1、GPS 的基本原理、通訊碼制及定位應用目錄：1全球定位系統(tǒng)的原理及組成1.1 GPS基本原理1.2 GPS的組成2 有關GPS 工作的幾個問題2.1信號與多通道2.2 差分工作方式與獨立工作方式2.3 載波相位與碼相位2.4 操作碼2.5 系統(tǒng)精度3 GPS信號結構3.1 GPS傳輸信號的分類3.2 GPS信號結構3.3 C/A碼3.4 P碼一、全球定位系統(tǒng)的原理及組成1.1 基本原理GPS 系統(tǒng)是由美國國防部的陸海空三軍在70年代聯(lián)合研制的新型衛(wèi)星導航系統(tǒng)它的英文名稱是“Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Positioning

2、System”，其意為“衛(wèi)星測時測距導航全球定位系統(tǒng)”，簡稱GPS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)，具有全能性(陸地、海洋、航空和航天 全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的導航、定位和定時的功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。GPS 的定位原理實質上就是測量學的空間測距定位，利用在平均20200km 高空均勻分布在6個軌道上的24顆衛(wèi)星，發(fā)射測距信號碼和載波，用戶通過接收機接收這些信號測量衛(wèi)星至接收機之距，通過一系列方程演算，便可知地面點位坐標。1.2 GPS的組成GPS 由三部分組成GPS 空間部分、地基監(jiān)控站和GPS 用戶接收機部分1.2.1 GPS空間部分GPS

3、 空間部分由24顆分布在6個等間隔軌道上的衛(wèi)星組成。衛(wèi)星分布可保證全球任何地區(qū)、任何時刻都不少于4顆衛(wèi)星供觀測。24顆衛(wèi)星中3顆作為備份。每個軌道平面上有4顆衛(wèi)星，它們按與地球成55的相同方向運行，空間間隔約為90°. 這些衛(wèi)星工作在2種頻率下1575.42MHz 和1227.6MHz ，通過測量這些衛(wèi)星到達的時間用戶可以用4顆衛(wèi)星確定4個導航參數(shù)：緯度經度、高度和時間。每個GPS 衛(wèi)星都對應一組編號它們有多種編號一般采用PRN （衛(wèi)星所采用的偽隨機噪聲碼）編號。GPS 定位精度高低關鍵在于高穩(wěn)定度的頻率標準，為此每顆GPS 衛(wèi)星都設有兩臺銣原子鐘和兩臺銫原子鐘。1.2.2地基監(jiān)控站

4、地基部分地基監(jiān)控站由一個主控站和四個監(jiān)控站組成。主控站設置在美國大陸四個監(jiān)控站分別設在大西洋太平洋和印度洋訴島嶼上。1.2.3 GPS用戶接收機用戶接收機通過接收多顆衛(wèi)星的信號來解算出自身的位置，以實現(xiàn)定位和導航。GPS 接收機按使用環(huán)境可分為中、低動態(tài)接收機和高動態(tài)接收機；按所收信號可分為單頻C/A碼接收機和雙頻P 碼和Y 碼接收機。GPS 接收機可以捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。對所接收到的GPS 信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS 信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速

5、度和時間。二、有關GPS 工作的幾個問題2.1信號與多通道為了獲得位置坐標，用戶必須從4顆衛(wèi)星獲得信號，這可以通過幾種不同的方法來實現(xiàn)。單通道接收機，接順序接收4顆衛(wèi)星的信號，這種定序可以以1/4-1秒的速率進行，從而使用戶大約每5秒鐘就可以獲得一次定位信息，這種定位系統(tǒng)成本最低。多通道接收機（以5通道為例），5通道接收機可以通過4個通道鎖住4顆衛(wèi)星的信號，第5個通道用于獲取低頻導航數(shù)據(jù)，這種方法得到了最高的信噪比，因為接收到的任何一個給定的衛(wèi)星信號，都是連續(xù)的而不是在1/4個工作周期內。2.2 差分工作方式與獨立工作方式差分工作方式需要兩臺接收機，第一臺接收機（即基準差分臺）的位置準確已知，

6、第二臺通過第一臺接收機的位置來修正自己的位置。通過計算測量距離與真實距離的誤差，基準差分臺能夠計算出衛(wèi)星數(shù)據(jù)中由電離層誤差和星歷表誤差所產生的影響，將此信息傳送到用戶接收機時便能修正此誤差，從而得到更精確的定位。2.3 載波相位與碼相位碼接收機是通過碼相位來測量用戶和衛(wèi)星的偽距的，由于C/A碼片對應空間距離為293米，相位檢測精度能達到1%，所以能得到均方誤差為3米的精度。若測量波長為20厘米的載波相位，同樣1%的測量精度，卻能夠產生相當于1毫米的精度，同時為解決整數(shù)波長的多值性問題校準時間也比較長。2.4 操作碼普通操作碼需要4顆衛(wèi)星，有幾種方式：第一種方式叫做“視野最優(yōu)碼”，能自動確定進入

7、視野的衛(wèi)星中哪4顆衛(wèi)星具有最好的導航定位幾何分布;第二種碼是“全視野碼”，也就是對接收到的所有衛(wèi)星的信號同時進行處理，系統(tǒng)精度會提高20%.第三種碼是高度輔助碼，適于機載應用。這些碼應用時可相互轉換2.5 系統(tǒng)精度GPS 提供2種水平的導航服務精密定位服務PPS 和標準定位服務SPS 。PPS 主要供美國及其盟國的軍用和特殊許可部門。對一般用戶只能使用單頻C/A碼定位。由于美國的GPS 政策所定，使用單頻C/A碼還要受到SA 的影響（即為降低精度而人為加入的一些干擾），因此一般單機定位精度為二維100米左右。對要求高的場合則需采用DGPS 差分工作方式精度可提高到10軍用可到毫米級。3 、GP

8、S 信號結構3.1 GPS傳輸信號的分類進行傳輸?shù)男盘柊姆N不同的信息：第一種是頻率為10.23MHz 的軍用P 碼，P 碼接收機價格昂貴但有三個優(yōu)點：1、它能利用另一個L 波段通道（1227.6MHz ）補償電離層折射誤差。雖然信號通過電離層折射變慢，但這種變化是大氣環(huán)境及時間的函數(shù)。若知道兩個頻率的延遲時間就能對電離層折射引起的誤差進行修正。2、碼速高，使精度提高2倍左右。3、在噪聲環(huán)境中仍有良好性能（適于軍用）。第二種是C/A碼頻率為1.023MHz ，使用該碼的用戶可以得到基本的定位信息。第三種是一種調制在同一載波上的50位/秒的低頻數(shù)據(jù)信號，利用此信息用戶可以計算出當衛(wèi)星發(fā)射用于測

9、量距離的信號時衛(wèi)星所在的位置。每顆衛(wèi)星約一小時對該信息更新一次，獲取此信息需要30秒到40秒的時間。最后一種是載波相位信息，可以用來進行精確的大地測量和其它測量應用。利用載波頻率還可以獲得精確的速度信息。3.2 GPS信號結構GPS 衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導航電文是一種不歸零的二進制數(shù)據(jù)碼,D （t ）碼率fd=50HZ。為了節(jié)省衛(wèi)星的電能、增強GPS 信號的抗干擾、保密性，實現(xiàn)遙遠的衛(wèi)星通訊GPS 衛(wèi)星采用偽噪聲碼對D 碼作二級調制，即先將D 碼調制成偽噪聲碼（P 碼和C/A碼），再將偽噪聲碼調制在L 1、L 2兩種載波上，形成向用戶發(fā)射的GPS 射電信號。因此GPS 信號包括兩種載波（L 1

10、、L 2）和兩種偽噪聲碼（P 碼C/A碼）。這四種GPS 信號的頻率皆源于10.23MHZ （星載原子鐘的基頻）的基準頻率。基準頻率與各信號頻率之間存在一定的比例。其中P 碼為精確碼，美國為了自身的利益只供美國軍方、政府機關以及得到美國政府批準的民用用戶使用。C/A碼為粗碼，其定位和時間精度均低于P 碼。全世界的民用客戶可不受限制地免費使用。GPS 衛(wèi)星信號包括三種信號分量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。時鐘頻率f 0=10.23MHz利用頻率綜合器產生所需要的頻率。GPS 信號的產生過程如圖2.1所示GPS 使用的L 波段配有兩種載波載波L : fL1=154Xf0=1545.42MHz波長為19.

11、03cm載波L : fL1=120Xf0=1545.60MHz波長為24.42cm兩載波之間頻率差為347.82MHz 等于L 的28.3%，選擇這兩個載波目的在于測量出或消除由于電離層效應而引起的延遲誤差。數(shù)據(jù)流和兩種偽隨機碼分別以同相和正交方式調制在L 載波上。其完整的信號結構為：S L1(t=AP P i Di (tcos(L1t+AC C i (tsin(L1t+在L 2載波上只用P 碼進行雙相調制其信號結構為：S L2（t ）=BP P i (t Di (tcos(L2t+式中：A p ，B p ，Ac 分別為P 碼和C/A碼的振幅；P i (t，C i (t分別為精測距碼P 碼和粗

12、測距碼C/A碼；D i (t為衛(wèi)星電文的數(shù)據(jù)流；L1, ，L2分別為載波L 1和L 2的角頻率；，分別為信號的起始相位。根據(jù)這一原理，然后向全球發(fā)射形成現(xiàn)在隨時隨地都能接收到的信號。3.3 C/A碼C/A碼是用于跟蹤、鎖定和測量的偽隨機碼。它是由m 序列優(yōu)選對組合碼形成的Gold 碼G 碼。G 碼是由兩個長度相等而互相關極大值最小的m 序列碼逐位進行模2相加構成的。改變產生它的兩個m 序列的相對相位，就可以得到不同的碼。對于長度為N=2n -1的m 序列，每兩個碼可以產生N 個G 碼。G 碼最主要的優(yōu)點在于廣泛用于多址通信。這是GPS 采用G 碼作為C/A碼的主要原因。C/A碼是兩個10級反饋

13、移位寄存器構成的G 碼產生的。兩個移位寄存器于每星期日子夜零時，在置1脈沖作用下全處于1狀態(tài)，同時在碼率1.023MHz 驅動下，兩個移位寄存器分別產生碼長為N=210-1=1023，周期為1ms 的兩個m 序列，然后與G (t和G (t。其中G (t序列經過相位選擇器，輸入一個與G (t平移等價的m 序列，然后與G (t模2相加便得到C/A碼即C/A(t= G (tG (t+it0采用不同的it 0值，可以產生1023個G 2(t 。再加上G 1(t和G 2(t本身，一共可以產生1025個結構不同的C/A碼提供選用。這些C/A碼具有相同的碼長Nu=210-1=1023bit，相同的碼元寬t

14、u =1/f1=0.98s ，相當于293.1m ，以及相同的周期Tu=Ntu =1ms 。從這些G(t碼中選擇32個碼以PRN1, ,PRN32命名各個GPS 衛(wèi)星。由于C/A碼長很短，可在1s 時間內搜索1000次，所以C/A碼除了用于捕獲衛(wèi)星信號外，還可以過渡到捕獲P 碼。C/A碼的碼元寬度較大若兩個序列的碼元測量誤差為碼寬的1/10、1/20、1/100此時相應的測距誤差為29.3-2.93m 現(xiàn)在導航接收機的偽距測量分辨率可達到0.1m3.4 P碼P 碼是GPS 的精測碼，碼率為10.23MHz 。它是由兩個偽隨機碼PN 1(t和PN 2(t相乘而成。PN 1(t是由兩級12位移位寄

15、存器構成的。兩個移位寄存器分別采用反饋點八進制編碼14501和17147形成周期為1.5s 的m 序列PN 1(t一周期的碼位數(shù)為：N 1=10.23X106X1.5=15.345X106位PN 2(t是由另兩級12位移位寄存器構成的。兩個移位寄存器分別采用反饋點八進制編碼17673和11435形成兩個m 序列。碼率與PN (t相同但碼位比PN (t多37個碼元即碼長N 2=15.345X106+37因此P 碼為 P(t= PN1(t PN2(t+ni 0n i 36相的碼元數(shù)為: N= N1N 2=2.35X1014相應的周期數(shù)為: Tp=N/fp=267 天 , (若38周在P(t中, ni 可取0,1,2, ,36這樣可得到37種P 碼。在實際應用中P 碼采用7天的周期，即規(guī)定碼P(tPN1(t PN2(t+ni 在每星期六午夜零時置全“1”狀態(tài)作為起始點，然后從中截取一段周期為7天的碼作為P 碼，一共取得37個P 碼。32個供GPS 衛(wèi)星使用，5個供地面監(jiān)測站使用。這樣保證GPS 正常工作的唯一