GPS利用码测距码测定卫地距离

1、作业题：如何利用码/测距码测定卫地距离？ 测距码是用以测定从卫星至地面测站(接收机)间距离的一种二进制码序列。利用测距码测定卫地间的伪距的基本原理如下：首先假设卫星钟和接收机钟均无误差，都能与标准的GPS时间保持严格同步。在某一时刻，卫星在卫星钟的控制下发出某一结构的测距码，与此同时接收机则在接收机钟的控制下产生或者说复制出结构完全相同的测距码(以下简称复制码)。由卫星所产生的测距码t时间的传播后到达接收机并被接收机所接收。由接收机所产生的复制码则经过一个时间延迟器延迟时间后与接收到的卫星信号进行比对。如果这两个信号尚未对齐，就调整延迟时间，直至这两个信号对齐为止。此时复制码的延迟时间就等于卫

2、星信号的传播时间t，将其乘以真空中的光速c后即可得卫地间的伪距； = * c = t * c由于卫星钟和接收机钟实际上均不可避免地存在误差，故用上述方法求得的距离p将受到这两台钟不同步的误差影响；此外，卫星信号还需穿过电离层和对流层后才能到达地面测站，在电离层和对流层中信号的传播速度c等误差，而接收机是限据这两组信号的相关系数尺是否为l来加以判断的。设比对时刻为t，某一结构的测距码用u(t)来表示，于是接收到的来自卫星的测距码可写为u(t - t)，其中t为信号传播时间。经延迟器延迟后的复制码可写为u(t - )，其中为延迟时间。我们把这两组信号的乘积在积分间隔T中的积分平均值R称为这两组信号

3、的相关系数，即 R=1/TTu(t - t) * u(t - )dt为此我们想用测距码釆测定伪距，其先决条件是接收机必须能产生相同结构的测距码(复制码)。然后不断变动延迟时间(这一过程称为搜索卫星信号)，直至相关系数R=1时为止(此时称为卫星信号已锁定)。（1） 什么是码，怎样产生？ （1）码是指一种表达信息的二进制数及其组合，是一组二进制的数码序列，如果将各种信息按某种预定的规则，表示为二进制数的组合，则称这一过程为编码。一组二进制数的码序列，又可以看作是以0和l为幅度的时间函数(图21)，用记号u(t)表示。如果一组码序列u（t），对某个时刻t，码元是0或l完全是随机的，但其出现的概率均为

4、l2。这种码元幅值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。 （2）虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的码序列，没有确定的编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此，为了能够实际应用，GPS采用了一种伪随机噪声码(pseudorandomnoise，PRN)，简称伪随机码或伪码。这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的、可人工复制的码序列。伪随机码由多级反馈移位寄存器产生。这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有“0”或“1”两种状态，并接受钟脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制。（3） GPS卫星发

5、射两种测距码信号，即C/A码和P码，两者都是伪随机噪声码。 C/A码由两个10级反馈移位寄存器相组合产生。CA码的码长、码元宽度、周期和数码率为：码长Nu210-11023 bit；码元宽度tu0.97752s，相应长度293.1m；周期TuNutulms；数码率BPS1.023Mbits。C/A码具有的特点：CA码的码长很短，易于捕获。也称为捕获码；CA码的码元宽度较大。也称为粗码。P码P码由两组各有两个12级反馈移位寄存器的电路发生，其基本原理与CA码相似，但其线路设计细节远比CA码复杂并且严格保密。P码的特征是：码长Nu2.35*1014 bit；码元宽度tu0.97752s，相应长度2

6、9.3m；周期TuNutu267d；数码率BPS10.23Mbits。（2） 信号接收机上的码是如何生成？GPS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。主要结构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。图219描述了GPS信号接收机的构成概况。(1) GPS信号接收机的天线单元由接收天线和前置放大器两大部分组成。天线的基本作用是把来自卫星的微弱能量转化为相应的电流量。前置放大器作用是将GPS信

7、号电流予以放大，并进行变频，即将中心频率为1575.42（L1载波）与1227.60MHz（L2载波）的高频信号变换为低一两个数量级的中频信号。 (2)GPS信号接收机的接收单元主要由信号通道单元、存储单元、计算和显示控制单元、电源等四个部分组成。 信号通道是接收单元的核心部分，由硬件和软件组合而成。信号通道有平方型、码相位型和相关型等3种不同类型。平方型通道采用平方解调技术。假定，接收机收到的卫星 信号分量为 f(t)=c(t)*cos(t+0)平方后得 f2(t)=c2(t)*cos2(t + 0)式中，c(t)为调制码振幅，其值为十1或一l，平方后有c2(t)1。于是有 f2(t)=1+

8、 cos(t+20)2这说明接收到的卫星信号经平方后，调制码信号(CA码、P码和数据码)完全被消除，而得到频率为原载波频率2倍的纯载波信号(称为重建载波)，利用该信号便可进行精密的载波相位测量。码相位型通道所得到的信号不是重建载波，而是一种所谓码率正弦波(图2-21)。它是由从A点输入的接收码(CA码或P码)乘以延迟了l2码元宽度的时延码而得到。相关型通道主要由伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路两大部分组成。伪噪声码跟踪环路用于从CA码或P码中提取伪距观测量，并通过对卫星信号的解调，获取仅含导航电文和载波的解扩信号。载波跟踪环路的主要作用是根据已除去测距码的解扩信号实现载波相位测量，并解调出导航电

9、文(数据码)。GPS信号接收机内都设有存储器以存储所解译的GPS卫星星历、伪距观测量和载波相位观测量，以及各种测站信息数据。保存在接收机内存中的数据可以通过数据传输接口输入到微机内，以便保存和处理观测数据。计算和显示控制单元由微处理器和显示器构成。 GPS信号接收机一般采用蓄电池作电源，机内往往配备锂电池，用于为RAM存储器供电，以防止关机后数据丢失。（3） 码如何相关，求取时间？ 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。自相关函数的严格表达式是 R（t）=1/T0T U(t - t)* U(t - )dt式中，t为测距码信号的传播时间；为接收机复制码延迟；U(t - t)为测距码信号；U(t - )为接收机复制码信号；T为测距码信号周期。自相关函数具有下述3种可能的状态： （1)当t=时，由于两个码序列的结构相同，测距码序列与复制码序列完全对齐(图2-4(a)，因而任意时刻两个码的状态相同，其乘积码恒等于l。 （2)t-=tu时，即两个码序列错开一个码元。 （3)t-tu时，也就是当两个码序列错开不足一个码