[发明专利]一种GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及全球定位系统(Global Positioning System，GPS)中接收信号 的处理系统及其方法，尤其涉及一种GPS粗/捕获码(Coarse/Acquisition，C/A) 信号的载波跟踪处理系统及其方法。

背景技术

GPS全球定位系统作为新一代卫星导航定位系统，最初是由美国军方开发 并供海陆空三军使用的。经过多年发展，当前GPS系统已成为一种被广泛采用 的军民两用系统，它的应用领域和应用前景远远超出了该系统设计者当初的设 想，在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的 领域中，都被作为一项非常重要的技术手段和方法，用来进行导航、定时、定 位、地球物理参数测定和大气物理参数测定等。GPS全球定位系统是一个无线 电空间定位系统，它利用导航卫星和地面站为全球提供全天候、高精度、连续、 实时的三维坐标(纬度，经度，海拔)、三维速度和定位信息，地球表面上任何 地点均可以用于定位和导航。GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星 座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。GPS空 间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座，其中由21颗工作卫 星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，卫星的分布使得在全球的任何地方、 任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形， 提供了在时间上连续的全球导航能力。地面监控部分包括四个监控间、一个上 行注入站和一个主控站，用于监测、控制、修正和注入各个GPS卫星的导航数 据。GPS接收机可接收到如下信息：用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用 于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星 坐标的广播星历，精度为几米至几十米(各个卫星不同，随时变化)；以及GPS 系统信息，如卫星状况等。GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为 1575.42兆赫的L1载波和频率为1227.60兆赫的L2载波，分别调制多种信号。 主要有：

·C/A码

C/A码被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码(Pseudo-random Number，PRN)，其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都 不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以 测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

·P码

P码又被称为精码，调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码， 周期为七天。由于保密限制，普通用户无法利用P码来进行导航定位。

·导航信息

导航信息即数据码调制在L1载波上，其信号频率为50赫兹，包含GPS 卫星的轨道参数、卫星钟修正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导 航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播 星历。

对于普通用户来说，GPS系统提供标准定位服务(Standard Positioning Service，SPS)，这一般通过解析调制在L1载波上的不同卫星的C/A码信息来 实现。由于卫星的位置是事先知道的，且根据GPS卫星星座的分布，在地球表 面的任意时间任意地点，一般能同时接收4到11颗卫星的信号。而在三维情况 下，利用3颗卫星即可组成3个方程，解析出当前位置的坐标(X，Y，Z)。实 际上考虑到卫星和接收机之间的时钟误差，因此需要引入第4颗卫星，组成4 个方程，求解当前点的坐标值和时钟误差，从而得到当前位置的经纬度和高程。 当然，实际上接收机可以接收超过4颗以上的卫星信号，因此可以进一步修正 通过4颗卫星的信号解析出的结果，以尽可能减小误差。

由上面的介绍可知，GPS提供的标准定位服务需要解调L1载波上的C/A码 上的信息。L1的频率上的信号可表示为

S_L1＝A_pP(t)D(t)cos(2πf₁t+φ)+A_cC(t)D(t)sin(2πf₁t+φ)     (1)