GPS風(fēng)光無限

GPS風(fēng)光無限（胡啟明）
    GPS（Globle Postioning System）全球定位系統(tǒng)是由美國首先提出并實(shí)施的一項高
科技信息工程，其初衰是為軍隊作戰(zhàn)行動提供服務(wù)。隨著社會發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，
GPS技術(shù)如今已廣泛用于航天、航海、測量和勘察諸多領(lǐng)域，應(yīng)用形式也變得多種多樣，
人們稱GPS是繼計算機(jī)之后的又一場技術(shù)革命�，F(xiàn)介紹采用偽碼技術(shù)的GPS和GPS的用戶設(shè)
備。
一、GPS采用偽碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
    GPS系統(tǒng)采用偽碼擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)獲得下述性能：
1、碼分多址識別衛(wèi)星
    GPS各衛(wèi)星用相同的頻率（ L1、L2）發(fā)射信號，這可使用戶設(shè)備簡單些。而用碼分
多址方式給縣衛(wèi)星指配不同結(jié)構(gòu)的C／A碼和P碼，能解決衛(wèi)星識別問題。
2、抗干擾性能強(qiáng)
    用戶設(shè)備用相關(guān)接收技術(shù)，把接收的寬帶信號恢復(fù)為原窄帶信號，使能量集中。把
干擾和噪聲變?yōu)閷拵�信號，使能量“分散”，由窄帶濾波器保留有用信號，濾去干擾，
提高了抗干擾能力。
3、保密性好
    導(dǎo)航信號經(jīng)偽碼擴(kuò)頻，單位頻帶內(nèi)信號功率下降，減小了信號被檢測的可能性。要
解出原來的信號則更困難，必須在用戶設(shè)備中產(chǎn)生同樣結(jié)構(gòu)的偽碼，才能進(jìn)行相關(guān)接收。
由于P碼種類極多，若不是事先約定采用那種結(jié)構(gòu)的P碼，而從所有可能的P碼中逐個去試
探，進(jìn)行相關(guān)接收是很難實(shí)現(xiàn)的，可見P碼的保密性好。
    4、測時和測距精度高
    衛(wèi)星發(fā)送的碼被用戶設(shè)備的本地碼捕獲跟蹤后，測得信號傳輸時間并求出相應(yīng)衛(wèi)星
和用戶設(shè)備之間的偽距離。現(xiàn)可知道P碼的速率為10. 23兆比特／秒，碼元寬度約為29.3
米，假定碼環(huán)跟蹤精度為碼寬的1／10，那么P碼的測距誤差僅為2.9米。C／A碼的測距誤
差比P碼大10倍。
          二．用戶設(shè)備
    用戶設(shè)備種類較多，按用途的不同可分為導(dǎo)航定位型、測量型和授時型三大類；按
適應(yīng)用戶的動態(tài)的不同，可分為高動態(tài)、中動態(tài)和低動態(tài)三類；按接收機(jī)通道數(shù)的不同，
可分為單通道、雙通道和多通道三類；按使用信號的不同，可分為單頻C／A碼、雙頻P碼
和無碼三類。還有其他一些分類方法。
    1、用戶設(shè)備的組成及其特點(diǎn)
    用戶設(shè)備由天線、接收機(jī)、信息處理機(jī)、終端顯示器四大部分組成。
    在大多數(shù)情況下，天線工作在GPS系統(tǒng)規(guī)定的一個或兩個頻率上，提供從天頂?shù)降仄?br />線方向接近各向同性的天線增益。由于衛(wèi)星發(fā)射的是圓極化信號，因而可以采用錐形螺
旋式天線或類似的改進(jìn)型天線。凡要求使用高性能天線的地方，尤其是接近干擾源的地
方，可以采用波束可控的相控陣天線或自適應(yīng)天線。接收機(jī)用來同時地或時序地接收四
顆衛(wèi)星發(fā)送伯導(dǎo)航信息，完成信號的捕獲和跟蹤，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)，測量偽距離和偽距離
變化率。信息處理機(jī)的主要任務(wù)是按所要求的坐標(biāo)系計算出位置和速度，同時完成對接
攸機(jī)的控制、衛(wèi)星和信號的選擇，對含有傳播效應(yīng)測量結(jié)果的修正，以及通過輸入——
輸出設(shè)備與其它系統(tǒng)及操作人員保持信息聯(lián)系等。終端顯示用于顯示用戶的三維位置、
速度和時間數(shù)據(jù)。
    接收機(jī)按使用要求（定位精度、用戶運(yùn)動速度和抗干擾能力）的不同分為三類。
    第一類接收機(jī)叫“X”型接收機(jī)，通常由5個或更多信道組成，每個信道專門接受一
顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，能滿足運(yùn)動速度快且要求定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)等用戶的需要。
這類接收機(jī)適用于高速飛行體，如宇宙飛船、導(dǎo)彈、火箭等的定位和導(dǎo)航。
    第二類接收機(jī)叫“Y”型接收機(jī)，通常由一個信號信道組成，能迅速地（每4毫秒速
度內(nèi)）按序列接收5顆衛(wèi)星的信息，能滿足運(yùn)動速度較低但要求定位精度較高和抗干擾
能力較強(qiáng)的用戶需要。它比“X”型接收機(jī)簡單一些，適用于軍用飛機(jī)等。
    第三類接收機(jī)叫“E”型接收機(jī)，由一個或兩個信道組成，順序地接收多顆衛(wèi)星的
信息，其傳輸速率比較低，通常它適用于那些定位精度要求不高的低速運(yùn)動用戶。因?yàn)?br />這種接收機(jī)僅能順序跟蹤4顆衛(wèi)星，僅接收信號中的粗測碼（C／A碼），故這種接收機(jī)
更為簡單，價格成本也比較低。
    上述各類接收機(jī)的共同特點(diǎn)是：
    ①接收機(jī)必須能夠接收弱信號。導(dǎo)航衛(wèi)星星上功率受到嚴(yán)格限制，衛(wèi)星離用戶又很
遠(yuǎn)，所以進(jìn)入接收機(jī)天線輸入端的功率非常低，約為-154——-163分貝瓦。要接收如此
微弱的信號，必須要采用一些有效措施。因此要求：
    接收天線的增益要高。對于高性能接收機(jī)，要采用比較復(fù)雜的相控陣天線；對于一
般接收機(jī)，采用一種簡單的圓錐螺旋型全向增益天線即可。
    前置放大器的噪聲要低。應(yīng)當(dāng)采用低噪聲放大器。
    要采用相關(guān)接收技術(shù)。為了要從噪聲中提取信號，必須采用相關(guān)接收技術(shù)，即用戶
接收機(jī)要產(chǎn)生一個本地碼，通過與衛(wèi)星碼同步及相關(guān)積累處理，進(jìn)行跟蹤。只有在有效
跟蹤情況下，才能保證有效接收。
    ②、必須采用微處理機(jī)。對接收的領(lǐng)事需要處理，其中軌道參量、衛(wèi)星位置、定位
計算和坐標(biāo)變換等都要經(jīng)過復(fù)雜計算，因此接收機(jī)要采用微處理機(jī)或微計算機(jī)。
    2、用戶設(shè)備的工作過程
    ①衛(wèi)星選擇
    用戶設(shè)備的第一個運(yùn)轉(zhuǎn)功能是選擇在導(dǎo)航定位中要使用的衛(wèi)星。GPS是一種單間測距
系統(tǒng)，為了得到用戶三個位置的坐標(biāo)和時間這四個未知數(shù)，用戶應(yīng)分別同時測量到四顆
衛(wèi)星的距離，只有在這些偽距離測定并經(jīng)過處理之后，才能確定它自己所處的位置，在
某些情況下，當(dāng)已經(jīng)精確地知道高度或時間時，作較少的測量也能達(dá)到導(dǎo)航定位的目的。
    系統(tǒng)必須要為接收機(jī)提供每顆衛(wèi)星的位置隨時間變化的信息（星歷數(shù)據(jù)）。為了便
于進(jìn)行衛(wèi)星選擇和信號捕獲，這樣的星歷日程表要精確到幾千米的范圍之內(nèi)。
    當(dāng)用戶設(shè)備獲取了有效的衛(wèi)星星歷，并知道近似位置和一天中的時間，處理機(jī)就能
執(zhí)行衛(wèi)星選擇計算。為了盡可能地減少測量誤差對位置解的影響，即使得幾何精度因子
GDOP盡可能地小，用戶應(yīng)選擇那些盡可能大的角間距的衛(wèi)星，在選擇降臨的過程中，還
要考慮其他因素，例如衛(wèi)星信號性能的優(yōu)劣，避免使用低仰角的衛(wèi)星（傳播誤差大）等。
    在選定初始的四顆星座之后，每隔幾分鐘就觀測一次選定的星座。一旦衛(wèi)星星座的
幾何位置發(fā)生變化，而又需要保持最小的導(dǎo)航誤差時，就應(yīng)該改變所選擇星座。
    ②、衛(wèi)星信號捕獲
    用戶設(shè)備的第二個運(yùn)轉(zhuǎn)功能是捕獲來自選定衛(wèi)星的信號，信號捕獲的正常方法是先
與C／A碼信號取得同步，然后在必要時再轉(zhuǎn)換到與P碼信號同步。因此，處理機(jī)不僅為接
收機(jī)指定應(yīng)捕獲的衛(wèi)星，而且還必須給出該衛(wèi)星信號可能產(chǎn)生多普勒頻移的估計值。這
是因?yàn)閷τ诘退龠\(yùn)動的用戶來說�！�5千赫的多普勒頻移范圍太大了，提出上述要求對縮
短搜索時間顯然是有益的，頻率搜索的較為有效的方法是對頻率的不確定性進(jìn)行分割，
并按順序進(jìn)行搜索。因此，有了多普勒頗移的估算值，就可以縮小搜索范圍減小搜索時
間。
    在衛(wèi)星信號捕獲過程中，頻率搜索和C／A碼序列相關(guān)是同時進(jìn)行的。在每一個分割
的頻率上，使輸入信號與選定的并調(diào)制在接收機(jī)本報信號上的C／A碼序列信號（本地跟
蹤C(jī)／A）相關(guān)，并使本地跟蹤C(jī)／A碼序列信號的進(jìn)間相位發(fā)生跳步，直到相關(guān)后的信號
電平的積累值越過便由噪聲信號電平的積累值時為止。此時頻率和碼的搜索即完成了。
    在建立了偽噪聲序列碼的同步之后，便開始序列信號的計時和載波相位的跟蹤，在
GPS系統(tǒng)中，任何接收機(jī)測量系統(tǒng)的核心部分包括互相作用的跟蹤環(huán)路：碼跟蹤環(huán)和載
波跟蹤環(huán)。
    當(dāng)這兩個環(huán)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)之后，就以識別出數(shù)據(jù)的格式的特征（如碼位轉(zhuǎn)換點(diǎn)、字
的起點(diǎn)，子幀的起點(diǎn)和Z計數(shù)），從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)，為導(dǎo)航測量做好各種準(zhǔn)備。
    ③、測量
    GPS接收機(jī)主要用來測量衛(wèi)星發(fā)射信號的傳播時間。它是通過碼跟蹤環(huán)路，將信號的
到達(dá)時間與接收的時鐘想比較而測得的，接收機(jī)的時鐘是一種穩(wěn)定的振蕩器和計數(shù)器。
該時鐘的時間和頻率相對于GPS系統(tǒng)時間和頻率的偏差并不是重要的，因?yàn)檫@些偏差完全
可以根據(jù)導(dǎo)航定位解加以確定。最重要的是振蕩頻率穩(wěn)定性，對于按順序觀測衛(wèi)星信號
的接收機(jī)來說，振蕩器頻率的穩(wěn)定性尤為重要。
    由于考慮到信號噪聲問題，不可能對特定的偽噪聲碼的前沿到達(dá)時間進(jìn)行直接的時
間測量。為了解決這一問題，必須通過碼跟蹤環(huán)路使本地偽噪聲碼序列發(fā)生器的信號相
位與接收機(jī)輸入信號的調(diào)制相讓保持一致，利用輸入信號和本地“超前一滯后”偽噪聲
碼信號發(fā)生相關(guān)時所恢復(fù)的原信號電平，作為跟蹤誤差的指示。然后再把本地再生碼的
計時（HOW字中的Z計數(shù)）同接收機(jī)跟蹤碼的計時（跟蹤了接收信號的相應(yīng)的HOW字中的Z
計數(shù)）進(jìn)行比較，從而測出信號的到達(dá)時間，這些測量可以籠統(tǒng)地稱為偽測距或簡稱偽
距。
    在偽距測量中。還要測量電高層的信號傳播延遲。
    它是通過觀測調(diào)制在L1和L2頻率上的C／A碼（最好是P碼）信號的到達(dá)時間差來計
算的。由于信號在給定的進(jìn)間內(nèi)沿著已知路徑通電離層時，其附加延遲與載波頻率的平
方成反比，因此，利用雙頻觀測可以測定其比例因數(shù)。信號在電離層中附加延遲的變化
是相當(dāng)緩慢的，每分鐘至多為毫微秒量級。所以，為校正電離層附加延遲而進(jìn)行雙頻觀
測，只是間斷地進(jìn)行。對于對流層的信號傳播延遲，也需要進(jìn)行修正，它不需要利用雙
頻觀測，只要利用高度和仰角相關(guān)的簡單模型，就能把誤差減少到可以忽略的程度。
    GPS測量中，除了用碼跟蹤環(huán)來測偽距外，還用載波跟蹤環(huán)洲一定時間間隔上的距
離差，即相隔一定時間間隔的距離的變化，以給用戶提供精確的速度信息，并為碼跟蹤
環(huán)提供相位速率輔助。因?yàn)檩d波跟蹤環(huán)路可以對進(jìn)入環(huán)路的信號進(jìn)行相位鎖定，這樣，
在測量時間間隔內(nèi)，可以獲得因用戶和衛(wèi)星之間的相對運(yùn)動而產(chǎn)生的總相位變化（以相
位周計），它等效于多普勒相位變化率（即多普勒頗豐）的積分。因此，當(dāng)接收機(jī)按確
定的測量周期，測出載頻周數(shù)及其變化時，就等效地測出了由于用戶和衛(wèi)星相對運(yùn)動而
產(chǎn)生的多普勒頻率。在知道衛(wèi)星運(yùn)動參數(shù)的條件下，用戶的運(yùn)動速度信息就解出來了。
    ④、定位計算。
    在每次得到原始的偽距測量值中，首先應(yīng)修正其傳播延遲，其次是修正衛(wèi)星時鐘的
偏差。衛(wèi)星時鐘的偏差（與 GPS系統(tǒng)時間比較）可由地面控制臺給出誤差模型，而計算
修正量的參數(shù)將成為由衛(wèi)星向用戶播發(fā)的導(dǎo)航電文組成部分。在原始的偽距離得到修正
之后，其結(jié)果就是信號從衛(wèi)星到用戶的真空距離內(nèi)之傳播時間。
    定位過程中的另一個計算是來衛(wèi)星位置。衛(wèi)星的位置是根據(jù)從衛(wèi)星發(fā)來的皇歷表參
數(shù)計算出來的。這些參數(shù)是特定衛(wèi)星軌道開普勒精園的具體描述，而其中某些修正項則
用來描述地球扁率和軌道平面的旋轉(zhuǎn)。如果要使整個軌道預(yù)報達(dá)到所要求的精度（優(yōu)于
1米），則應(yīng)該建立完備的軌道解析表達(dá)式，這就需要占有更多的參數(shù)，其結(jié)果將把巨
大的計算負(fù)擔(dān)加到用戶肩上，使用戶設(shè)備變得極其復(fù)雜�？紤]到這一點(diǎn)，地面控制臺預(yù)
先進(jìn)行計算，將一個修正過的開普勒橢園相對于真實(shí)軌道的比較數(shù)據(jù)，以衛(wèi)星星歷參數(shù)
形式注入給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過它的電文傳輸給用戶。當(dāng)衛(wèi)星信號被捕獲時，就可以收集
到這些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一小時換一次，以保持所要求的精度。因此，倘若這顆衛(wèi)星在選
定的星座中保留時間超過一小時，那么就一定能收集到新的衛(wèi)星星歷表參數(shù)。
    在每一次進(jìn)行偽距離測星時，把時間值代人修正過的開普勒精園方程中，就可以計
算出該衛(wèi)星的精確位置。有了精確的4顆衛(wèi)星位置和修正過的偽距離，我們就可獲得用
戶位置解。


摘自《通信機(jī)世界》