GPS原理及应用

第 2 章 GPS 卫星信号及其测量原理教学提示：本章主要讲述GPS信号的一般知识，以及GPS信号接收机的一般原理 和几种常见的GPS信号接收机。要求学生重点掌握GPS卫星的测距码信号和测距 码伪距测量的基本原理、GPS卫星的载波信号和载波相位测量的基本原理，以及 GPS卫星导航电文的内容和格式；与GPS信号接收机有关的内容，要求学生了解 其基本原理和分类即可。2.1 GPS的测距码信号2.1.1 GPS 卫星信号的基本组成用于导航定位的 GPS 信号由三部分组成：(1) 测距码信号(P (Y)码和C/A码)(2) 导航电文(D码，数据码信号)( 3)载波信号2.1.2 码和伪随机噪声码(1) 码：表达表达信息的二进制数及其组合。(2) 随机噪声码：每一时刻，码元是 0或是 1 完全是随机的一组码序列。(3) 伪随机噪声码：表面上看无规律，实际上有一定的规律和周期性，且 可以复制。伪随机噪声码的产生C/A 码的产生 自相关函数：R ) = Su-Du =码值相同的码元个数-码值相异的码元个数_ Su + Du码元总数2.1.3 GPS 测距码方波伪随机噪声码两种测距码(伪随机噪声码)：C/A 码 - 粗码码速：1.023MHz码元长度：293mP(Y)码-精码码速： 10.23MHz码元长度： 29.3m2.1.4 GPS 测距码的测距原理 传播时有误差，但误差很小，不影响码的整体结构。基本方法：(1) 卫星依据自己时钟(钟脉冲)发出某一结构的测距码，经过时的传 播到达GPS接收机。(2) 接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。(3) 通过时延器使之延迟时间t,对两码进相关比较。（4）直至两码完全对齐，相关系数R（t）=max=l，则该时间延迟t即为传 播时间（T =t）o（5）距离 P =C t=C To 优点：克服码在传播和产生时的误差（比直接测时间要好得多）。2.1.5 载波两种频率的正弦波L1 载波：f = 1575.42MHz, = 19cmL2 载波：f 二 1227.60MHz,九二 24cm2.2 GPS卫星的导航电文（数据码）2.2.1 卫星星历及导航电文 星历：描述有关卫星运动轨道的信息。 导航电文：包含有关卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（D码）。2.2.2 导航电文格式及内容方波码速： 50bps内容：-广播星历（导航信息）-卫星钟改正-历书（概略星历）-电离层信息-卫星健康状况2.3 GPS 卫星信号的构成2.3.1 GPS 卫星信号包含三种信号测距码、导航电文（数据码）、载波（实现有用信号的传播）2.3.2 2.3.2 卫星信号的接收GPS 卫星信号要被接收机接收需解决两个关键技术问题：（1）GPS卫星信号的强度：C/A码为-155dBw, P码为-158dBw。周围环境 中充满各种噪声，噪声信号的强度为-136dBw，卫星信号淹没在噪声中，为获取 微弱的信号，所有通信、遥感、气象、军事、电视等卫星工作站均采用大型或超 大型抛物面天线，接收其信号并使其聚集，以提高信号强度，使其超过噪声电平。 但 GPS 接收机不可能用大型天线，必须用一种新型技术解决此问题。（2）GPS 卫星共有24颗，要使同一频道能同时接收所有可见卫星信号，这 是 GPS 信号接收时必须解决的另一技术问题。2.3.3 GPS 卫星信号的解调（1）码相关解调技术：复制码与卫星信号相乘，与卫星测距码信号结构完 全相同的复制码恢复载波（含数据码）。（2）平方解调技术：仅含卫星的载波，无测距码和导航电文。2.3.4 测距码的调制与解调（1）测距码的调制2)相位跃迁3)载波信号的调制过程2.4 GPS 定位的基本观测量2.4.1 码相关伪距 量原理D j (t) = D j (t) + C * 6tj + 3l j (t) + St j (t)i i i i i 码相关法伪距测量是通过调整自相关函数R(t)的值，测定测距码信号由卫星 到达测站的传播时间实现的。伪距测量的特点：无模糊度(多值性)问题定位速度快，实时定位精度高对信号的强度要求不高Dj(t) = & -X 丿 + -Y2 + 0 -Z 2 + C*Stj +Slj(t) + STj(t)ij ij ij iiiiD j (t) D j (t) + C * Stj + Sij (t)+St j (t)2.4.2 载波相位测距原理 ii i i0 九(一)sr结论：(1) 一个完整的载波相位观测值-N +0(2) 若卫星信号中断，将会丢失一部分周跳(不足整周部分不受影响， 可由接收机测得，是瞬时值)，这种现象称为整周跳变；2.4. 测相伪距D j (t) Dj (t) + C *St - C *Stj+S/j (t) + STj (t)九Nj (t )iiiiii 0申j(t)*九Dj(t) + C*St (t)一C*Stj(t) + Sij(t) + STj(t)一九Nj(t )iiiiii 0相位差：(t) 一申 N (t ) + SN (t 一 t ) + p (t)iR S00i 0iA9(t ) 9 一9 9 一9 N (t ) +SN(t 一 t ) +S9(t )iR S RRt0 0i 0i(1) 载波相位测量的实际观测值相位差由整周数变化部分SN(一10)和 不足整周的小数部分切()组成。首次观测值中SN(一10)为零，其后为整 数。(2) 只要接收机能保持对卫星的连续跟踪不断(不失锁)，每个载波相位测 量值中均包含相同的整周未知数 N0(t0) 。(3) 如果由于某种原因使计数器不能连续计数，则重新跟踪后，整周计数 将丢失一部分， SN(ti 一 t0) 变得不正确，而小数部分 S9 (ti) 是一个瞬间量， 仍是正确的。图S -18载渡相位观测蜀2.5 GPS卫星信号接收机GPS信号接收机是用来接收、处理和测量GPS卫星信号的专门设备。由于GPS 卫星信号的应用范围非常广泛，而信号的接收和测量又有多种方式，因此GPS 信号接收机有许多种不同的类型。根据1994年1月出版的GPS World报导， 截止当时世界上就已有50家企业产生308种不同型号的GPS信号接收机。尽管GPS信号接收机有许多种不同的类型，但其主要结构却大体相同，可分 为天线单元和接收单元两大部分。天线单元的主要功能是将GPS卫星信号的非常微弱的电磁波能转化为电流， 并对这种信号电流进行放大和变频处理。而接收单元的主要功能则是对经过放大 和变频处理的信号电流进行跟踪、处理和测量。GPS卫星和地面支撑系统是由专门机构投资建立、维护和运行的。一旦工作, 它将昼夜不停地发送导航定位信息。这是一种可供无数用户共享的信息资源。因 此，世界各国的企业公司、科研单位等相继研制各种类型的接收机。接收机可以 按照不同要求进行分类。2.5.1按编码信息分类(1) 有码接收机：它是已知卫星编码结构信息，利用相关技术接收的。各 种用于导航和定位的接收机都采用这一技术。它的观测量主要是伪距。为了提高 定位精度，经过改进增加了多普勒计数和载波相位观测量。(2) 无码接收机：它不需要预先知道编码内容和结构。其观测量是载波相 位、码相位和信息比特流。这种接收机用于精密测地工作，定位精度很高。 2.5.2按接收的数据形式分类(1) C/A码伪距；(2) C/A码伪距，L1载波相位；(3) C/A码伪距，L1载波相位，L2载波相位；(4) C/A码伪距，P码伪距；(5) C/A码伪距，P码伪距，L1载波相位，L2载波相位；(6) L 1载波相位；(7) L1载波相位，L2载波相位。2.5.3按接收机通道方式分类(1)时序接收机：这是一种最简单的接收机。一般采用单通道或双通道，按 时间分割法依次实现对各个卫星电文的提取和伪距测量。由于微电子学技术的发 展，已经用多通道接收机代替时序接收机。(2)多路复用接收机：这是一种单通道多路复用接收机。它能同时接收多颗 卫星的信号，而共用同一通道，以此来抵消通道间的时延差别。它能准同步观测 几颗卫星。(3) 多通道接收机：又称为并行通道接收机。这是当前 GPS 接收机的发展趋 势。由于微电子技术的发展，在一块芯片上可以做5、6、8、9、12 通道，且通 道间的时延偏差很小。有的精密接收机还能进行通道间的自校正。它能同时观测 几颗卫星。2.5.4 按采用的电子器件分类(1)模拟式接收机：采用模拟电路的接收机。一般体积大、笨重、耗电量 大。目前已被淘汰。(2)数字式接收机：采用大规模专用芯片制造的接收机。一般体积小、轻 巧省电。(3) 混合式接收机：这是最常见的接收机。数字电路采用大规模专用芯片， 而放大电路采用模拟器件。2.5.5 按性能分类(1)X 型接收机：这是一种高动态应用的接收机，适用于高速飞行的运输 工具，例如飞机、导弹和飞船。(2)Y 型接收机：这是中动态应用的接收机。主要用于速度较慢的运动目 标，例如低于 400km/h 的民用飞机。(3) Z 型接收机：这是低动态应用的接收机。主要用于地面车辆。主要用 于地面车辆、徒步或定点的定位。2.5.6 按用途分类(1)军用：供海陆空三军使用。(2)民用：供民用飞机、船舶导航，以及其他民用工程定位。(3) 导航：专供飞机、船舶的导航。(4) 测时：供各种观测台和天文台定时用。(5) 测地：供大地测量和地球动力学观测用。2.5.7 按工作模式分类(1) 单点定位：这是利用一台任何类型的GPS接收机进行的绝对定位。一般 几秒到几分钟内就可给出一个位置数据。定位精度取决于接收机类型、观测时间 长短以及观测量的类型。(2) 相对定位：这是利用两台以上测地型接收机进行的相对静态定位。定位 精度取决于接收机类型、观测时间长短以及观测量的类型。(3) 差分定位：这是采用两台以上任何类型的GPS接收机来完成的。它的特 点是，一方面能给出消除公共误差的较准确位置信息，另一面它给出的位置信息 不是相对定位的坐标增量，而是单点定位的绝对坐标。这就是说，它克服了单点 定位误差大的缺陷，又克服了相对定位的相对性。