-偽距載波相位測(cè)量原理

1、小結(jié)小結(jié)載波重建載波重建碼相關(guān)法碼相關(guān)法平方法平方法互相關(guān)（交叉相關(guān)）技術(shù)互相關(guān)（交叉相關(guān)）技術(shù)載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量3.8 偽距測(cè)量原理偽距測(cè)量原理測(cè)距方法測(cè)距方法雙程測(cè)距用于電磁波測(cè)距儀單程測(cè)距用于GPS測(cè)距碼測(cè)距碼C/A碼碼P碼碼碼相關(guān)偽距測(cè)量原理碼相關(guān)偽距測(cè)量原理 碼相關(guān)法偽距測(cè)量是通過(guò)調(diào)整自相碼相關(guān)法偽距測(cè)量是通過(guò)調(diào)整自相關(guān)函數(shù)關(guān)函數(shù)R(t)R(t)的值，測(cè)定測(cè)距碼信號(hào)由衛(wèi)星到的值，測(cè)定測(cè)距碼信號(hào)由衛(wèi)星到達(dá)測(cè)站的傳播時(shí)間實(shí)現(xiàn)的。達(dá)測(cè)站的傳播時(shí)間實(shí)現(xiàn)的。偽距測(cè)量原理當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)經(jīng)過(guò)t秒傳播后到達(dá)接收機(jī)時(shí)，接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼序列，并在延時(shí)器的控制下不斷調(diào)整值，

2、直到R(t)=1為止。此時(shí)，t = ，也就是說(shuō)t可被測(cè)定。傳輸時(shí)間t乘以光速c可以獲得衛(wèi)星到測(cè)量站的距離。t包含衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘的不同步誤差，因此測(cè)量出來(lái)的距離叫做偽距。6信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)距碼測(cè)距原理測(cè)距碼測(cè)距原理距離測(cè)定的基本思路距離測(cè)定的基本思路信號(hào)（測(cè)距碼）傳播時(shí)間的測(cè)定信號(hào)（測(cè)距碼）傳播時(shí)間的測(cè)定dttUttUTtRT)()(1)(/0相關(guān)系數(shù)：ctc信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定測(cè)距碼測(cè)距原理測(cè)距碼測(cè)距原理利用測(cè)距碼測(cè)距的必要利用測(cè)距碼測(cè)距的必要條件條件l必須了解測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)必須了解測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)利用測(cè)距碼進(jìn)行測(cè)距的利用測(cè)距碼進(jìn)行測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)l易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號(hào)易于捕獲微弱的

3、衛(wèi)星信號(hào)l可提高測(cè)距精度可提高測(cè)距精度l便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理（如理（如ASAS）每顆每顆GPSGPS衛(wèi)星都采用特定的衛(wèi)星都采用特定的偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼l碼相關(guān)偽距測(cè)量碼相關(guān)偽距測(cè)量 特點(diǎn)特點(diǎn) 定位速度快，實(shí)時(shí)定位定位速度快，實(shí)時(shí)定位 精度較高精度較高 對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度要求不高對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度要求不高3.9 3.9 衛(wèi)星的載波信號(hào)及相位測(cè)量原理衛(wèi)星的載波信號(hào)及相位測(cè)量原理3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號(hào)衛(wèi)星的載波信號(hào)3.9.2 GPS3.9.2 GPS衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制3.9.3 GPS3.9.3 GPS衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào)衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào)3.9.4

4、3.9.4 載波相位測(cè)量原理載波相位測(cè)量原理GPSGPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)和導(dǎo)航電文信號(hào)都屬于衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)和導(dǎo)航電文信號(hào)都屬于低頻低頻信號(hào)信號(hào)其中其中C/AC/A碼和碼和P P碼的數(shù)碼率分別為碼的數(shù)碼率分別為1.023 Mbit/s1.023 Mbit/s與與10.2310.23Mbit/sMbit/s，而，而D D碼碼( (導(dǎo)航電文，又稱為數(shù)據(jù)碼導(dǎo)航電文，又稱為數(shù)據(jù)碼) )的數(shù)碼率僅為的數(shù)碼率僅為50 bit/s50 bit/s。GPSGPS衛(wèi)星離地面遠(yuǎn)達(dá)衛(wèi)星離地面遠(yuǎn)達(dá)2 210104 4kmkm，其電能又非常緊張，因此很難將上述數(shù)，其電能又非常緊張，因此很難將上述數(shù)碼率很低的信號(hào)傳輸?shù)降?/p>

5、面。碼率很低的信號(hào)傳輸?shù)降孛妗＝鉀Q這一難題的辦法，就是另外發(fā)射一種高頻信號(hào)，解決這一難題的辦法，就是另外發(fā)射一種高頻信號(hào)，并將低頻的測(cè)距碼信號(hào)和導(dǎo)航電文信號(hào)加載到這一并將低頻的測(cè)距碼信號(hào)和導(dǎo)航電文信號(hào)加載到這一高頻信號(hào)上，構(gòu)成一高頻的已調(diào)波發(fā)射給地面。高頻信號(hào)上，構(gòu)成一高頻的已調(diào)波發(fā)射給地面。 3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號(hào)衛(wèi)星的載波信號(hào)GPSGPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率 f f0 0由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生原子鐘的基準(zhǔn)頻率為原子鐘的基準(zhǔn)頻率為10.2310.23MHzMHz衛(wèi)星信號(hào)的所有成分均是該基準(zhǔn)頻率的倍衛(wèi)星信號(hào)的所有成分均是該基準(zhǔn)頻率的

6、倍頻或分頻頻或分頻3.9 3.9 衛(wèi)星的載波信號(hào)及相位測(cè)量原理衛(wèi)星的載波信號(hào)及相位測(cè)量原理3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號(hào)衛(wèi)星的載波信號(hào)3.9.2 GPS3.9.2 GPS衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制3.9.3 GPS3.9.3 GPS衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào)衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào)3.9.4 3.9.4 載波相位測(cè)量原理載波相位測(cè)量原理GPSGPS衛(wèi)星信號(hào)的組成部分衛(wèi)星信號(hào)的組成部分l載波（載波（CarrierCarrier）L1L1L2L2l測(cè)距碼（測(cè)距碼（Ranging CodeRanging Code）C/AC/A碼（目前只被調(diào)制在碼（目前只被調(diào)制在L1L1上）上）P(Y)P(Y)碼（被

7、分別調(diào)制在碼（被分別調(diào)制在L1L1和和L2L2上）上）l衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文（衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文（MessageMessage）載波作用l搭載其它調(diào)制信號(hào)l測(cè)距l(xiāng)測(cè)定多普勒頻移類型l目前L1 頻率： 154f0 = 1575.43MHz；波長(zhǎng)：19.03cmL2 頻率： 120f0 = 1227.60MHz；波長(zhǎng)：24.42cml現(xiàn)代化后增加L5 頻率：115f0 = 1176.45MHz；波長(zhǎng)：25.48cm測(cè)距碼的調(diào)制與解調(diào)測(cè)距碼的調(diào)制與解調(diào) 在數(shù)字通訊技術(shù)中，為了有效地傳播信息，在數(shù)字通訊技術(shù)中，為了有效地傳播信息，一般均將低頻信號(hào)加載到高頻的載波上，一般均將低頻信號(hào)加載到高頻的載波上，這時(shí)原

8、低頻信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，而加載信這時(shí)原低頻信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，而加載信號(hào)后的載波就稱為已調(diào)波。號(hào)后的載波就稱為已調(diào)波。 GPSGPS信號(hào)調(diào)制，是采用調(diào)相技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。信號(hào)調(diào)制，是采用調(diào)相技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制模二和模二和l運(yùn)算規(guī)則運(yùn)算規(guī)則l二進(jìn)制信號(hào)：二進(jìn)制信號(hào)：“1”1”表示二進(jìn)制表示二進(jìn)制“0”0”，“-1”-1”表示二表示二進(jìn)制進(jìn)制“1”1”，則，則3.9 3.9 衛(wèi)星的載波信號(hào)及相位測(cè)量原理衛(wèi)星的載波信號(hào)及相位測(cè)量原理3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號(hào)衛(wèi)星的載波信號(hào)3.9.2 GPS3.9.2 GPS衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制3.9.3 GPS3.9.3

9、GPS衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào)衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào)3.9.4 3.9.4 載波相位測(cè)量原理載波相位測(cè)量原理載波相位測(cè)量的特點(diǎn)載波相位測(cè)量的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)距精度高，可達(dá)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)距精度高，可達(dá)0.1mm0.1mm量級(jí)量級(jí)難點(diǎn)：難點(diǎn)：重建載波重建載波存在整周數(shù)不確定問(wèn)題存在整周數(shù)不確定問(wèn)題存在整周跳變問(wèn)題存在整周跳變問(wèn)題重建載波重建載波問(wèn)題的產(chǎn)生問(wèn)題的產(chǎn)生調(diào)制了測(cè)距碼和調(diào)制了測(cè)距碼和導(dǎo)航電文后，載導(dǎo)航電文后，載波將不連續(xù)波將不連續(xù)要測(cè)定載波相位，要測(cè)定載波相位，必須設(shè)法使不連必須設(shè)法使不連續(xù)的載波信號(hào)恢續(xù)的載波信號(hào)恢復(fù)為連續(xù)的載波復(fù)為連續(xù)的載波信號(hào)信號(hào)重建載波重建載波定義：將非連續(xù)載波信號(hào)恢復(fù)成連續(xù)載波定義：將非連續(xù)

10、載波信號(hào)恢復(fù)成連續(xù)載波信號(hào)的過(guò)程信號(hào)的過(guò)程方法：方法：(1)-(1)-碼相關(guān)法碼相關(guān)法 (2)-(2)-平方法平方法(3)-(3)-互相關(guān)（交叉相關(guān)）技術(shù)互相關(guān)（交叉相關(guān)）技術(shù)( (補(bǔ)補(bǔ)) )(4)-Z(4)-Z跟蹤技術(shù)（補(bǔ)）跟蹤技術(shù)（補(bǔ)）重建載波l將非連續(xù)的載波信號(hào)恢復(fù)成連續(xù)的載波信號(hào)。載波調(diào)制了電文之后載波調(diào)制了電文之后變成了非連續(xù)的波變成了非連續(xù)的波偽距測(cè)量與載波相位測(cè)量偽距測(cè)量與載波相位測(cè)量 碼相關(guān)法碼相關(guān)法l將所接收到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星將所接收到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）與接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼信號(hào)）與接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼相乘。相乘。衛(wèi)星信號(hào)的生成接收機(jī)重建載波(c )2002, 黃勁松碼相關(guān)法

11、碼相關(guān)法碼相關(guān)法碼相關(guān)法l技術(shù)要點(diǎn)技術(shù)要點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)（弱）與接收機(jī)信號(hào)（強(qiáng)）衛(wèi)星信號(hào)（弱）與接收機(jī)信號(hào)（強(qiáng)）相乘。相乘。l特點(diǎn)特點(diǎn)限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波優(yōu)點(diǎn)：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量好（信噪比高）長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量好（信噪比高） 將所接收將所接收到的調(diào)制信號(hào)到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）自（衛(wèi)星信號(hào)）自乘。乘。平方法平方法l技術(shù)要點(diǎn)技術(shù)要點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)（弱）自乘。衛(wèi)星信號(hào)（弱）自乘。l特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解碼的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解碼的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：無(wú)法獲得導(dǎo)航電文，所獲缺點(diǎn)：無(wú)法獲得導(dǎo)航電文，所獲載波波長(zhǎng)為原來(lái)波長(zhǎng)的一半，信載波波長(zhǎng)為

12、原來(lái)波長(zhǎng)的一半，信號(hào)質(zhì)量較差（信噪比低，降低了號(hào)質(zhì)量較差（信噪比低，降低了30dB30dB）平方法平方法l方法方法在不同頻率的調(diào)制在不同頻率的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）進(jìn)行相關(guān)處理，獲進(jìn)行相關(guān)處理，獲取兩個(gè)頻率間的偽取兩個(gè)頻率間的偽距差和相位差距差和相位差)()(12/, 12, 1, 2/, 12LLACLLYLYLACLLRRRR（3 3）互相關(guān)（交叉相關(guān)）互相關(guān)（交叉相關(guān)）l技術(shù)要點(diǎn)技術(shù)要點(diǎn)不同頻率的衛(wèi)星信號(hào)（弱）進(jìn)不同頻率的衛(wèi)星信號(hào)（弱）進(jìn)行相關(guān)。行相關(guān)。l特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解Y Y碼的結(jié)構(gòu)，碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長(zhǎng)的

13、載波，信號(hào)質(zhì)量較平方波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了法好（信噪比降低了27dB27dB）互相關(guān)（交叉相關(guān)）互相關(guān)（交叉相關(guān)）Z Z跟蹤技術(shù)跟蹤技術(shù)ASASlP P碼碼+W+W碼碼Y Y碼碼lW W碼的碼元寬度為碼的碼元寬度為Y Y碼的碼的二十倍二十倍Z Z跟蹤技術(shù)跟蹤技術(shù)l原理原理l將衛(wèi)星信號(hào)在一個(gè)將衛(wèi)星信號(hào)在一個(gè)W W碼碼碼碼元內(nèi)與接收機(jī)復(fù)制出的元內(nèi)與接收機(jī)復(fù)制出的P P碼進(jìn)行相關(guān)處理碼進(jìn)行相關(guān)處理碼碼碼碼碼元內(nèi)在一個(gè)PPYW 0 1 0 0 1 0 0（1） W 碼 0 1 0 0 1 0 P 碼 Y 碼 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W 碼 1 0 1 1 0

14、1 P 碼 Y 碼 + = l技術(shù)要點(diǎn)：將衛(wèi)星信號(hào)在一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：將衛(wèi)星信號(hào)在一個(gè)W W碼碼元內(nèi)與碼碼元內(nèi)與接收機(jī)復(fù)制出的接收機(jī)復(fù)制出的P P碼進(jìn)行相關(guān)處理。碼進(jìn)行相關(guān)處理。l在一個(gè)在一個(gè)W W碼碼元內(nèi)進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)（弱）與復(fù)碼碼元內(nèi)進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)（弱）與復(fù)制信號(hào)（強(qiáng)）進(jìn)行相關(guān)。制信號(hào)（強(qiáng)）進(jìn)行相關(guān)。l特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解Y Y碼結(jié)構(gòu)，可測(cè)定雙頻偽碼結(jié)構(gòu)，可測(cè)定雙頻偽距觀測(cè)值，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波距觀測(cè)值，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量較平方法好（信噪波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了比降低了14dB14dB）（4 4）Z Z跟蹤跟蹤3.9 3.9

15、衛(wèi)星的載波信號(hào)及相位測(cè)量原理衛(wèi)星的載波信號(hào)及相位測(cè)量原理3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號(hào)衛(wèi)星的載波信號(hào)3.9.2 GPS3.9.2 GPS衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制3.9.3 GPS3.9.3 GPS衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào)衛(wèi)星信號(hào)的解調(diào)3.9.4 3.9.4 載波相位測(cè)量原理載波相位測(cè)量原理GPSGPS測(cè)量的基本觀測(cè)方程測(cè)量的基本觀測(cè)方程SR( )tR( )tS接收機(jī)根據(jù)自身的鐘在 時(shí)刻復(fù)制信號(hào)的相位tR接收機(jī)根據(jù)自身的鐘在 時(shí)刻所接收到衛(wèi)星在時(shí)刻所發(fā)送信號(hào)的相位tRtS tR tSGPSGPS載波相位測(cè)量的基本原理載波相位測(cè)量的基本原理SR SR)SR ( )tR ( )tS接 收 機(jī) 根 據(jù) 自 身的 鐘 在時(shí) 刻 復(fù)制 信 號(hào) 的 相 位tR接 收 機(jī) 根 據(jù) 自 身的 鐘 在時(shí) 刻 所接 收 到 衛(wèi) 星 在時(shí) 刻 所 發(fā) 送 信 號(hào)的 相 位tRtS tR tS理想