GPS信號

GPS信號，是由全球定位系統（GPS）衛星上振盪器所產生的信號，而所有GPS信號都由一個基本頻率f₀=10.23Mhz組成。 GPS衛星發射的信號主要分為載波（Carrier wave）、測距碼（Ranging Code）和導航電文（Navigation Messages ）三部分。

最初的GPS信號

載波

GPS衛星所用的兩個載波均位於微波的L波段，分別稱為$L_{1}$載波和$L_{2}$載波

兩個相關的載波信號：

$L_{1}(t)=A_{1}cos(2\pi f_{1}t+\phi _{1})$
$L_{2}(t)=A_{2}cos(2\pi f_{2}t+\phi _{2})$

$\phi _{1}$和$\phi _{2}$描述了相位噪聲。載波信號的頻率為基本頻率$f_{0}$的整數倍。

$f_{1}=154f_{0}=1575.42MHz$
$f_{2}=120f_{0}=1227.60MHz$

$\to \lambda _{1}\approx 19cm,\lambda _{2}\approx 24cm$

採用L波段的高頻率載波可以較為精確的測定多普勒頻移和載波相位，提高測速和定位精度。使用兩個頻率還可以測定電離層延遲。

測距碼

測距碼有兩種，都屬於偽隨機噪聲碼（Pseudo Random Noise，簡稱 PRN）：C/A 碼（Coarse/Acquisition Code）和P碼（Precise Code）。

C/A碼

C/A碼（Coarse/Acquisition Code）是用於進行粗略測距和捕獲P碼的粗碼，也稱捕獲碼。周期$T_{u}$為1毫秒，一個周期含有碼元即碼長$N_{u}$=2¹⁰ - 1=1023，每個碼元持續的時間即碼元周期$t_{u}$=1ms/1023=0.977517微秒，相應的碼元寬度為293.05米。C/A碼是一種公開的明碼，可供全球用戶免費使用。但C/A碼一般只調製在$L_{1}$載波上，所以無法精確地消除電離層延遲。測距精度一般為±（2~3）米。

是開放給民間使用的GPS衛星傳送標準定位信號，它包含有GPS接收機用來確定其定位與時間方面的訊息，精確度在100公尺左右。

這裏所提的C/A碼是指GPS所散佈的序列，以下只討論L1信號部分。在GPS中用的C/A碼是一個群集，它們通常又被叫做偽隨機雜訊（Pseudorandom Noise,PRN）序列，因為它們有着雜訊的部分性質，GPS的C/A碼裏有着1023個元素，這裏面含有512個1與511個0，他們的排列是看起來彷彿隨機的，但是卻是完全可決定的，因此叫做偽隨機雜訊序列。

這些序列最重要的性質有兩個：

• 幾乎沒有互相關：所有的C/A碼彼此之間幾乎沒有相關，也就是說，從i衛星得到的$C_{i}$和從j衛星得到的$C_{j}$兩個碼，他們的互相關可以表示如下式：

$r_{ij}(n)=\sum _{m=0}^{1022}C_{i}(m)C_{j}(n+m)\approx 0$ for all n

• 幾乎沒有自相關，除了零延遲：所有的C/A碼幾乎沒有自相關，除了零延遲，也就是說自相關可以表示如下式：

$r_{ii}(n)=\sum _{m=0}^{1022}C_{i}(m)C_{i}(n+m)\approx 0$ for |n|≥1

利用這兩個性質，可以做GPS信號擷取

P碼

P碼是精確測定從GPS衛星到用戶接收機距離的測距碼，也稱精碼。實際周期為一周，碼長為6.1871 × 10¹²碼元，碼元周期0.097752微秒，相應碼元寬度為29.3米。P碼同時調製到$L_{1}$載波和$L_{2}$載波上，測距精度為0.3米。因其巨大的軍事價值，1994年起美國實施了選擇性誤差SA（Selective Availability）政策，故目前只有美國及其盟友的軍方以及少數美國政府授權的用戶才能夠使用到P碼。普通用戶可以先捕獲C/A碼，再通過導航電文提供的數據計算出P碼在整個序列碼中的位置。 2000年以後，克林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。因此，現在民用GPS也可以達到十米左右的定位精度。

導航電文

光有測距碼用戶還不能夠得到每顆衛星的詳細訊息。因此GPS系統將導航電文調整在測距碼前，導航電文中包含了反應衛星在空間位置、衛星鐘的修正參數、電離層延遲改正數等GPS定位所必要的訊息，因此導航電文也稱資料碼（Data Message，D碼）。

導航電文是具有一定格式的二進制碼，以「幀」為單位向用戶發送。每幀電文含有1500bit，傳輸速率為50bit/s。每個主幀包含5個子幀：

• 子幀1包含有衛星鐘改正數、GPS周數（Week Number）和衛星工作狀態訊息
• 子幀2和子幀3主要向用戶提供有關計算衛星在軌位置的訊息，包括廣播星曆參數和資料齡期（Age of Data Offset，簡稱AODO）
• 子幀4和子幀5提供了衛星導航、星座曆書等訊息

其他參考資料

• 李征航 黃勁松. GPS测量与数据处理 (M) 1. 武漢: 武漢大學出版社. 2005. ISBN 978-7-307-04443-2. 
• 胡友健 羅昀 曾雲. 全球定位系统（GPS）原理与应用 (M) 1. 武漢: 中國地質大學出版社. 2003. ISBN 978-7-5625-1769-6. 
• Kai Borre, Dennis M. Akos, Nicolaj Bertelsen, Peter Rinder, Soren Holdt Jensen。《A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: A Single-Frequency Approach》[M]。Birkhäuser Boston，2006年。

參見

• 全球定位系統
• GPS信號擷取