实现软件GPS的软硬件设计讨论（Ⅰ）

数据接收即接收那些以位流或报文的形式传送的数据(不包括那些需要对信号的相位、频率和强度测量才能得到的那部分数据)。每颗卫星不断地送出自己的轨道位置数据。这些数据包含了其位置和时间。卫星的轨道位置以星历(Almanac)和位序(Ephemeris，即一个与预知位置关联的时序序号)参数的形式传送。利用星历和位序，避免了重复传送复杂的坐标参数。在星历和位序传达的位置数据之外，还有若干组用于修正轨道位置和传播特性的数据。

为了有别于数据接收，本文把通过信号的相位、频率和强度测量得到数据参数的过程称为信号测量。每颗GPS卫星采用不同的伪随机码区别于其他卫星的信号，包括一个占较大功率用1.023M位速率Gold码(这是一组著名伪随机码)调相的部分(C/A码，只在L1载波，1,575.42M)和一个占较小功率的不公开的10.23M伪随机调相的部分(P码，在L1和L2载波，L2为1,227.60M)。信号测量即测量这些伪随机码码片(或与载波)之间的相位关系和频率得到精细定时，然后叠加到码片内位序、码片序、报文位序和报文序粗定时中得到完整的时间差。

图1：GPS几何计算的简单示意图。

GPS中时间的引用和继承

GPS接收机接收全部数据需要12.5分钟。GPS接收机工作状态包括冷启动，热启动，跟踪和寻桩；跟踪是利用前一点参数、快速定位新一点的持续过程。寻桩特指一种快速定位技术，在进入寻桩状态前预估下一测量点的参数，进入寻桩后则只是对预定的桩点参数修正以高速定位。

GPS的C/A码片内位序、码片序、数据位序所能判决的时间/距离分别对应0.98us/293m、1ms/300km和20ms/6,000km。子帧序、帧序(页)则对应6s和30s。页完整地带有时间信息、不需要更长时间的时间判决。在定位时，通常会首先检查有没有可以引用的时间。如果可以引用的时间准确度可以满足将当前时间定位到上述的某个时间范围内时，只需要进一步在这个时间片内测量时间即可。被引用时钟的准确度由其漂移和其继承的最近一次校时的准确度确定；那些固定的快慢偏差可以用比例系数消除。

GPS是一个精确定时系统，投入运行后的接收机自己就可以对所引用钟校时。接收机系统可能有多个可引用钟源，例如宿主处理器的实时时钟和处理器的指令运行定时时钟等。一般地，需要用校准时间、校准精度、钟频修正和时钟漂移4个量和当前时钟视在时间共同计算偏差和决定如何引用(较快的钟源和较慢的钟源需要各自采用不同的数值表达方式以适应其变化速度和精度)。大多数情况下可以利用其他钟源有效地定时到6s内；例如引用漂移为+/-2,000ppm(折合每天+/-3分钟)的时钟数据时，如果继承的准确度为1s，则在校准后40分钟内可以判定当前的子帧是属于哪个6s；如果在25s内引用40ppm的时钟，则可判定到当前码片属于哪个1ms。

在更大时间范围内，日期、时和分的引用和继承用于初步判定当前可能接收到哪些卫星的信号；在更小的范围内，引用和继承用来缩小对一个样本集作相关计算时的位移-相乘的范围。这些不同精度范围内的时钟数据可以用同样的数据结构表达，引用、继承和校准算法也可作同样的结构设计。