表2-2 C/A码的延时基码整数
PRN码 1 2 3 4 5 6 7 8 C/A码延时/基码 5 6 7 8 17 18 139 140 PRN码 9 10 11 12 13 14 15 16 C/A码延时/基码 141 251 252 254 255 256 257 258 PRN码 17 18 19 20 21 22 23 24 C/A码延时/基码 469 470 471 472 473 474 509 512 PRN码 25 26 27 28 29 30 31 32 C/A码延时/基码 513 514 515 516 859 860 861 862 本文主要讲述的C/A码是用于粗测距和GPS信号捕获的伪随机码。它是由两个10位的移位寄存器共同产生的，其产生原理图如图2-6所示。首先，分别给这两个移位寄存器一个置“1”脉冲，使移位寄存器处于全“1”的状态，并且在1.023MHz（C/A码的码频为F/10，见表2-1）的时钟脉冲以及两个寄存器分别选择不同的抽头进行模二相加后的反馈信号的共同作用下（G1寄存器选择3、10为抽头；G2寄存器选择2、3、6、8、9、10为抽头），G1、G2寄存器分别经历N?210?1?1023种不同的状态，即这两个寄存器产生了码长为1023、周期为1ms（T?1023?1ms）的两个m
1.023?26MHz序列，G1寄存器产生G1?t?，但是G2寄存器产生的m序列并不是在G2寄存器的末位存储单元，而是选择其中两个存储单元进行模二相加后的输出，产生具有不同延时的同一m序列G2?t?it0?，只是偏移不同，再将这两个序列模二相加，就可以产生1023种不同结构的C/A码。C/A码不是简单的m序列，而是两个同码长、同码率，不同结构的两个m序列相乘得到的序列，称之为Gold（戈尔德）序列。
CA?t??G1?t??G2?t?it0?
(2-5）
因为C/A码的码长只有1023比特，很短，容易被捕获。GPS定位中通过对C/A码逐个进行捕获搜索来获取卫星信号的传播延时，需要。举个例子，如果以50个码元美秒的速度对C/A码进行捕获，搜索完只有1023个码元的C/A码只需20.5秒。通过C/捕获，便可以获得GPS信号的导航电文，从而便可以容易地捕获到P码，因此，C/A码不仅是粗测距码，也可以作为P码的捕获码。
总而言之，C/A码的主要特点为：（1）码长较短、易于捕获；（2）码元宽度较大，测量精度较低，因此称为之为粗捕获码。
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图2-6 C/A码发生器
C/A码被选做GPS信号的扩频序列是因为它的一些特性，其中最重要的就是它们的相关特性，这些特性如下：
（1）几乎没有互相关性：所有的C/A码互相之间几乎没有相关性。也就是说，卫星i和卫星k的两个码Ci和Ck的互相关性如下：
rik?m???Ci?l?Ck?l?m??0l?01022
(2-6）
其中，m是对所有值而言。
（2）除了零延时外，几乎没有自相关性：所有的C/A码几乎和自己都没有相关性，除了零延时。根据这一特性就很容易找出什么时候两个码是严格对齐的。卫星k的自相关性如下：
rkk?m???Ci?l?Ck?l?m??0l?01022
(2-7）
其中，m?1
。
当和同一个C/A码相关时，只在零延时处有很高的相关性，会产生一个峰值。当和其他的C/A码相关时，相关性很低。
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2.3 GPS系统定位基本原理
GPS系统定位的基本原理[4]就是利用GPS卫星定位，测量出发射信号的卫星到地球用户设备接收机之间的距离，并且结合其他几颗待测卫星的信号和数据计算解调出用户设备接收机的具体三维位置信息。
伪随机码定位[5]，首先根据卫星星历确认待测卫星的位置，卫星到用户设备接收机的距离则可以通过所记录的卫星发射信号到接收机所经历的时间乘以光速来得到，但是由于存在大气层和电离层的干扰，相乘得出的距离并不是真是距离，我们称之它为伪距（PR）。当GPS卫星正常运转时，它会不断地发出用伪随机码（伪随机码是由二进制数0和1组成的具有一定周期的离散字符串）发射导航电文。GPS信号中分别利用C/A码及P码，精度分别大约为20米和2米，C/A分别为民用和军用的伪码。导航电文含有卫星星历、工作状态、时钟修正、大气修正、和电离修正等数据信息，其中卫星星历最为重要，从中可以提取出卫星时间，由此便可以得出卫星和接收机之间的距离，还可以从星历数据推算得出待测卫星发信号时的三维位置。将用户设备的三维坐标设为未知数（x、y、z），但是实际情况下，卫星的时钟和用户设备的时钟不可能一直同步，因此还要再设一个未知数?t，即卫星和用户设备接收机的时间差[6]，四个未知数，所以至少需要四个待测卫星的位置信息，这样就可以列出一个四元一次方程式，计算得出用户的三维坐标位置信息，如图2-7所示。
(x1,y1,z1)卫星1(x2,y2,z2)卫星2(x3,y3,z3)卫星3(x4,y4,z4)卫星4ZYX(x,y,z)[(x1[(x2[(x3[(x4----x)^2x)^2x)^2x)^2+(y1+(y2+(y3+(y4----y)^2y)^2y)^2y)^2+(z1+(z2+(z3+(z4-z)^2]^(1/2)+Δt*c-z)^2]^(1/2)+Δt*c-z)^2]^(1/2)+Δt*c-z)^2]^(1/2)+Δt*c====d1d2d3d4
图2-7 GPS定位基本原理图
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3 GPS卫星信号的捕获
为了跟踪和解调GPS信号，首先就要捕获到GPS信号，即C/A码的捕获。将捕获到的数据信息传递给跟踪过程，进一步进行跟踪便可以得到导航数据。捕获的目的是确定可见卫星信号的C/A码的起始点和载波频率。卫星由32个不同的PRN码进行区分。第二个参数是起始点，指的是C/A码在当前数据块中的时间同步信息。两个伪码只有在时延为零的时候才能得到最大相关值，也就是说，两个信号必须完全对齐才能去除接收信号中的伪码。第三个参数是载波频率，在下变频的情况下值得是中频。通过起始点展开C/A码频谱来获得这个载波频率。简而言之，C/A码的捕获就是要获得输入信号C/A码的起始点和载波频率。
3.1 GPS信号接收机
GPS信号接收机[7]是用于接收、跟踪、变化及测量GPS信号的接收设备。GPS信号是通过GPS信号接收机的天线单元获取的。随着GPS技术的飞速发展，GPS接收机的功能也越来越强大。目前，常用的是数字GPS接收机，主要获取GPS卫星信号中的原始伪距、载波相位以及多普勒频移。卫星信号经过前置放大器进行变频，在通过A/D转换器数字化输入信号转变为中频信号，然后传送给接收机和导航处理器进行捕获、跟踪及导航电文解调，如图3-1所示为数字接收机的组成框图。
图3-1 接收机组成框图
3.2 GPS卫星信号捕获的考虑
3.2.1 GPS卫星信号的多普勒效应
载波频率和C/A码在GPS卫星信号在高速运动中产生了偏移就是多普勒效应[8]。已知，GPS卫
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