关于信号的频段有过很多讨论，但没有一个频段能够实现对所设计准则的优化，最后GPS选择的L波段是综合考虑波段的可用性、传播影响和系统设计的最佳折中方法。GPS卫星信号包括载波信号和测距信号。

一、GPS卫星的载波信号

1.载波信号

GPS卫星的导航电文信号是低频信号，其中C/A、P码的数码率分别是1.023Mbit/s、10.23 Mbit/s，而D码的数码率仅为50 bit/s。同时又由于GPS卫星离地面有20 000 km，很难将数码率低的信号传输到地面。因此在无线电通信技术中，为了有效地传播高质量信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的信号上。我们把这种可运载调制信号的高频振荡波称为载波。

GPS卫星发射两个载波信号，GPS卫星的载波信号包括L1和L2两种载波，其频率和波长分别为：

L1载波：f1＝1 575.42 MHz，波长为λ1＝19.03 cm

L2载波：f2＝1 227.60 MHz，波长为λ2＝24.42 cm

载波是一种电磁波，由GPS卫星上原子钟的振荡器产生，其数学表达式为一正弦波，如图1.3.4所示。

图1.3.4　L1、L2载波

GPS卫星所选择的载波频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响，有利于测定多普勒频移。采用两个不同频率载波的主要目的，在于测量或消除由于电离层效应而引起的信号延迟误差，进而消除或削弱电离层效应对导航和测量定位的影响。

GPS卫星发射的两种载波信号，即载波L1和L2，分别调制着测距码（C/A码和P码）和导航电文。同时GPS卫星发射信号的频率都要受卫星上原子钟的基准频率的控制，均是其基准频率的倍频或者分频。GPS卫星原子钟的基本频率是f0＝10.23 MHz，P码采用基准频率，C/A码仅取基准频率的1/10，L1载波的频率为基准频率154倍后获得，L2载波的频率为基准频率的120倍。GPS卫星信号构成如图1.3.5所示。

图1.3.5　GPS卫星信号示意

2.GPS卫星信号的调制

在无线电通信技术中，为了有效地传播高质量信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。此时，原低频信号称为调制信号，而加载信号后的载波称为已调波。

GPS卫星信号包含三种信息：载波、测距码和数据码。在L1载波上，调制有C/A码、P码和数据码；L2载波上，只调制有P码和数据码。GPS卫星信号是将导航电文经两级调制后得到。

（1）第一级调制。

通过模二和加法器，将低频数据码分别调制到高频C/A码和P码，实现对数据码的伪随机码。调制图如图1.3.6所示。

图1.3.6　第一级调制

其中，模二和运算规则：

1⊕1＝0；1⊕0＝1；0⊕1＝1；0⊕0＝0

在码的状态上，“1”表示二进制的0，“-1”表示二进制1，其运算规则：

-1×-1＝1；-1×1＝-1；1×-1＝-1；1×1＝1

（2）第二级调制。

GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上。载波是由GPS卫星上原子钟的振荡器产生，其数学表达式为一正弦波。当码状态+1与载波相乘时，显然不会改变载波的相位；而当码状态取-1与载波相乘时，载波相位改变180°。这样，当码值由0变为1或者1变为0的时候，都会使调制后的载波相位改变180°，这个称为相位跃迁，如图1.3.7所示。

图1.3.7　加载信号后产生的相位跃迁

GPS卫星信号的调制原理如图1.3.8所示。

图1.3.8　GPS卫星信号调解原理

式中，AP、BP分别为调制于L1、L2上的P码振幅；Pi（t）为±1状态的P码；Di（t）为±1状态的数据码；AC是调制于L1上的C/A码振幅；Ci（t）为±1状态的C/A码；i为卫星的编号；ωi为载波Li（i＝1，2）的角频率；φi为载波Li（i＝1，2）的初相。

3.GPS卫星信号的调解

在利用GPS卫星进行测量时，用户接收到的GPS卫星信号是一种已调波，用户要利用GPS信息，就必须从已调波里面分离出测距码信息、导航电文以及纯净的载波信号，一般就把这个过程称为信号的解调。通常在用户接收到信号后，可用以下两种方法进行解调：

（1）码相关解调技术。

调制波以码状态与载波相乘实现的，当码状态由+1变为-1或者从-1变为+1时，都会使调制后的载波信号改变相位，产生跃迁而形成调制波。要想恢复载波，可将接收机产生的复制码信号，在同步条件下与卫星信号相乘就可以了。

（2）平方解调技术。

由于±1的调制码信号经平方后均为+1，而+1是不改变载波相位的，所以卫星信号经过平方后即可达到解调的目的。平方解调技术不必知道调制码的结构，但它解调时消去了测距码和数据码信号，因此不能用于恢复导航电文。当接收到GPS信号后，首先通过变频得到一中频信号，此时仅仅是降低了载波频率；然后再消去此信号载波上的测距码和数据码信号；最后输出经过调解后的纯净载波。其过程如图1.3.9所示。

图1.3.9　平方解调过程

二、GPS卫星的测距码信号

GPS卫星发射的测距码信号包含C/A码和P码。这两种都是伪随机噪声码信号，下面分别介绍其产生、特点和作用。

1.码及码的特点

码是表达信息的二进制数及其组合。每一位二进制数称为一个码元或者1比特（bit）。比特是码的度量单位，也是信息量单位，是二进制数及其组合。将各种信息，通过量化并按某种规律表示为二进制数的组合形式，这一过程称为编码，也就是信息的数字化。数码率是指在数字化信息传输中的每秒钟传输的比特数。

2.伪随机噪声码（Pseudo Random Noise，PRN）

GPS卫星发送给用户的导航定位信号，包括两个载波，两个伪噪声码（即C/A码和P码）及一个D码。伪噪声码的特点在于，不仅具有类似随机码的良好自相关性，而且具有某种确定的编码规则。它属于周期性的、可人工复制的码序列。伪随机码是由多级反馈移位寄存器产生，其示意如图1.3.10所示。

图1.3.10　伪随机噪声码的产生

3.GPS卫星的测距码信号(www.daowen.com)

（1）C/A码。

C/A码是在频率为1.023 MHz的钟脉冲驱动下，由两个10级反馈移位器相组合而产生的。各颗GPS卫星使用的C/A码的码长、码元宽度、周期和数码率基本相同，但结构不相同，这样容易复制和区别。C/A码的码长Nμ＝1 023 bit，码元宽tμ＝0.097 752 μs，周期Tμ＝Nμtμ＝1 ms，数码率Nμ/tμ＝1.023 Mbit/s。

C/A码的特点如下：

①C/A码的码长很短，易于捕获。由于其易于捕获，而且根据捕获的C/A码信息，可方便的捕获P码，所以又称C/A码为捕获码。

②C/A码的码元宽度大，导致其测距的误差可达到330 m。由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。综上，C/A码可以称为粗捕获码。C/A码发生如图1.3.11所示。

图1.3.11　C/A码发生示意

（2）P码。

P码是卫星的精确码，GPS发射P码的原理与C/A码相似，但其设计细节比C/A码精细复杂且严格保密。码率为10.23 MHz，是由两个为随机码PN1（t）和PN2（t）的乘积得到的。其中，PN1（t）是由两个12级反馈位寄存器组合构成的，在频率为10.23 MHz钟脉冲的驱动下，本应产生码长为N1＝16.769×106bit、周期为T1＝1.6 s的m序列，但在截短电路的作用下，PN1（t）码长为N1＝15.345×106bit、周期为T1＝1.5 s的截短序列。PN2（t）是由另外两个12级反馈移位寄存器组合构成的，其码长为N2＝15.345×106+37 bit的截短序列。PN2（t）和PN1（t）的数码率是相同的，但是码长却比PN1（t）多了37个码元。然后将PN2（t）进行移位后和PN1（t）相乘，所获得的复合序列即为P码，可用下式表示：

P码的特点如下：

①码长Nμ＝2.35×1014bit，码元宽tμ＝0.097 752 μs，周期Tμ＝Nμtμ＝267 d，数码率Nμ/tμ＝10.23 Mbit/s。在式（1.3.1）中，n可以取不同的37个数值，这样可以获得37种P码。而在实际使用中，P码以7 d为周期即在随机码中截取一段周期为7 d的P码。这样可以获取37种不同结构，周期为一周的P码。而这37个P码中，32个供不同的GPS卫星使用，5个供地面监控站使用。

②实际使用的P码码长约为6.19×1012bit，若采用搜索C/A码的方法来捕获P码，即逐个码元依次进行搜索，那样是无法实现的，因为所需的时间太长。因此，一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文所提供的有关信息，再捕获P码。

③P码的码元宽度为C/A码的1/10，这时如果获取码元的相关精度为码元宽度的1/10～1/100，则由此引起的相应距离误差仅为C/A码的1/10，所以P码可用于较精密的导航和定位，称为精码。目前，美国政府对P码保密，只提供军用，而且接收P码的接收机价格昂贵，即只有美国或其特许的用户才能使用P码。所以一般用户只能接收到GPS的C/A码信号。即使如此，美国国防部从1994年1月31日起实施了AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成一个新码Y码，绝对禁止非特许用户使用。

三、GPS卫星的导航电文

GPS卫星的导航电文是GPS定位和导航的数据基础。它又简称卫星电文，主要由卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态的信息以及C/A码捕获P码的信息组成。这些数据信息是按照规定的格式以二进制码的形式进行编码，并按帧发送给用户，因此又称为数据码或者D码。

1.导航电文的组成

导航电文的基本单位叫作“帧”，一帧导航电文长1 500 bit，传输速率是50 bit/s，30 s能够传输完一个主帧。一帧包含5个子帧，第1、2、3帧均含有10个字码，每个字码含30 bit电文，故每一子帧含有300 bit电文，根据电文的传输速率，播发每一子帧电文的时间需要6 s。为了记载多达25颗GPS的星历，规定第4、5子帧各含有25个页面，共有37 500 bit，需要750 s才能将25个页面全部播发完。这表明，一台GPS信号接收机获取一帧完整的卫星导航电文需要750 s。第1、2、3子帧内容每小时更新一次，第4、5子帧的内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新，如图1.3.12所示。

图1.3.12　导航电文的组成

2.导航电文的内容

（1）遥测码。

遥测码（Telemetry Word，TLW）是各子帧开头的第一个字码，它的作用是指明卫星注入数据的状态。其中，第1～8 bit是同步码（10001001），为各子帧编码脉冲提供一个同步起点，接收机从该起点开始顺序解译电文。第9～22 bit为遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息及其他信息，以此指示用户是否选用该课卫星。第23 bit和第24 bit是连接码。第25～30 bit为奇偶检验码，它用于发现纠正错误，确保正确地传送导航电文。

（2）转换码。

转换码（Hand Over Word，HOW）是各子帧的第二个字码，它的作用是为用户提供从捕获的C/A码转换到P码的Z计数。Z计数位于转换码的第1～17 bit，实际是从每周六／周日零时开始的时间计数。P码子码X1的周期是1.5 s的重复数，即Z计数的量程是0～403 200。因此，知道了Z计数，也就知道了观测瞬间在P码周期中所处的准确位置，这样便可迅速捕获P码。第18 bit表示卫星注入电文后是否发生滚动动量矩卸载现象。第19 bit表示数据帧时间是否与P码子码X1同步。第20～22 bit表示子帧的识别标志。第23～24 bit表示连接码，第25～30 bit和遥测码一样，为奇偶检验码。

（3）第一数据块。

第一数据块是第1子帧的第3～10字码，其主要内容包括：标识码、时延差改正、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期、卫星时钟改正系数等。

①时延差改正Tgd。

时延差改正Tgd表示载波L1、L2的电离层时延差。当使用单频接收机时，为了减小电离层效应影响，提高定位精度，要用Tgd改正观测结果。双频接收机可通过L1、L2两项频率的组合来消除电离层效应的影响，因此不需要此项改正。

②数据龄期AODC。

卫星时钟的数据龄期AODC是时钟改正数的外推时间间隔，它指明了卫星时钟改正数的置信度。

式中，toc为第一数据块的参考时刻；t1是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间。

③星期序号WN。

WN表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，即GPS星期数。

④卫星时钟改正。

卫星时钟差，是每一颗GPS卫星的时钟相对于GPS时系的差值。由于相对论效应，卫星钟比地面钟略快一些。地面监控通过监测确定出这种差值，并用导航电文播发给广大用户。GPS卫星的时钟相对GPS时间系统存在着差值，需加以改正，这便是卫星时钟改正。

式中，α0为卫星钟差（s）；α1为卫星钟速（s/s）；α2为卫星钟速变率（s/s2）。

（4）第二数据块。

第二数据块由导航电文的第2和第3子帧构成。它的内容是GPS卫星星历，这是GPS卫星为导航、定位播送的主要电文，描述卫星的运行及其轨道参数，提供有关计算卫星运行位置的数据。包括以下三类：

①开普勒六参数。

六个参数分别为：，e，i0，Ω0，ω，M0。其中，为卫星轨道椭圆长半轴的平方根；e为卫星轨道椭圆偏心率；i0为参考时刻；t0为轨道面倾角；Ω0为参考时刻t0的升交点赤经；ω为近地点角距；M0为参考时刻t0的平近点角。

②轨道摄动九参数。

九个参数分别为：Δn，Ω，I，Cus，Cuc，Cis，Cic，Crs，Crc。其中，Δn为平均角速度改正数；Ω为升交点赤经变化率；I为卫星轨道平面倾角变化率；Cus、Cuc为升交角距的正余弦调和改正项振幅；Cis、Cic为轨道正面倾角的正余弦调和改正项振幅；Crs、Crc为轨道向径正余弦调和改正项振幅。

③时间二参数。

两个参数分别为：t0、AODE。其中：t0为由星期日子夜零点开始起算的星历参考时刻；AODE为星历表的数据龄期。

AODE =t0-tL

tL为预报星历测量的最后观测时间，故AODE即是预报星历的外推时间间隔。

（5）第三数据块。

第三数据块由导航电文的第4和第5两个子帧构成。它向用户提供GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星信号后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常、位置适当的卫星，构成最佳观测空间几何图形，以此提高导航和定位精度。用户可根据已知的码分地址，较快地捕获到所选择的卫星。