-偽距載波相位測量原理

1、小結小結載波重建載波重建碼相關法碼相關法平方法平方法互相關（交叉相關）技術互相關（交叉相關）技術載波相位測量載波相位測量3.8 偽距測量原理偽距測量原理測距方法測距方法雙程測距用于電磁波測距儀單程測距用于GPS測距碼測距碼C/A碼碼P碼碼碼相關偽距測量原理碼相關偽距測量原理 碼相關法偽距測量是通過調(diào)整自相碼相關法偽距測量是通過調(diào)整自相關函數(shù)關函數(shù)R(t)R(t)的值，測定測距碼信號由衛(wèi)星到的值，測定測距碼信號由衛(wèi)星到達測站的傳播時間實現(xiàn)的。達測站的傳播時間實現(xiàn)的。偽距測量原理當衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號經(jīng)過t秒傳播后到達接收機時，接收機產(chǎn)生一個結構完全相同的復制碼序列，并在延時器的控制下不斷調(diào)整值，

2、直到R(t)=1為止。此時，t = ，也就是說t可被測定。傳輸時間t乘以光速c可以獲得衛(wèi)星到測量站的距離。t包含衛(wèi)星鐘和接收機鐘的不同步誤差，因此測量出來的距離叫做偽距。6信號傳播時間測距碼測距原理測距碼測距原理距離測定的基本思路距離測定的基本思路信號（測距碼）傳播時間的測定信號（測距碼）傳播時間的測定dttUttUTtRT)()(1)(/0相關系數(shù)：ctc信號傳播時間的測定信號傳播時間的測定測距碼測距原理測距碼測距原理利用測距碼測距的必要利用測距碼測距的必要條件條件l必須了解測距碼的結構必須了解測距碼的結構利用測距碼進行測距的利用測距碼進行測距的優(yōu)點優(yōu)點l易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號易于捕獲微弱的

3、衛(wèi)星信號l可提高測距精度可提高測距精度l便于對系統(tǒng)進行控制和管便于對系統(tǒng)進行控制和管理（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噪聲碼偽隨機噪聲碼l碼相關偽距測量碼相關偽距測量 特點特點 定位速度快，實時定位定位速度快，實時定位 精度較高精度較高 對信號的強度要求不高對信號的強度要求不高3.9 3.9 衛(wèi)星的載波信號及相位測量原理衛(wèi)星的載波信號及相位測量原理3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號衛(wèi)星的載波信號3.9.2 GPS3.9.2 GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制3.9.3 GPS3.9.3 GPS衛(wèi)星信號的解調(diào)衛(wèi)星信號的解調(diào)3.9.4

4、3.9.4 載波相位測量原理載波相位測量原理GPSGPS衛(wèi)星的測距碼信號和導航電文信號都屬于衛(wèi)星的測距碼信號和導航電文信號都屬于低頻低頻信號信號其中其中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( (導航電文，又稱為數(shù)據(jù)碼導航電文，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)星離地面遠達衛(wèi)星離地面遠達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)碼率很低的信號傳輸?shù)降?/p>

5、面。碼率很低的信號傳輸?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，解決這一難題的辦法，就是另外發(fā)射一種高頻信號，并將低頻的測距碼信號和導航電文信號加載到這一并將低頻的測距碼信號和導航電文信號加載到這一高頻信號上，構成一高頻的已調(diào)波發(fā)射給地面。高頻信號上，構成一高頻的已調(diào)波發(fā)射給地面。 3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號衛(wèi)星的載波信號GPSGPS衛(wèi)星的基準頻率衛(wèi)星的基準頻率 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)生原子鐘的基準頻率為原子鐘的基準頻率為10.2310.23MHzMHz衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的倍衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的

6、倍頻或分頻頻或分頻3.9 3.9 衛(wèi)星的載波信號及相位測量原理衛(wèi)星的載波信號及相位測量原理3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號衛(wèi)星的載波信號3.9.2 GPS3.9.2 GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制3.9.3 GPS3.9.3 GPS衛(wèi)星信號的解調(diào)衛(wèi)星信號的解調(diào)3.9.4 3.9.4 載波相位測量原理載波相位測量原理GPSGPS衛(wèi)星信號的組成部分衛(wèi)星信號的組成部分l載波（載波（CarrierCarrier）L1L1L2L2l測距碼（測距碼（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（導航）電文（衛(wèi)星（導航）電文（MessageMessage）載波作用l搭載其它調(diào)制信號l測距l(xiāng)測定多普勒頻移類型l目前L1 頻率： 154f0 = 1575.43MHz；波長：19.03cmL2 頻率： 120f0 = 1227.60MHz；波長：24.42cml現(xiàn)代化后增加L5 頻率：115f0 = 1176.45MHz；波長：25.48cm測距碼的調(diào)制與解調(diào)測距碼的調(diào)制與解調(diào) 在數(shù)字通訊技術中，為了有效地傳播信息，在數(shù)字通訊技術中，為了有效地傳播信息，一般均將低頻信號加載到高頻的載波上，一般均將低頻信號加載到高頻的載波上，這時原

8、低頻信號稱為調(diào)制信號，而加載信這時原低頻信號稱為調(diào)制信號，而加載信號后的載波就稱為已調(diào)波。號后的載波就稱為已調(diào)波。 GPSGPS信號調(diào)制，是采用調(diào)相技術實現(xiàn)的。信號調(diào)制，是采用調(diào)相技術實現(xiàn)的。衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制模二和模二和l運算規(guī)則運算規(guī)則l二進制信號：二進制信號：“1”1”表示二進制表示二進制“0”0”，“-1”-1”表示二表示二進制進制“1”1”，則，則3.9 3.9 衛(wèi)星的載波信號及相位測量原理衛(wèi)星的載波信號及相位測量原理3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號衛(wèi)星的載波信號3.9.2 GPS3.9.2 GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制3.9.3 GPS3.9.3

9、GPS衛(wèi)星信號的解調(diào)衛(wèi)星信號的解調(diào)3.9.4 3.9.4 載波相位測量原理載波相位測量原理載波相位測量的特點載波相位測量的特點優(yōu)點：測距精度高，可達優(yōu)點：測距精度高，可達0.1mm0.1mm量級量級難點：難點：重建載波重建載波存在整周數(shù)不確定問題存在整周數(shù)不確定問題存在整周跳變問題存在整周跳變問題重建載波重建載波問題的產(chǎn)生問題的產(chǎn)生調(diào)制了測距碼和調(diào)制了測距碼和導航電文后，載導航電文后，載波將不連續(xù)波將不連續(xù)要測定載波相位，要測定載波相位，必須設法使不連必須設法使不連續(xù)的載波信號恢續(xù)的載波信號恢復為連續(xù)的載波復為連續(xù)的載波信號信號重建載波重建載波定義：將非連續(xù)載波信號恢復成連續(xù)載波定義：將非連續(xù)

10、載波信號恢復成連續(xù)載波信號的過程信號的過程方法：方法：(1)-(1)-碼相關法碼相關法 (2)-(2)-平方法平方法(3)-(3)-互相關（交叉相關）技術互相關（交叉相關）技術( (補補) )(4)-Z(4)-Z跟蹤技術（補）跟蹤技術（補）重建載波l將非連續(xù)的載波信號恢復成連續(xù)的載波信號。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)的波偽距測量與載波相位測量偽距測量與載波相位測量 碼相關法碼相關法l將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）與接收機產(chǎn)生的復制碼信號）與接收機產(chǎn)生的復制碼相乘。相乘。衛(wèi)星信號的生成接收機重建載波(c )2002, 黃勁松碼相關法

11、碼相關法碼相關法碼相關法l技術要點技術要點衛(wèi)星信號（弱）與接收機信號（強）衛(wèi)星信號（弱）與接收機信號（強）相乘。相乘。l特點特點限制：需要了解碼的結構。限制：需要了解碼的結構。優(yōu)點：可獲得導航電文，可獲得全波優(yōu)點：可獲得導航電文，可獲得全波長的載波，信號質(zhì)量好（信噪比高）長的載波，信號質(zhì)量好（信噪比高） 將所接收將所接收到的調(diào)制信號到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）自（衛(wèi)星信號）自乘。乘。平方法平方法l技術要點技術要點衛(wèi)星信號（弱）自乘。衛(wèi)星信號（弱）自乘。l特點特點優(yōu)點：無需了解碼的結構優(yōu)點：無需了解碼的結構缺點：無法獲得導航電文，所獲缺點：無法獲得導航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信載波波長為

12、原來波長的一半，信號質(zhì)量較差（信噪比低，降低了號質(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（衛(wèi)星信號）信號（衛(wèi)星信號）進行相關處理，獲進行相關處理，獲取兩個頻率間的偽取兩個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（交叉相關）互相關（交叉相關）l技術要點技術要點不同頻率的衛(wèi)星信號（弱）進不同頻率的衛(wèi)星信號（弱）進行相關。行相關。l特點特點優(yōu)點：無需了解優(yōu)點：無需了解Y Y碼的結構，碼的結構，可獲得導航電文，可獲得全波可獲得導航電文，可獲得全波波長的

13、載波，信號質(zhì)量較平方波長的載波，信號質(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（交叉相關）互相關（交叉相關）Z Z跟蹤技術跟蹤技術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跟蹤技術跟蹤技術l原理原理l將衛(wèi)星信號在一個將衛(wèi)星信號在一個W W碼碼碼碼元內(nèi)與接收機復制出的元內(nèi)與接收機復制出的P P碼進行相關處理碼進行相關處理碼碼碼碼碼元內(nèi)在一個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技術要點：將衛(wèi)星信號在一個技術要點：將衛(wèi)星信號在一個W W碼碼元內(nèi)與碼碼元內(nèi)與接收機復制出的接收機復制出的P P碼進行相關處理。碼進行相關處理。l在一個在一個W W碼碼元內(nèi)進行衛(wèi)星信號（弱）與復碼碼元內(nèi)進行衛(wèi)星信號（弱）與復制信號（強）進行相關。制信號（強）進行相關。l特點特點優(yōu)點：無需了解優(yōu)點：無需了解Y Y碼結構，可測定雙頻偽碼結構，可測定雙頻偽距觀測值，可獲得導航電文，可獲得全波距觀測值，可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪波長的載波，信號質(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)星的載波信號及相位測量原理衛(wèi)星的載波信號及相位測量原理3.9.1 GPS3.9.1 GPS衛(wèi)星的載波信號衛(wèi)星的載波信號3.9.2 GPS3.9.2 GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制衛(wèi)星信號的調(diào)制3.9.3 GPS3.9.3 GPS衛(wèi)星信號的解調(diào)衛(wèi)星信號的解調(diào)3.9.4 3.9.4 載波相位測量原理載波相位測量原理GPSGPS測量的基本觀測方程測量的基本觀測方程SR( )tR( )tS接收機根據(jù)自身的鐘在 時刻復制信號的相位tR接收機根據(jù)自身的鐘在 時刻所接收到衛(wèi)星在時刻所發(fā)送信號的相位tRtS tR tSGPSGPS載波相位測量的基本原理載波相位測量的基本原理SR SR)SR ( )tR ( )tS接 收 機 根 據(jù) 自 身的 鐘 在時 刻 復制 信 號 的 相 位tR接 收 機 根 據(jù) 自 身的 鐘 在時 刻 所接 收 到 衛(wèi) 星 在時 刻 所 發(fā) 送 信 號的 相 位tRtS tR tS理想