摘要：本文系统介绍了GPS卫星的完整信号的组成和产生、信号在传播过程中会受到的影响以及信号接收的关键技术和信号观测量的处理等。
关键字：GPS卫星信号；组成；传播；接收和处理
一、概述
目前，GPS定位技术作为测量手段已广泛应用于各种测量的实践工作中，而且很大一部分测量工作者对其应用相当娴熟。但部分工作者对这项技术的最基础知识--GPS信号的相关知识了解有所欠缺；而且现行的很多教材和参考资料上对这方面的介绍过于详细难懂。基于此，本文系统、浅显的介绍了有关GPS卫星信号的组成和产生、传播、接收和处理的知识，希望能对需要的同行们在学习时有所帮助。
二、GPS卫星信号的组成和产生
GPS卫星的完整信号主要包括载波、伪随机码和数据码三种分量。
2.1 信号载波是一种能携带调制信号的高频震荡波，其振幅（频率）随调制信号的变化而变化。它处于L波段，两载波的中心频率分别记作L1和L2，L1的频率为1575.42MHz ，L2频率1227.60MHz，频率差为347.82MHz，L1大约是L2的28.3%，这样选择载波频率便于测得或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。
2.2伪随机噪声码（PRN）即测距码，是调制在载波上的一些特殊的、连续的、专门用于测定卫星至接收机间的距离的二进制编码。主要有精测距码（P码）和粗测距码（C/A码）两种。其中P码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为1.023MHz。
C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码。其码长为1023 bit，码元宽为0.98μs，与之对应的波长相当于293.1m，周期为1ms。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，用各自不同的PRN号来区分不同的卫星。它是是普通用户用以测定卫星到接收机间的距离的一种主要的信号。
P码是卫星的精测码，它被调制在L1和L2载波上，码率为10.23MHz。P码的码长为6.19×1012 bit，码元宽度为0.098μs，与之对应的波长相当于29.3m。则相应的测距误差仅为C/A码的十分之一。
2.3 数据码又叫导航电文或D码，是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机用来定位和导航的基础数据。它主要包括卫星星历（描述卫星运动轨道的信息。它发布的是某一时刻在轨卫星的轨道参数及其变化率。根据卫星星历，就可计算出任一卫星、任一时刻的所在位置及其速度）、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的概略星历等。
GPS 中的三种信号将按下图的线路进行合成。
从图上看出，卫星发射的所有信号分量都由同一基本频率 f0在A点产生，其中包括：载波 L1在B点、L2在C点、粗测距码 C/A在D点、精测距码在F点和数据码在G点。经卫星发射天线H点发射出去。发射的信号分量包括： L1-C/A 码在J 点、L1-P信号在K点、L2-P 信号在L点。伪随机码和数据码通过采用调相技术调制到载波上。为了区分不同卫星发射信号，采用典型的码分多址调制技术进行合成，再将低频信号加载在频率较高的载波上，然后载频携带着有用的信号发射出去，形成用户可以接收的 GPS 信号[1]。
三、GPS卫星信号的传播
在这里主要介绍GPS卫星信号在大气层传播过程中会受到很多干扰，对我们测定卫星到接收机距离，从而影响到对点位的精准定位。主要有下面几点：
3.1 对流层折射
对流层中的水滴、冰晶和尘埃等成分的含量，随着季节交替、地理纬度和空间位置的不同而变化，它们对电磁波的传播有较大影响。在对流层延迟的影响下，卫星位于天顶方向时，大约产生2.3m 的误差；高度角5°时，大约有25m 的误差。这种影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关，是精密GPS 定位中必须要考虑的误差项。对流层折射的影响主要是使电磁波传播路径与几何距离相异。
目前，在GPS 定位中，最常用的对流层改正模型是Hopfield 和Saastamoien 模型。
3.2 电离层折射
电离层泛指地面以上50km 的大气层。由于受太阳辐射作用，电离层中的气体被电离，以正离子和自由电子的形式存在。电磁波进入电离层后，在带电粒子的作用下，其传播速度发生了改变。在中纬度地区，测站天顶方向上电离层延迟白天可达10m，夜晚可达1～3m 左右。当卫星高度角低于10°时，电离层延迟可能扩大至10～45m 左右。
电离层折射可以使用模型改正、差分改正和双频观测的方法加以改正。一般说来，相对定位短基线情况下，可直接通过观测值求差消弱电离层延迟影响。长基线情况下，采用双频组合消除电离层折射的影响。对于单频接收机单机定位，模型改正是唯一的方法。
3.3 多路径效应
理想状态下，卫星信号将沿最短路径直接达到接收机天线。而如果天线附近有反射物，这时接收机天线几乎同时收到卫星的直接信号与反射信号，两种信号的叠加将使观测值产生附加时延量，这种现象称为多路径效应。多路径效应的影响会使载波相位观测量产生“周跳”，严重时将导致卫星信号失锁。
多路径效应可以通过双频观测组合、观测残差分析等方法检测出来。但由于多路径效应的产生与周围环境有关，环境又是复杂多样的，所以它的作用机制目前还难以精确抽象为一个统一的函数表达式。预防性措施有：
（1） 安置接收机天线时，避开较强的反射面，例如水面、光滑的地面以及表面平整的建筑物，例如玻璃幕墙等。
（2） 适当延长观测时间。
（3） 选择适当造型的抗多路径效应天线板。
（4） 有针对性地改善接收机内部电路设计。 由于城市中存在许多反射较强的环境，易形成多路径效应，成为在城市测量中的主要障碍之一[2]。
四、GPS卫星信号的接收与处理
从第一部分的介绍我们可以知道GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为 1575.42MHz 的 Ll 载波和频率 1227.60MHz 的 L2 载波，并且在 L1 和 L2 上又分别调制着多种信号，这些信号主要有 C/A 码、P 码和导航信息。下面介绍怎么对GPS卫星信号的接收与处理。
4.1 GPS卫星信号的接收
国际无线电咨询委员会和国际电信联盟的规定，所有空间上的卫星信号在到达地面时产生的最大通量密度不得超过-154dBW，以适应空中太阳能供电的限制和避免对地面接收的相互干扰。而 GPS 信号的强度为：L1波段，对 C/A 码为-155dBW、对 P 码为-158dBW，L2波段，对 P 码为-158dBW。在我们周围环境中充满着各种各样的噪声，它的强度为-136dBW。所以，通常情况下GPS卫星信号淹没在噪声之中，为了获取此微弱信号，需采用大型或超大型抛物面天线，接收其卫星信号并使其聚焦，以提高其信号的强度，然后按照通常的方法进行放大、变频、接收和处理，但每一个用户又不可能都装配大型抛物面接收天线。此外，在 GPS 导航卫星中，所有 24 颗卫星都使用相同的载频，因此无法利用不同的频道接收所需信号。实际上是，同一个频道能同时接收能见到的 4-8 颗卫星信号。这就是说，要采取措施区分开同时进入的卫星信号。这又是在 GPS 接收机中必须解决的另一问题，这两个问题相互关联的。在 GPS 中，采用了扩频调制和相关接收这两项新技术来解决这两个问题。
扩频技术实际上是一种相关接收的宽带技术。发射信号由数据码、伪随机码调制的载波信号，因此发射信号的带宽远远大于数据码的带宽。此发射信号到达接收机以后，利用相关检测技术，将有用信号取出。由于在扩频调制时，己将信号和噪声的频谱同时扩宽，所以在接收机内进行相关，即利用窄带滤波器将干扰信号去掉，以完成信噪比远小于 1时的微弱信号的接收。
在 GPS 中，扩频码，即由伪随机码构成的测距码，分为 C/A 码和 P 码。这种伪随机码作为扩频信号具有很多的多址工作能力。GPS 利用不同码序的扩频信号实现对 24 颗卫星的识别和跟踪。尽管 24 颗卫星发射着同一种载频信号，但可以按不同的伪随机码加以识别。
相关接收是用户接收机在接收 GPS 卫星扩频信号时，利用改变本机伪随机码产生器的时序，使其与相应卫星的伪随机码的时序对准，此时即完成了对该卫星信号的跟踪和锁定。这一过程称为相关接收。这样，一方面将所需的信号恢复到原始窄带信号，另一方面将不相关的信号如各种干扰、外界噪声以及其他 GPS 卫星信号等仍保持为扩展的宽带信号。此信号经滤波后，使有用信号通过，将无用信号滤去，大大提高了信噪比[3]。
4.2 GPS卫星信号的处理
GPS测量就是通过对这些数据的处理从而达到对地面点的定位，根据定位方法的不同对GPS卫星信号的运用也相应的有伪距观测量和载波相位观测量的运用。
1、伪距定位观测量的处理
GPS 卫星能够按照星载时钟发射一种结构为“伪随机噪声码”的信号，该测距码经过t时间传播后，到达接收机。接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码----复制码，并通过时延器使其延迟时间t′将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数 R（t′） ≠1，则继续调整时延迟时间t，直至R（t′）=1，即复制码与接收到的测距码完全对齐。此时，其延迟时间t′就是卫星信号的传播时间t′乘上光速C，就得到了卫星至接收机的距离，即伪距，从而达到对地面点的定位[4]。
2、载波相位定位观测量的处理
载波相位定位观测量的处理时，用户接收机接收到卫星信号以后要对其进行解调，主要工作是重建载波，提取测距码信号和导航电文。
卫星S 在t0时刻发出一载波信号，其相位为Φ（S）；此时接收机产生一个频率和初相卫星载波信号完全一致的基准信号，在t0瞬间的相位为Φ（R）。比较接收机产生的参考载波信号与接收到的来自卫星的含有多普勒频移的载波信号之间的相位差。假设这两个相位之间相差N个整周信号和不足一周的相位Φ（F ），由此可求得t0时刻接收机天线到卫星的距离为
S=λ（Φ（R）- Φ（S））=λ（N0+Φ（F））（λ为载波信号的波长）
载波信号是一个单纯的余弦波。在载波相位测量中，接收机无法判定所测量信号的整周数，但可精确测定其零数Φ（F），并且当接收机对空中飞行的卫星作连续观测时，接收机借助于内设的多普勒频移计数器，可累计得到载波信号的整周变化数。而N0称为整周模糊度，是一个未知数，但只要观测是连续的，则各次观测的完整测量值中应含有相同的整周模糊度。目前，确定整周未知数的方法主要有三种：伪距法＼ N0作为未知数参与平差法和三差法。
五、总结
通过上面的介绍可以看出，GPS卫星信号中伪随机码和数据码通过采用调相技术及调制技术调制到频率较高载波上，采用典型的码分多址调制技术进行合成传送出去，通过大气层最终到达用户接收机，通过扩频技术及相关接收技术完成接收；最后观测量的处理达到对地面点的定位。
六、参考文献
[1] 刘基余.GPS 原理及应用目录[M].科学出版社，2003.8
[2] 胡友健，罗昀，曾云. 全球定位系统（GPS）原理与应用[M]. 中国地质大学出版社，2003.7
[3] 蔡桂祥.RTK GPS接收机关键模块的设计与实现[J].上海交通大学信息安全工程学院.2006.7
[4] 周忠谟 易杰军 周琪.GPS 卫星测量原理与应用（修订版）[M]，北京：测绘出版社，1997 年
关键字：GPS卫星信号；组成；传播；接收和处理
一、概述
目前，GPS定位技术作为测量手段已广泛应用于各种测量的实践工作中，而且很大一部分测量工作者对其应用相当娴熟。但部分工作者对这项技术的最基础知识--GPS信号的相关知识了解有所欠缺；而且现行的很多教材和参考资料上对这方面的介绍过于详细难懂。基于此，本文系统、浅显的介绍了有关GPS卫星信号的组成和产生、传播、接收和处理的知识，希望能对需要的同行们在学习时有所帮助。
二、GPS卫星信号的组成和产生
GPS卫星的完整信号主要包括载波、伪随机码和数据码三种分量。
2.1 信号载波是一种能携带调制信号的高频震荡波，其振幅（频率）随调制信号的变化而变化。它处于L波段，两载波的中心频率分别记作L1和L2，L1的频率为1575.42MHz ，L2频率1227.60MHz，频率差为347.82MHz，L1大约是L2的28.3%，这样选择载波频率便于测得或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。
2.2伪随机噪声码（PRN）即测距码，是调制在载波上的一些特殊的、连续的、专门用于测定卫星至接收机间的距离的二进制编码。主要有精测距码（P码）和粗测距码（C/A码）两种。其中P码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为1.023MHz。
C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码。其码长为1023 bit，码元宽为0.98μs，与之对应的波长相当于293.1m，周期为1ms。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，用各自不同的PRN号来区分不同的卫星。它是是普通用户用以测定卫星到接收机间的距离的一种主要的信号。
P码是卫星的精测码，它被调制在L1和L2载波上，码率为10.23MHz。P码的码长为6.19×1012 bit，码元宽度为0.098μs，与之对应的波长相当于29.3m。则相应的测距误差仅为C/A码的十分之一。
2.3 数据码又叫导航电文或D码，是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机用来定位和导航的基础数据。它主要包括卫星星历（描述卫星运动轨道的信息。它发布的是某一时刻在轨卫星的轨道参数及其变化率。根据卫星星历，就可计算出任一卫星、任一时刻的所在位置及其速度）、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的概略星历等。
GPS 中的三种信号将按下图的线路进行合成。
从图上看出，卫星发射的所有信号分量都由同一基本频率 f0在A点产生，其中包括：载波 L1在B点、L2在C点、粗测距码 C/A在D点、精测距码在F点和数据码在G点。经卫星发射天线H点发射出去。发射的信号分量包括： L1-C/A 码在J 点、L1-P信号在K点、L2-P 信号在L点。伪随机码和数据码通过采用调相技术调制到载波上。为了区分不同卫星发射信号，采用典型的码分多址调制技术进行合成，再将低频信号加载在频率较高的载波上，然后载频携带着有用的信号发射出去，形成用户可以接收的 GPS 信号[1]。
三、GPS卫星信号的传播
在这里主要介绍GPS卫星信号在大气层传播过程中会受到很多干扰，对我们测定卫星到接收机距离，从而影响到对点位的精准定位。主要有下面几点：
3.1 对流层折射
对流层中的水滴、冰晶和尘埃等成分的含量，随着季节交替、地理纬度和空间位置的不同而变化，它们对电磁波的传播有较大影响。在对流层延迟的影响下，卫星位于天顶方向时，大约产生2.3m 的误差；高度角5°时，大约有25m 的误差。这种影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关，是精密GPS 定位中必须要考虑的误差项。对流层折射的影响主要是使电磁波传播路径与几何距离相异。
目前，在GPS 定位中，最常用的对流层改正模型是Hopfield 和Saastamoien 模型。
3.2 电离层折射
电离层泛指地面以上50km 的大气层。由于受太阳辐射作用，电离层中的气体被电离，以正离子和自由电子的形式存在。电磁波进入电离层后，在带电粒子的作用下，其传播速度发生了改变。在中纬度地区，测站天顶方向上电离层延迟白天可达10m，夜晚可达1～3m 左右。当卫星高度角低于10°时，电离层延迟可能扩大至10～45m 左右。
电离层折射可以使用模型改正、差分改正和双频观测的方法加以改正。一般说来，相对定位短基线情况下，可直接通过观测值求差消弱电离层延迟影响。长基线情况下，采用双频组合消除电离层折射的影响。对于单频接收机单机定位，模型改正是唯一的方法。
3.3 多路径效应
理想状态下，卫星信号将沿最短路径直接达到接收机天线。而如果天线附近有反射物，这时接收机天线几乎同时收到卫星的直接信号与反射信号，两种信号的叠加将使观测值产生附加时延量，这种现象称为多路径效应。多路径效应的影响会使载波相位观测量产生“周跳”，严重时将导致卫星信号失锁。
多路径效应可以通过双频观测组合、观测残差分析等方法检测出来。但由于多路径效应的产生与周围环境有关，环境又是复杂多样的，所以它的作用机制目前还难以精确抽象为一个统一的函数表达式。预防性措施有：
（1） 安置接收机天线时，避开较强的反射面，例如水面、光滑的地面以及表面平整的建筑物，例如玻璃幕墙等。
（2） 适当延长观测时间。
（3） 选择适当造型的抗多路径效应天线板。
（4） 有针对性地改善接收机内部电路设计。 由于城市中存在许多反射较强的环境，易形成多路径效应，成为在城市测量中的主要障碍之一[2]。
四、GPS卫星信号的接收与处理
从第一部分的介绍我们可以知道GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为 1575.42MHz 的 Ll 载波和频率 1227.60MHz 的 L2 载波，并且在 L1 和 L2 上又分别调制着多种信号，这些信号主要有 C/A 码、P 码和导航信息。下面介绍怎么对GPS卫星信号的接收与处理。
4.1 GPS卫星信号的接收
国际无线电咨询委员会和国际电信联盟的规定，所有空间上的卫星信号在到达地面时产生的最大通量密度不得超过-154dBW，以适应空中太阳能供电的限制和避免对地面接收的相互干扰。而 GPS 信号的强度为：L1波段，对 C/A 码为-155dBW、对 P 码为-158dBW，L2波段，对 P 码为-158dBW。在我们周围环境中充满着各种各样的噪声，它的强度为-136dBW。所以，通常情况下GPS卫星信号淹没在噪声之中，为了获取此微弱信号，需采用大型或超大型抛物面天线，接收其卫星信号并使其聚焦，以提高其信号的强度，然后按照通常的方法进行放大、变频、接收和处理，但每一个用户又不可能都装配大型抛物面接收天线。此外，在 GPS 导航卫星中，所有 24 颗卫星都使用相同的载频，因此无法利用不同的频道接收所需信号。实际上是，同一个频道能同时接收能见到的 4-8 颗卫星信号。这就是说，要采取措施区分开同时进入的卫星信号。这又是在 GPS 接收机中必须解决的另一问题，这两个问题相互关联的。在 GPS 中，采用了扩频调制和相关接收这两项新技术来解决这两个问题。
扩频技术实际上是一种相关接收的宽带技术。发射信号由数据码、伪随机码调制的载波信号，因此发射信号的带宽远远大于数据码的带宽。此发射信号到达接收机以后，利用相关检测技术，将有用信号取出。由于在扩频调制时，己将信号和噪声的频谱同时扩宽，所以在接收机内进行相关，即利用窄带滤波器将干扰信号去掉，以完成信噪比远小于 1时的微弱信号的接收。
在 GPS 中，扩频码，即由伪随机码构成的测距码，分为 C/A 码和 P 码。这种伪随机码作为扩频信号具有很多的多址工作能力。GPS 利用不同码序的扩频信号实现对 24 颗卫星的识别和跟踪。尽管 24 颗卫星发射着同一种载频信号，但可以按不同的伪随机码加以识别。
相关接收是用户接收机在接收 GPS 卫星扩频信号时，利用改变本机伪随机码产生器的时序，使其与相应卫星的伪随机码的时序对准，此时即完成了对该卫星信号的跟踪和锁定。这一过程称为相关接收。这样，一方面将所需的信号恢复到原始窄带信号，另一方面将不相关的信号如各种干扰、外界噪声以及其他 GPS 卫星信号等仍保持为扩展的宽带信号。此信号经滤波后，使有用信号通过，将无用信号滤去，大大提高了信噪比[3]。
4.2 GPS卫星信号的处理
GPS测量就是通过对这些数据的处理从而达到对地面点的定位，根据定位方法的不同对GPS卫星信号的运用也相应的有伪距观测量和载波相位观测量的运用。
1、伪距定位观测量的处理
GPS 卫星能够按照星载时钟发射一种结构为“伪随机噪声码”的信号，该测距码经过t时间传播后，到达接收机。接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码----复制码，并通过时延器使其延迟时间t′将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数 R（t′） ≠1，则继续调整时延迟时间t，直至R（t′）=1，即复制码与接收到的测距码完全对齐。此时，其延迟时间t′就是卫星信号的传播时间t′乘上光速C，就得到了卫星至接收机的距离，即伪距，从而达到对地面点的定位[4]。
2、载波相位定位观测量的处理
载波相位定位观测量的处理时，用户接收机接收到卫星信号以后要对其进行解调，主要工作是重建载波，提取测距码信号和导航电文。
卫星S 在t0时刻发出一载波信号，其相位为Φ（S）；此时接收机产生一个频率和初相卫星载波信号完全一致的基准信号，在t0瞬间的相位为Φ（R）。比较接收机产生的参考载波信号与接收到的来自卫星的含有多普勒频移的载波信号之间的相位差。假设这两个相位之间相差N个整周信号和不足一周的相位Φ（F ），由此可求得t0时刻接收机天线到卫星的距离为
S=λ（Φ（R）- Φ（S））=λ（N0+Φ（F））（λ为载波信号的波长）
载波信号是一个单纯的余弦波。在载波相位测量中，接收机无法判定所测量信号的整周数，但可精确测定其零数Φ（F），并且当接收机对空中飞行的卫星作连续观测时，接收机借助于内设的多普勒频移计数器，可累计得到载波信号的整周变化数。而N0称为整周模糊度，是一个未知数，但只要观测是连续的，则各次观测的完整测量值中应含有相同的整周模糊度。目前，确定整周未知数的方法主要有三种：伪距法＼ N0作为未知数参与平差法和三差法。
五、总结
通过上面的介绍可以看出，GPS卫星信号中伪随机码和数据码通过采用调相技术及调制技术调制到频率较高载波上，采用典型的码分多址调制技术进行合成传送出去，通过大气层最终到达用户接收机，通过扩频技术及相关接收技术完成接收；最后观测量的处理达到对地面点的定位。
六、参考文献
[1] 刘基余.GPS 原理及应用目录[M].科学出版社，2003.8
[2] 胡友健，罗昀，曾云. 全球定位系统（GPS）原理与应用[M]. 中国地质大学出版社，2003.7
[3] 蔡桂祥.RTK GPS接收机关键模块的设计与实现[J].上海交通大学信息安全工程学院.2006.7
[4] 周忠谟 易杰军 周琪.GPS 卫星测量原理与应用（修订版）[M]，北京：测绘出版社，1997 年
