GPS风光无限

GPS风光无限（胡启明）
    GPS（Globle Postioning System）全球定位系统是由美国首先提出并实施的一项高
科技信息工程，其初衰是为军队作战行动提供服务。随着社会发展和科学技术的进步，
GPS技术如今已广泛用于航天、航海、测量和勘察诸多领域，应用形式也变得多种多样，
人们称GPS是继计算机之后的又一场技术革命。现介绍采用伪码技术的GPS和GPS的用户设
备。
一、GPS采用伪码技术的优点
    GPS系统采用伪码扩频调制技术获得下述性能：
1、码分多址识别卫星
    GPS各卫星用相同的频率（ L1、L2）发射信号，这可使用户设备简单些。而用码分
多址方式给县卫星指配不同结构的C／A码和P码，能解决卫星识别问题。
2、抗干扰性能强
    用户设备用相关接收技术，把接收的宽带信号恢复为原窄带信号，使能量集中。把
干扰和噪声变为宽带信号，使能量“分散”，由窄带滤波器保留有用信号，滤去干扰，
提高了抗干扰能力。
3、保密性好
    导航信号经伪码扩频，单位频带内信号功率下降，减小了信号被检测的可能性。要
解出原来的信号则更困难，必须在用户设备中产生同样结构的伪码，才能进行相关接收。
由于P码种类极多，若不是事先约定采用那种结构的P码，而从所有可能的P码中逐个去试
探，进行相关接收是很难实现的，可见P码的保密性好。
    4、测时和测距精度高
    卫星发送的码被用户设备的本地码捕获跟踪后，测得信号传输时间并求出相应卫星
和用户设备之间的伪距离。现可知道P码的速率为10. 23兆比特／秒，码元宽度约为29.3
米，假定码环跟踪精度为码宽的1／10，那么P码的测距误差仅为2.9米。C／A码的测距误
差比P码大10倍。
          二．用户设备
    用户设备种类较多，按用途的不同可分为导航定位型、测量型和授时型三大类；按
适应用户的动态的不同，可分为高动态、中动态和低动态三类；按接收机通道数的不同，
可分为单通道、双通道和多通道三类；按使用信号的不同，可分为单频C／A码、双频P码
和无码三类。还有其他一些分类方法。
    1、用户设备的组成及其特点
    用户设备由天线、接收机、信息处理机、终端显示器四大部分组成。
    在大多数情况下，天线工作在GPS系统规定的一个或两个频率上，提供从天顶到地平
线方向接近各向同性的天线增益。由于卫星发射的是圆极化信号，因而可以采用锥形螺
旋式天线或类似的改进型天线。凡要求使用高性能天线的地方，尤其是接近干扰源的地
方，可以采用波束可控的相控阵天线或自适应天线。接收机用来同时地或时序地接收四
颗卫星发送伯导航信息，完成信号的捕获和跟踪，实现数据恢复，测量伪距离和伪距离
变化率。信息处理机的主要任务是按所要求的坐标系计算出位置和速度，同时完成对接
攸机的控制、卫星和信号的选择，对含有传播效应测量结果的修正，以及通过输入——
输出设备与其它系统及操作人员保持信息联系等。终端显示用于显示用户的三维位置、
速度和时间数据。
    接收机按使用要求（定位精度、用户运动速度和抗干扰能力）的不同分为三类。
    第一类接收机叫“X”型接收机，通常由5个或更多信道组成，每个信道专门接受一
颗卫星的导航信息，能满足运动速度快且要求定位精度高、抗干扰能力强等用户的需要。
这类接收机适用于高速飞行体，如宇宙飞船、导弹、火箭等的定位和导航。
    第二类接收机叫“Y”型接收机，通常由一个信号信道组成，能迅速地（每4毫秒速
度内）按序列接收5颗卫星的信息，能满足运动速度较低但要求定位精度较高和抗干扰
能力较强的用户需要。它比“X”型接收机简单一些，适用于军用飞机等。
    第三类接收机叫“E”型接收机，由一个或两个信道组成，顺序地接收多颗卫星的
信息，其传输速率比较低，通常它适用于那些定位精度要求不高的低速运动用户。因为
这种接收机仅能顺序跟踪4颗卫星，仅接收信号中的粗测码（C／A码），故这种接收机
更为简单，价格成本也比较低。
    上述各类接收机的共同特点是：
    ①接收机必须能够接收弱信号。导航卫星星上功率受到严格限制，卫星离用户又很
远，所以进入接收机天线输入端的功率非常低，约为-154——-163分贝瓦。要接收如此
微弱的信号，必须要采用一些有效措施。因此要求：
    接收天线的增益要高。对于高性能接收机，要采用比较复杂的相控阵天线；对于一
般接收机，采用一种简单的圆锥螺旋型全向增益天线即可。
    前置放大器的噪声要低。应当采用低噪声放大器。
    要采用相关接收技术。为了要从噪声中提取信号，必须采用相关接收技术，即用户
接收机要产生一个本地码，通过与卫星码同步及相关积累处理，进行跟踪。只有在有效
跟踪情况下，才能保证有效接收。
    ②、必须采用微处理机。对接收的领事需要处理，其中轨道参量、卫星位置、定位
计算和坐标变换等都要经过复杂计算，因此接收机要采用微处理机或微计算机。
    2、用户设备的工作过程
    ①卫星选择
    用户设备的第一个运转功能是选择在导航定位中要使用的卫星。GPS是一种单间测距
系统，为了得到用户三个位置的坐标和时间这四个未知数，用户应分别同时测量到四颗
卫星的距离，只有在这些伪距离测定并经过处理之后，才能确定它自己所处的位置，在
某些情况下，当已经精确地知道高度或时间时，作较少的测量也能达到导航定位的目的。
    系统必须要为接收机提供每颗卫星的位置随时间变化的信息（星历数据）。为了便
于进行卫星选择和信号捕获，这样的星历日程表要精确到几千米的范围之内。
    当用户设备获取了有效的卫星星历，并知道近似位置和一天中的时间，处理机就能
执行卫星选择计算。为了尽可能地减少测量误差对位置解的影响，即使得几何精度因子
GDOP尽可能地小，用户应选择那些尽可能大的角间距的卫星，在选择降临的过程中，还
要考虑其他因素，例如卫星信号性能的优劣，避免使用低仰角的卫星（传播误差大）等。
    在选定初始的四颗星座之后，每隔几分钟就观测一次选定的星座。一旦卫星星座的
几何位置发生变化，而又需要保持最小的导航误差时，就应该改变所选择星座。
    ②、卫星信号捕获
    用户设备的第二个运转功能是捕获来自选定卫星的信号，信号捕获的正常方法是先
与C／A码信号取得同步，然后在必要时再转换到与P码信号同步。因此，处理机不仅为接
收机指定应捕获的卫星，而且还必须给出该卫星信号可能产生多普勒频移的估计值。这
是因为对于低速运动的用户来说。±5千赫的多普勒频移范围太大了，提出上述要求对缩
短搜索时间显然是有益的，频率搜索的较为有效的方法是对频率的不确定性进行分割，
并按顺序进行搜索。因此，有了多普勒颇移的估算值，就可以缩小搜索范围减小搜索时
间。
    在卫星信号捕获过程中，频率搜索和C／A码序列相关是同时进行的。在每一个分割
的频率上，使输入信号与选定的并调制在接收机本报信号上的C／A码序列信号（本地跟
踪C／A）相关，并使本地跟踪C／A码序列信号的进间相位发生跳步，直到相关后的信号
电平的积累值越过便由噪声信号电平的积累值时为止。此时频率和码的搜索即完成了。
    在建立了伪噪声序列码的同步之后，便开始序列信号的计时和载波相位的跟踪，在
GPS系统中，任何接收机测量系统的核心部分包括互相作用的跟踪环路：码跟踪环和载
波跟踪环。
    当这两个环进入跟踪状态之后，就以识别出数据的格式的特征（如码位转换点、字
的起点，子帧的起点和Z计数），从而实现数据解调，为导航测量做好各种准备。
    ③、测量
    GPS接收机主要用来测量卫星发射信号的传播时间。它是通过码跟踪环路，将信号的
到达时间与接收的时钟想比较而测得的，接收机的时钟是一种稳定的振荡器和计数器。
该时钟的时间和频率相对于GPS系统时间和频率的偏差并不是重要的，因为这些偏差完全
可以根据导航定位解加以确定。最重要的是振荡频率稳定性，对于按顺序观测卫星信号
的接收机来说，振荡器频率的稳定性尤为重要。
    由于考虑到信号噪声问题，不可能对特定的伪噪声码的前沿到达时间进行直接的时
间测量。为了解决这一问题，必须通过码跟踪环路使本地伪噪声码序列发生器的信号相
位与接收机输入信号的调制相让保持一致，利用输入信号和本地“超前一滞后”伪噪声
码信号发生相关时所恢复的原信号电平，作为跟踪误差的指示。然后再把本地再生码的
计时（HOW字中的Z计数）同接收机跟踪码的计时（跟踪了接收信号的相应的HOW字中的Z
计数）进行比较，从而测出信号的到达时间，这些测量可以笼统地称为伪测距或简称伪
距。
    在伪距测量中。还要测量电高层的信号传播延迟。
    它是通过观测调制在L1和L2频率上的C／A码（最好是P码）信号的到达时间差来计
算的。由于信号在给定的进间内沿着已知路径通电离层时，其附加延迟与载波频率的平
方成反比，因此，利用双频观测可以测定其比例因数。信号在电离层中附加延迟的变化
是相当缓慢的，每分钟至多为毫微秒量级。所以，为校正电离层附加延迟而进行双频观
测，只是间断地进行。对于对流层的信号传播延迟，也需要进行修正，它不需要利用双
频观测，只要利用高度和仰角相关的简单模型，就能把误差减少到可以忽略的程度。
    GPS测量中，除了用码跟踪环来测伪距外，还用载波跟踪环洲一定时间间隔上的距
离差，即相隔一定时间间隔的距离的变化，以给用户提供精确的速度信息，并为码跟踪
环提供相位速率辅助。因为载波跟踪环路可以对进入环路的信号进行相位锁定，这样，
在测量时间间隔内，可以获得因用户和卫星之间的相对运动而产生的总相位变化（以相
位周计），它等效于多普勒相位变化率（即多普勒颇丰）的积分。因此，当接收机按确
定的测量周期，测出载频周数及其变化时，就等效地测出了由于用户和卫星相对运动而
产生的多普勒频率。在知道卫星运动参数的条件下，用户的运动速度信息就解出来了。
    ④、定位计算。
    在每次得到原始的伪距测量值中，首先应修正其传播延迟，其次是修正卫星时钟的
偏差。卫星时钟的偏差（与 GPS系统时间比较）可由地面控制台给出误差模型，而计算
修正量的参数将成为由卫星向用户播发的导航电文组成部分。在原始的伪距离得到修正
之后，其结果就是信号从卫星到用户的真空距离内之传播时间。
    定位过程中的另一个计算是来卫星位置。卫星的位置是根据从卫星发来的皇历表参
数计算出来的。这些参数是特定卫星轨道开普勒精园的具体描述，而其中某些修正项则
用来描述地球扁率和轨道平面的旋转。如果要使整个轨道预报达到所要求的精度（优于
1米），则应该建立完备的轨道解析表达式，这就需要占有更多的参数，其结果将把巨
大的计算负担加到用户肩上，使用户设备变得极其复杂。考虑到这一点，地面控制台预
先进行计算，将一个修正过的开普勒椭园相对于真实轨道的比较数据，以卫星星历参数
形式注入给卫星，由卫星通过它的电文传输给用户。当卫星信号被捕获时，就可以收集
到这些数据。这些数据一小时换一次，以保持所要求的精度。因此，倘若这颗卫星在选
定的星座中保留时间超过一小时，那么就一定能收集到新的卫星星历表参数。
    在每一次进行伪距离测星时，把时间值代人修正过的开普勒精园方程中，就可以计
算出该卫星的精确位置。有了精确的4颗卫星位置和修正过的伪距离，我们就可获得用
户位置解。

摘自《通信机世界》