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GPS风光无限

2/14/2005来源:卫星通信人气:10149

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》