GPS訊號部分介紹

GPS的本質是一個基於碼分多址（CDMA）的擴頻（SS）通信系統。本文將詳細介紹GPS的信號部分。GPS衛星發射的信號按照結構可以分為三個層次：載波、偽碼和數據碼。在這三個層次中，偽碼和數據碼首先通過調製而依附到正弦波形式的載波上，然後衛星將調製後的載波信號播放出去。因此，載波可以視為GPS衛星信號的底層。

每顆GPS衛星都使用多個L波段頻率來發射載波無線電信號，載波的頻率都屬於特高頻(UHF)波段，如圖所示：

載波的類型有L1、L2以及後來新增的L5。北斗系統、伽利略等系統的載波會有些許差異，這裡著重介紹GPS系統。

載波也就是我們常說的頻段或頻點，像我們在向客戶推廣GNSS晶片的過程中常提到的支持單頻、雙頻等說法，實際上指的就是GNSS接收晶片是支持一個載波、兩個載波還是多個載波。接收機支持頻段的數量會直接影響到GNSS接收機的定位性能、穩定性和抗干擾性能，頻段越多，相應的價格也會更高，例如ST的STA8135就能支持到L1+L2+L5三頻。由於地球表面的電特性、地貌和電離層等因素對不同頻率的電磁波有不同的影響，低頻信號能沿著彎曲的地表以地波的形式傳播很長的距離，但容易受到干擾，不適合數位通信。高頻信號以天波形式傳播，但容易受到電離層反射的影響。綜合來說，頻率過低（f<1GHz）電離層延遲嚴重，校正後的殘餘誤差也較大；頻率過高，信號受到水汽吸收和氧氣吸收共振影響嚴重，而L波段的信號則較為適中。但這並不代表L波段是萬能的，地面受到嚴重遮擋、反射以及電磁干擾，依然會影響GPS接收機的信號接收。

偽碼是GPS信號結構中位於載波之上的第二個層次。偽碼就是偽隨機噪聲碼（PRN），它是一種能預先確定的、有週期性的二進位序列，而且具有接近於二進位數隨機序列的良好的自相關特性。GPS系統使用的測距碼也就是偽隨機噪聲碼，是用於測量接收機到衛星距離的一種二進位碼，另一個作用就是用來實現碼分多址（GLONASS系統使用的是頻分多址）。

數據碼是GPS信號中的第三個層次，它是一列載有導航電文的二進位碼。數據碼的碼率是50bps，採用的是不歸零制的二進位編碼方式，產生主峰頻寬約100Hz的數據脈衝信號。導航電文中包含時間、衛星運行軌道、電離層延遲等用於定位的重要資訊。衛星將導航電文以幀與子幀的結構形式編排成數據流形式。每顆衛星一幀接一幀地發送導航電文，而在發送每幀電文時，衛星又以一子幀接一子幀的形式進行。

每幀導航電文長1500位元，計30秒，依次由5個子幀構成，每個子幀300位元。不同子幀內的數據塊側重於不同方面的導航資訊，其中子幀1中的數據塊通常被稱為第一數據塊，子幀2和子幀3合稱為第二數據塊，子幀4和子幀5合稱為偽第三數據塊。第一數據塊又稱為時鐘數據塊，主要提供該衛星的時鐘校正參數和健康狀態等資訊。第二數據塊提供衛星自身的星曆參數，星曆用來描述衛星在各個時刻的空間位置和運行速度。第三數據塊主要提供所有衛星的曆書參數、電離層延遲校正參數、GPS時間與UTC之間的關係，以及衛星健康狀況等數據資訊。與前兩個數據塊不同，第三數據塊的內容並非接收機在實現定位前急需獲得的。