作用。 隨著人類科學(xué)技術(shù)水平的提高， GPS獲得了很大的發(fā)展。 在 GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，美國(guó)國(guó)防部的主要目的是導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通信等一些軍事目的。 全球定位系統(tǒng) 是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) ， 是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。 MATLAB simulation。 關(guān)鍵詞 ： 全球定位系統(tǒng) ； 偽碼 ； MATLAB 仿真 ； 相關(guān)性 III Abstract As the new generation of the satellite navigation systems, Global Positioning System (GPS) is more and more important in military and civil fields in recent years. Though the development of science and technology, the technology of navigation and orientation has been progressed to the direction of great precision and the wide application of GPS locating, every country develop our best to make contribution to the positioning and navigation industry of our country. This paper mainly studies the generation of GPS signal, and the algorithm of PN code is very important in GPS signal generation. As m sequence is the basis of PN code generation, this paper firstly explains the m sequence‘s generative principle in detail and the characteristics of autocorrelation and cr