1 全球定位系统的原理及组成
1.1 基本原理
GPS 系统是由美国国防部的陆海空三军在70 年代联合研制的新
型卫星导航系统它的英文名称是 “ Navigation Satellite Timing And
Ranging / Global Positioning System” 其意为“卫星测时测距导航全
球定位系统” 简称GPS 系统该系统是以卫星为基础的无线电导航
定位系统具有全能性(陆地海洋航空和航天) 全球性全天候
连续性和实时性的导航定位和定时的功能能为各类用户提供精密
的三维坐标速度和时间
GPS 的定位原理实质上就是测量学的空间测距定位利用在平均
20200km 高空均匀分布在6 个轨道上的24 颗卫星发射测距信号码
和载波用户通过接收机接收这些信号测量卫星至接收机之距通过
一系列方程演算便可知地面点位坐标
1.2 GPS 的组成
GPS 由三部分组成GPS 空间部分地基监控站和GPS 用户接
收机部分
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1.2.1 GPS 空间部分
GPS 空间部分由24 颗分布在6 个等间隔轨道上的卫星组成卫
星分布可保证全球任何地区任何时刻都不少于4 颗卫星供观测24
颗卫星中3 颗做为备份每个轨道平面上有4 颗卫星它们按与地球
成55 的相同方向运行空间间隔约为90 这些卫星工作在2 种
频率下1575.42MHz 和1227.6MHz 通过测量这些卫星到达的时间
用户可以用4 颗卫星确定4 个导航参数纬度经度高度和时间
每个 GPS 卫星都对应一组编号它们有多种编号一般采用PRN
卫星所采用的伪随机噪声码编号GPS 定位精度高低关键在于高
稳定度的频率标准为此每颗GPS 卫星都设有两台铷原子钟和两
台铯原子钟
1.2.2 地基监控站地基部分
地基监控站由一个主控站和四个监察院控站组成 主控站设置在
美国大陆四个监控站分别设在大西洋太平洋和印度洋诉岛屿上
用户接收机部分
1.2.3 GPS 用户接收机
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用户接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置以实
现定位和导航GPS 接收机按使用环境可分为中低动态接收机和高
动态接收机按所收信号可分为单频C/A 码接收机和双频P 码和Y
码接收机
GPS 接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫
星的信号并跟踪这些卫星的运行对所接收到的GPS 信号进行变
换放大和处理以便测量出GPS 信号从卫星到接收机天线的传播
时间解译出GPS 卫星所发送的导航电文实时地计算出测站的三
维位置甚至三维速度和时间
2 有关GPS 工作的几个问题
2.1 信号与多通道
为了获得位置坐标 用户必须从4 颗卫星获得信号这可以通过
几种不同的方法来实现
l 单通道接收机接顺序接收4 颗卫星的信号这种定序可以
以1/4-1 秒的速率进行从而使用户大约每5 秒钟就可以获得
一次定位信息这种定位系统成本最低
l 多通道接收机以5 通道为例5 通道接收机可以通过4 个
通道锁住4 颗卫星的信号第5 个通道用于获取低频导航数
据这种方法得到了最高的信噪比因为任一给定的卫星信
号都将被连续而不是在1/4 个工作周期内被接收
2.2 差分工作方式与独立工作方式
差分工作方式需要两台接收机 第一台接收机即基准差分台
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的位置准确已知第二台通过第一台接收机的位置来修正自己的位
置通过计算测量距离与真实距离的误差基准差分台能够计算出卫
星数据中由电离层误差和星历表误差所产生的影响将此信息传送到
用户接收机时便能修正此误差从而得到更精确的定位
2.3 载波相位与码相位
码接收机是通过码相位来测量用户和卫星的伪距的 由于C/A
码片对应空间距离为293 米相位检测精度能达到1% 所以能得到
均方误差为3 米的精度若测量波长为20 厘米的载波相位同样1%
的测量精度却能够产生相当于1 毫米的精度此时接收机更为复杂,
同时为解决整数波长的多值性问题校准时间也比较长
2.4 操作码
普通操作码需要 4 颗卫星另外还有几种方式第一种方式叫做
视野最优操作码用这种码接收时能自动确定进入视野的卫星中
哪4 颗卫星具有最好的导航定位几何分布第二种码是全视野码
用此码接收时从视野中所有卫星来的信号会被同时处理系统精度
会提高20% 第三种码是高度—辅助码适于机载应用这些码应用
时可相互转换
2.5 系统精度
GPS 提供2 种水平的导航服务—精密定位服务PPS 和标准定位
服务SPS PPS 主要供美国及其盟国的军用和特殊许可部门对一般
用户只能使用单频C/A 码定位由于美国的GPS 政策所定使用单
频C/A 码还要受到SA 的影响即为降低精度而人为加入的一些干
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扰因此一般单机定位精度为二维100 米左右对要求高的场合则
需采用DGPS 差分工作方式精度可提高到10 米军用可到毫米级
3 GPS 信号结构
3.1 GPS 传输信号分类
被传输的信号包含四种不同的信息
l 第一种是频率为10.23MHz 的军用P 码美国政府禁止把该码
提供给民用用户P 码接收机价格昂贵但有三个优点1 它能利
用另一个L 波段通道1227.6MHz 补偿电离层折射误差因为信
号通过电离层折射变慢且这种变化是大气环境及时间的函数若知
道两个频率的延迟时间就能对电离层折射引起的误差进行修正
2 码速高将使精度提高2 倍左右3 在噪声环境中仍有良好
性能适于军用
l 第二种是C/A 码频率为1.023MHz 用户用该码可以得到
基本的定位信息
l 第三种信息是一种调制在同一载波上的50 位/秒的低频数据信
号利用此信息用户可以计算出当卫星发射用于测量距离的信号时卫
星所在的位置每颗卫星约每小时必须对该信息更新一次获取此信
息需要30 秒到40 秒的时间
l 最后是载波相位信息可以用来进行精确的大地测量和其它测
量应用利用载波频率还可以获得精确的速度信息
3.2 GPS 信号结构
GPS 卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零的二进制数
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据码D t 码率fd=50HZ 为了节省卫星的电能增强GPS 信号的
抗干扰性保密性实现遥远的卫星通讯GPS 卫星采用伪噪声码对
D 码作二级调制即先将D码调制成伪噪声码P 码和C/A 码再
将上述两噪声码调制在L1 L2 两载波上形成向用户发射的GPS 射
电信号因此GPS 信号包括两种载波L1 L2 和两种伪噪声码
P 码C/A 码这四种GPS 信号的频率皆源于10.23MHZ 星载
原子钟的基频的基准频率基准频率与各信号频率之间存在一定的
比例其中P 码为精确码美国为了自身的利益只供美国军方
政府机关以及得到美国政府批准的民用用户使用C/A 码为粗码其
定位和时间精度均低于P 码目前全世界的民用客户均可不受限制
地免费使用
GPS 卫星信号包括三种信号分量载波测距码和数据码时钟
频率f0 10.23MHz 利用频率综合器产生所需要的频率GPS 信号
的产生过程如图2.1 所示
GPS 使用L 波段配有两种载波
载波 L1: fL1=154Xf0=1545.42MHz 波长为19.03cm 载波L2:
fL1=120Xf0=1545.60MHz 波长为24.42cm 两载波之间频率差为
347.82MHz 等于L2 的28.3% 选择这两个载波目的在于测量出或
消除由于电离层效应而引起的延迟误差
数据流和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在L1载波上
其完整的信号结构为
( ) ( ) ( )cos( ) ( )sin( ) 1 1 1 1 1 S t = A P t D t w t +j + A C t w t +j L p i i L c i L
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在L2 载波上只用P 码进行双相调制其信号结构为
( ) ( ) ( )cos( ) 2 2 2 S t = B P t D t w t + j L p i i L
式中 p p c A ,B , A 分别为P码和C/A 码的振幅Pi(t),Ci(t)分别为精
测距码P 码和粗测距码C/A 码Di(t)为卫星电文的数据流1 1 , L L w w
分别为载波L1 和L2 的角频率1 2 j,j 分别为信号的起始相位
根据这一原理 GPS 工作所需的信号按图2.2 的方案进行合成
然后向全球发射形成现在随时随地都能接收到的信号对用户而言
最感兴趣的是测距码的数据流导航电文下面分别介绍测距码和
特征和结构
3.3 C/A 码
C/A 码是用于跟踪锁定和测量的伪随机码它是由m 序列优
选对组合码形成的Gold 码G 码G 码是由两个长度相等而互相关
极大值最小的m 序列码逐位进行模2 相加构成的改变产生它的两
个m 序列的相对相位就可以得到不同的码对于长度为N=2n-1 的
m 序列每两个码可以产生N 个G 码G 码最主要的优点在于广泛
用于多址通信这是GPS 采用G 码作为C/A 码的主要原因
C/A 码是两个10 级反馈移位寄存器构成的G 码产生的两个移
位寄存器于每星期日子夜零时在置1 脉冲作用下全处于1 状态
同时在码率1.023MHz 驱动下两个移位寄存器分别产生码长为
N=210-1=1023 周期为1ms 的两个m 序列然后与G1(t)和G2(t) 其
中G2(t)序列经过相位选择器输入一个与G2(t)平移等价的m 序列
然后与G1(t)模2 相加便得到C/A 码即
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C/A(t)= G1(t)⊕G2(t it0)
采用不同的 it0 值可以产生1023 个G2(t) 再加上G1(t)和G2(t)
本身一共可以产生1025 个结构不同的C/A 码提供选用这些C/A
码具有相同的码长Nu=210-1=1023bit 相同的码元宽tu 1/f1 0.98
s 相当于293.1m 以及相同的周期Tu=Ntu=1ms
从这些 G(t)码中选择32 个码以PRN1, …,PRN32 命名各个GPS
卫星由于C/A 码长很短可在1s 时间内搜索1000 次所以C/A
码除了用于捕获卫星信号外还可以过渡到捕获P 码
C/A 码的码元宽度较大若两个序列的码元测量误差为码宽的
1/10 1/20 … 1/100 此时相应的测距误差为29.3-2.93m 现在导
航接收机的伪距测量分辩率可达到0.1m
3.4 P 码
P 码是GPS 的精测码码率为10.23MHz 它是由两个伪随机码
PN1(t)和PN2(t)相乘而成
PN1(t)是由两级12 位移位寄存器构成的两个移位寄存器分别采
用反馈点八进制编码14501和17147形成周期为1.5s 的m序列PN1(t)
一周期的码位数为N1=10.23X106X1.5=15.345X106 位
PN2(t)是由另两级12 位移位寄存器构成的两个移位寄存器分别
采用反馈点八进制编码17673和11435形成两个m序列码率与PN1(t)
相同但码位比PN1(t)多37 个码元即码长N2 15.345X106 37
因此 P 码为 P(t)= PN1(t) PN2(t+ni ) 0 ni 36
相应的码元数为: N= N1 N2=2.35X1014,
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相应的周期数为: Tp=N/fp=267 天 , (若38 周)
在 P(t)中, ni 可取0,1,2, …,36 这样可得到37 种P 码在实际应
用中P 码采用7 天的周期即规定码P(t) PN1(t) PN2(t+ni )在每星
期六午夜零时置全1 状态作为起始点然后从中截取一段周期为
7 天的码作为P 码一共取得37 个P 码32 个供GPS 卫星使用
5 个供地面监测站使用这样保证GPS 正常工作的唯一性
因为 P 码的码长为6.19X1012 所以在不知道P 码结构的情况下
是无法捕获P 码由于在试验期间某些厂家已经掌握捕获P 码的技
术生产出P 码接收机因此美国国防部又实行了AS 政策即在
P 码上又增加了极度保密的W 码且绝对禁止非特许用户使用
P 码的码元宽度为0.098 s 相当于29.3m 若两个序列的码元
测量误差为码宽的1/10 1/20 … 1/100 此时相应的测距误差为
2.93 0.293m 为C/A 码测距误差的1/10 故称C/A 码为粗测码P
码为精测码
4 GPS 在陆地自主车和半自主遥控靶车定位上的应用
GPS 系统具有定位精度高全天候实时性测站无须通视使
用方便等优点并且所有成果均通过数据来实现便于数字化管理
所以GPS 已被广泛用于社会生活的各个领域如工程交通气象
国防水利环报安全保卫定时等我国从80 年代起开始引进
GPS 接收机极其技术目前GPS 也在我国得到了全面广泛地应用
下面简要介绍GPS 定位系统在陆地自主车和半自主遥控靶车项目中
应用
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4.1 GPS 在陆地自主车项目中的应用
移动式机器人是一种能够在各种环境中自主或半自主移动的智
能机器人在路径跟踪控制过程中路径点的获取就是由GPS 定位
系统提供的由于跟踪精度较高采用差分GPS 接收方法精度可
达到0.5m 在实验期间体会最深的是我国在定位技术上受制于人
由于当时正值我军在北京附近进行大型军事演习情报部门告知GPS
信号被故意干扰结果我们实验无法正常进行
4.2 GPS 在制导导弹遥控靶车上的应用
遥控靶车是半自主机器人 GPS 定位系统的作用是在遥控状态或
遥控示教再现状态下保证靶车不超过预定的边界因此其精度可以很
低采用单接收机
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