GPS利用碼測距碼測定衛(wèi)地距離

1、作業(yè)題：如何利用碼/測距碼測定衛(wèi)地距離？ 測距碼是用以測定從衛(wèi)星至地面測站(接收機(jī))間距離的一種二進(jìn)制碼序列。利用測距碼測定衛(wèi)地間的偽距的基本原理如下：首先假設(shè)衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘均無誤差，都能與標(biāo)準(zhǔn)的GPS時間保持嚴(yán)格同步。在某一時刻，衛(wèi)星在衛(wèi)星鐘的控制下發(fā)出某一結(jié)構(gòu)的測距碼，與此同時接收機(jī)則在接收機(jī)鐘的控制下產(chǎn)生或者說復(fù)制出結(jié)構(gòu)完全相同的測距碼(以下簡稱復(fù)制碼)。由衛(wèi)星所產(chǎn)生的測距碼t時間的傳播后到達(dá)接收機(jī)并被接收機(jī)所接收。由接收機(jī)所產(chǎn)生的復(fù)制碼則經(jīng)過一個時間延遲器延遲時間后與接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行比對。如果這兩個信號尚未對齊，就調(diào)整延遲時間，直至這兩個信號對齊為止。此時復(fù)制碼的延遲時間就等于衛(wèi)

2、星信號的傳播時間t，將其乘以真空中的光速c后即可得衛(wèi)地間的偽距； = * c = t * c由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘實(shí)際上均不可避免地存在誤差，故用上述方法求得的距離p將受到這兩臺鐘不同步的誤差影響；此外，衛(wèi)星信號還需穿過電離層和對流層后才能到達(dá)地面測站，在電離層和對流層中信號的傳播速度c等誤差，而接收機(jī)是限據(jù)這兩組信號的相關(guān)系數(shù)尺是否為l來加以判斷的。設(shè)比對時刻為t，某一結(jié)構(gòu)的測距碼用u(t)來表示，于是接收到的來自衛(wèi)星的測距碼可寫為u(t - t)，其中t為信號傳播時間。經(jīng)延遲器延遲后的復(fù)制碼可寫為u(t - )，其中為延遲時間。我們把這兩組信號的乘積在積分間隔T中的積分平均值R稱為這兩組信號

3、的相關(guān)系數(shù)，即 R=1/TTu(t - t) * u(t - )dt為此我們想用測距碼釆測定偽距，其先決條件是接收機(jī)必須能產(chǎn)生相同結(jié)構(gòu)的測距碼(復(fù)制碼)。然后不斷變動延遲時間(這一過程稱為搜索衛(wèi)星信號)，直至相關(guān)系數(shù)R=1時為止(此時稱為衛(wèi)星信號已鎖定)。（1） 什么是碼，怎樣產(chǎn)生？ （1）碼是指一種表達(dá)信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合，是一組二進(jìn)制的數(shù)碼序列，如果將各種信息按某種預(yù)定的規(guī)則，表示為二進(jìn)制數(shù)的組合，則稱這一過程為編碼。一組二進(jìn)制數(shù)的碼序列，又可以看作是以0和l為幅度的時間函數(shù)(圖21)，用記號u(t)表示。如果一組碼序列u（t），對某個時刻t，碼元是0或l完全是隨機(jī)的，但其出現(xiàn)的概率均為

4、l2。這種碼元幅值是完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機(jī)噪聲碼序列。 （2）雖然隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)特性，但由于它是一種非周期性的碼序列，沒有確定的編碼規(guī)則，所以實(shí)際上無法復(fù)制和利用。因此，為了能夠?qū)嶋H應(yīng)用，GPS采用了一種偽隨機(jī)噪聲碼(pseudorandomnoise，PRN)，簡稱偽隨機(jī)碼或偽碼。這種碼序列的主要特點(diǎn)是，不僅具有類似隨機(jī)碼的良好自相關(guān)特性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。它是周期性的、可人工復(fù)制的碼序列。偽隨機(jī)碼由多級反饋移位寄存器產(chǎn)生。這種移位寄存器由一組連接在一起的存儲單元組成，每個存儲單元只有“0”或“1”兩種狀態(tài)，并接受鐘脈沖和置“1”脈沖的驅(qū)動和控制。（3） GPS衛(wèi)星發(fā)

5、射兩種測距碼信號，即C/A碼和P碼，兩者都是偽隨機(jī)噪聲碼。 C/A碼由兩個10級反饋移位寄存器相組合產(chǎn)生。CA碼的碼長、碼元寬度、周期和數(shù)碼率為：碼長Nu210-11023 bit；碼元寬度tu0.97752s，相應(yīng)長度293.1m；周期TuNutulms；數(shù)碼率BPS1.023Mbits。C/A碼具有的特點(diǎn)：CA碼的碼長很短，易于捕獲。也稱為捕獲碼；CA碼的碼元寬度較大。也稱為粗碼。P碼P碼由兩組各有兩個12級反饋移位寄存器的電路發(fā)生，其基本原理與CA碼相似，但其線路設(shè)計細(xì)節(jié)遠(yuǎn)比CA碼復(fù)雜并且嚴(yán)格保密。P碼的特征是：碼長Nu2.35*1014 bit；碼元寬度tu0.97752s，相應(yīng)長度2

6、9.3m；周期TuNutu267d；數(shù)碼率BPS10.23Mbits。（2） 信號接收機(jī)上的碼是如何生成？GPS信號接收機(jī)GPS信號接收機(jī)是用來接收、處理和測量GPS衛(wèi)星信號的專門設(shè)備。主要結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。天線單元的主要功能是將GPS衛(wèi)星信號的非常微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為電流，并對這種信號電流進(jìn)行放大和變頻處理。而接收單元的主要功能則是對經(jīng)過放大和變頻處理的信號電流進(jìn)行跟蹤、處理和測量。圖219描述了GPS信號接收機(jī)的構(gòu)成概況。(1) GPS信號接收機(jī)的天線單元由接收天線和前置放大器兩大部分組成。天線的基本作用是把來自衛(wèi)星的微弱能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流量。前置放大器作用是將GPS信

7、號電流予以放大，并進(jìn)行變頻，即將中心頻率為1575.42（L1載波）與1227.60MHz（L2載波）的高頻信號變換為低一兩個數(shù)量級的中頻信號。 (2)GPS信號接收機(jī)的接收單元主要由信號通道單元、存儲單元、計算和顯示控制單元、電源等四個部分組成。 信號通道是接收單元的核心部分，由硬件和軟件組合而成。信號通道有平方型、碼相位型和相關(guān)型等3種不同類型。平方型通道采用平方解調(diào)技術(shù)。假定，接收機(jī)收到的衛(wèi)星 信號分量為 f(t)=c(t)*cos(t+0)平方后得 f2(t)=c2(t)*cos2(t + 0)式中，c(t)為調(diào)制碼振幅，其值為十1或一l，平方后有c2(t)1。于是有 f2(t)=1+

8、 cos(t+20)2這說明接收到的衛(wèi)星信號經(jīng)平方后，調(diào)制碼信號(CA碼、P碼和數(shù)據(jù)碼)完全被消除，而得到頻率為原載波頻率2倍的純載波信號(稱為重建載波)，利用該信號便可進(jìn)行精密的載波相位測量。碼相位型通道所得到的信號不是重建載波，而是一種所謂碼率正弦波(圖2-21)。它是由從A點(diǎn)輸入的接收碼(CA碼或P碼)乘以延遲了l2碼元寬度的時延碼而得到。相關(guān)型通道主要由偽噪聲碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路兩大部分組成。偽噪聲碼跟蹤環(huán)路用于從CA碼或P碼中提取偽距觀測量，并通過對衛(wèi)星信號的解調(diào)，獲取僅含導(dǎo)航電文和載波的解擴(kuò)信號。載波跟蹤環(huán)路的主要作用是根據(jù)已除去測距碼的解擴(kuò)信號實(shí)現(xiàn)載波相位測量，并解調(diào)出導(dǎo)航電

9、文(數(shù)據(jù)碼)。GPS信號接收機(jī)內(nèi)都設(shè)有存儲器以存儲所解譯的GPS衛(wèi)星星歷、偽距觀測量和載波相位觀測量，以及各種測站信息數(shù)據(jù)。保存在接收機(jī)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)傳輸接口輸入到微機(jī)內(nèi)，以便保存和處理觀測數(shù)據(jù)。計算和顯示控制單元由微處理器和顯示器構(gòu)成。 GPS信號接收機(jī)一般采用蓄電池作電源，機(jī)內(nèi)往往配備鋰電池，用于為RAM存儲器供電，以防止關(guān)機(jī)后數(shù)據(jù)丟失。（3） 碼如何相關(guān)，求取時間？ 碼相關(guān)法偽距測量是通過調(diào)整自相關(guān)函數(shù)R(t)的值，測定測距碼信號由衛(wèi)星到達(dá)測站的傳播時間實(shí)現(xiàn)的。自相關(guān)函數(shù)的嚴(yán)格表達(dá)式是 R（t）=1/T0T U(t - t)* U(t - )dt式中，t為測距碼信號的傳播時間；為接收機(jī)復(fù)制碼延遲；U(t - t)為測距碼信號；U(t - )為接收機(jī)復(fù)制碼信號；T為測距碼信號周期。自相關(guān)函數(shù)具有下述3種可能的狀態(tài)： （1)當(dāng)t=時，由于兩個碼序列的結(jié)構(gòu)相同，測距碼序列與復(fù)制碼序列完全對齊(圖2-4(a)，因而任意時刻兩個碼的狀態(tài)相同，其乘積碼恒等于l。 （2)t-=tu時，即兩個碼序列錯開一個碼元。 （3)t-tu時，也就是當(dāng)兩個碼序列錯開不足一個碼