GPS BD衛星訊號接受端如何做載波同步?

時間 2021-10-15 11:14:48

1樓:開運集團

一.GPS衛星的基準頻率f0

定義:基準頻率由衛星上的原子鐘直接產生,頻率為10.23MHz,衛星訊號的所有成分均是該基準頻率的倍頻或分頻。

二.載波訊號

1.定義:載波是一種特定頻率的無線電波,它能將經過調製的偽碼和資料碼以正弦波的形式播發出去,所以可把它視為GPS衛星訊號的最底層。

每顆GPS衛星用兩個L波段頻率(即L1和L2)發射載波無線電訊號,其中載波L1的頻率f1為1575.42MHz,載波L2的頻率f2為1227.60MHz。

這兩個載波頻率屬於特高頻(UHF)波段,而特高頻波段在電磁波頻譜中的位置見圖。對於任一載波,它的頻率與f波長λ存在如下關係:

c/f其中c為光在真空中的速度,其值約等於3×108m/s。根據這一關係就可以推算出載波L1的波長λ1約為19cm,而L2的波長λ2約為24.4cm,與上面基準頻率得出的吻合。

2.為什麼要用到載波

GPS衛星的測距訊號和導航電文都屬於低頻訊號,GPS衛星軌道較高,其電能緊張,很難將訊號傳輸到地面,所以只能將低頻訊號載入到高頻載波上。

3.載波的優點:

**減少擁擠,避免干擾

**適用於擴頻,傳送寬頻訊號

**衛星高軌執行,能獲得較大的都卜勒頻移

**大氣衰減小,有益於研製使用者裝置

三.偽碼、資料碼與載波的長度關係

C/A碼(或P碼)是GPS訊號中最重要的一層,其目的之一是用來實現分碼多重進接,目的之二是用來測距,但這種結構固定的偽碼必然不能傳遞任何導航電文資料資訊。資料碼是GPS訊號的第二個層次,它是一列載有導航電文的二進位製碼。資料碼的位元速率為50位元每秒(即50bps),它採用不歸零制的二進位制編碼方式,產生主峰頻寬為100Hz的資料脈衝訊號。

為了區別同時二進位制的資料碼與偽碼,所以下面盡量使用「位元」來表示資料碼的0或1;而用「碼片」來表示偽碼的乙個0或1。雖然位元包含有資料資訊,而碼片沒有,但如果僅僅比較一位元與一碼片,那麼兩者之間其實只是碼寬不同而已。50bps的資料碼碼寬Td為20ms,相當於長約6000m。

因為C/A碼每1ms重複一週期,而資料碼乙個位元持續20ms,所以在每一資料位元期間C/A碼重複20周。需要指出的是,每個資料碼位元發生沿時刻均與C/A碼的第乙個碼片發生沿重合。下圖描述了偽碼、資料碼與載波的長度關係:

四.衛星訊號的調製

1.概念:在數字通訊技術中,為了有效地傳播資訊,一般均將低頻訊號載入到高頻訊號上,這時原低頻訊號稱為調製訊號,而載入訊號後的載波就成為已調波。

然而,GPS訊號調製,是採用調相技術實現的。

2.GPS測距碼訊號和資料碼訊號都是以二進位制數為碼元的時間序列,有訊號波形u(t)和訊號序列兩種表述方式,分別以碼狀態±1和碼值表示:如果當碼值取0時,對應的碼狀態取+1,而碼值取1時,對應碼狀態取-1 。

這邊引入模二和

運算規則:1 + 1 = 0;1 + 0 = 1;0 + 1 = 1;0 + 0 = 0

二進位制訊號:「1」表示二進位制「0」,「-1」表示二進位制「1」,則

-1 × -1 = 1;-1 × 1 = -1;1 × -1 = -1 ;1 × 1 = 1

3.相位躍遷

實現碼訊號與載波訊號的調製只需要將碼狀態與載波相乘即可。當碼狀態+1與載波相乘時,顯然不會改變載波的相位;而當碼狀態取-1與載波相乘時,載波相位改變180度。這樣,當碼值由0變為1,或由1變為0時,都會使調製後的載波相位改變180度,稱為相位躍遷。

4.衛星訊號調製原理

在L1載波上,調製有C/A碼、P碼(或Y碼)的資料碼,完整的訊號結構為:

在L2載波上,只用P碼進行雙相調製,其訊號結構為:

上述式子中,AP,BP,AC分別為P碼和C/A碼的振幅;Pi(t),C i(t)分別為精測距碼(P碼)和粗測距碼(C/A碼);D i(t)為衛星電文資料流;ωL1,ωL2為載波和的角頻率;

φ1,φ2為訊號的起始相位。

根據這一原理,GPS工作所需的訊號按下圖合成,然後向全球發射,形成現在隨時隨地都能接收到的訊號。對使用者而言,最感興趣的是測距碼和資料流(導航電文)。

五.GPS衛星訊號的解調

GPS定位時,使用者接收機收到的GPS衛星訊號是一種調製波,將接收到的調製波中分離出測距碼訊號、導航電文訊號以及純淨的載波訊號,稱之為訊號的解調。訊號的解調主要包括碼相關解調技術和平方解調技術。

1.碼相關解調技術

用接收機產生的複製碼訊號,在同步條件下與衛星發射的測距碼訊號相乘。複製碼訊號和測距碼訊號在經過碼相關時延差後可實現完全同步,原先因乘-1而改變的相位,現在又因再乘-1而得到恢復。由於GPS訊號接收機不可能複製出導航電文,經過碼相關解調技術處理後的載波訊號,仍含資料碼D(t)。

在採用相關型波道的GPS訊號接收機內通常設定有偽雜訊跟蹤電路,該電路的功能就是應用碼相關解調技術實現訊號的解調。若要進一步提取資料碼訊號D(t),在接收機通道內需設定一載波跟蹤環路,該電路可使由接收機石英鐘壓控振盪器產生的本地載波訊號與上述解頻而獲得純淨的資料碼,解釋後便得導航電文。

2.平方解調技術

由於處於±1狀態的調製碼訊號經平方後均為+1,而不改變載波相位,所以衛星訊號平方後可達到解調的目的。

當使用者接收到GPS衛星訊號後,首先通過變頻得到一相同結構的中頻訊號,該訊號自乘後可消去載波上的測距碼訊號和資料碼訊號,達到解調的目的。由於消去了資料碼,該技術不能用來恢復導航電文。

2樓:「已登出」

衛星定位接收機的訊號產生過程

GPS測量常用偽距和載波兩種觀測值,不管用其中的哪種觀測值,測量的時候都是兩個訊號,乙個是接收來自衛星的訊號,另乙個是複製訊號。複製訊號是接收機設計者最大的貢獻,比如你說的載波訊號,就是接收機裡產生頻率和出相與衛星發出訊號一樣的複製訊號,對比和處理兩個訊號,完成導航和定位任務的。

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