发信人: kkk (不装饰你的梦), 信区: ECE
标  题: GPS风光无限(下) 
发信站: 哈工大紫丁香 (2000年06月23日13:24:38 星期五), 站内信件

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》 

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