（测试计量技术及仪器专业论文）gps载波相位测量技术的改进.pdf

摘要 摘要 本文提出了一种新的理论，即利用双频信号实现时间传递。并用这种理论应 用在载波相位测量的改进上，以降低模糊度确定的复杂性，或用于时间传输技术。 两个稳定的具有一定关系的频率信号，它们的相位关系存在着稳定的变化规 律，这种规律打破了以往时间频率应用中的局限，获得由频率关系到时间关系的 逆推应用。 在g p s 载波相位测量中，一个主要问题是整周模糊度的确定问题。从卫星发 射的信号到接收机接收到的信号之间，载波经过的路程包含了整数个周期和不 足一周期的部分，而实际测量中这个整数是无法测定的，只能测定不足一周的 小数部分，这样就存在一个整周期的模糊度问题。传统的确定整周模糊度的方法 是用各种数学模型对模糊度进行估算，把它固定在一个整数上。由于g p s 载波频 率较高，波长很短，这个模糊度的数值必然很大，在估算过程中处理起来将十分 困难，增加了设备的复杂度。本文所提出的方法是利用g p s 两路载波信号本身的 特征，不需附加任何额外的信息，就可把模糊度的数值降低几十倍，从而使模糊 度的确定变的容易。 此外两路载波信号规律性的相位变化，实际上携带了精确的时间信息，如果 对接收机进行适当改进，把这种时间信息提取出来，就可以把本方法应用在以g p s 载波相位进行时问传输的技术上。这样既免去了在载波上重新调制新的授时信息 的麻烦，又可节约授时和接收设备的成本，因而这是一种在时间传输和载波相位 测量定位领域都有着广阔应用前景的先进技术。 关键词：g p s 载波相位重合模糊度时间传输 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rd e v e l o p e dan e w a p p r o a c ht oi m p r o v eg p s c a 】 t i e rp h a s em e a s u r e m e n t , f o rt h ep u r p o s et or e d u c et h ea m b i g u i t yi n t e g e rv a l u eo ru s ei t i nt i m et r a n s f e r t e c h n o l o g y b e t w e e nt w os t a b l ef r e q u e n c i e sw i t hs p e c i a lr e l a t i o n s , t h e r ea g es t a b l ev a r i a n c e m l e si nt h e i rp h a s ec o r r e l a t i o n s t h e s er o l e sh a v eb r o k e nt h el i m i ti np r e v i o u s a p p l i c a t i o no ft i m ea n df r e q u e n c y a n dt h er e v e r s ea p p l i c a t i o nd e n o t i n gt i m ew i t h f r e q u e n c i e sc o r r e l a t i o ni sa c h i e v e d t h ea m b i g u i t yr e s o l u t i o ni so u eo ft h ep r i m a r yp r o b l e m si ng p sc a r r i e rp h a s e m e a s u r e m e n t t h et r a v e l i n gd i s t a n c eo fs i g n a lh a v i n gb e e nr e c e i v e da sas a t e l l i t ep a s s e s o v e rt h er e c e i v e rc o n s i s t i n go fa l li n t e g e r no fc y c l e sa n daf r a c t i o n a ln u m b e rp a r to fa c y c l e a c t u a l l y , w ec a no n l ym e a s u r et h ef r a c t i o n a lp a r t , b u tn o tt h en u m b e r n t h e r e f o r et h e r ea r ea na m b i g u o u s i n t e g e r n u m b e ro fc y c l e si nc a r r i e rp h a s e m e a s u r e m e n t t r a d i t i o n a l l y , p e o p l eu s es o m ee s t i m a t i o na l g o r i t h m st o e s t i m a t et h e a m b i g u i t ya n dt h e nf i xi tt oi n t e g e rv a l u e s k a t r s et oh i g hg p s t = l r r i e rf r e q u e n c ya n d s h o f lw a v e l e n g t h ，t h ea m b i g u i t yi sav e r yl a r g ev a l u e ，i ti sd i f f i c u l tt op r o c e s st h ed a t ai n t h ee s t i m a t i o na n dt h ed e v i c em a yb ev e r yc o m p l e x t h em e t h o dp r o p o s e dh e r eu s i n g t h ei n t r i n s i cf e a t u r eo ft w oc l r r i e rs i g n a l s ，n o tn e e d i n ga n yo t h e ri n f o r m a t i o ni na d d i t i o n ， c a nt r a n s f o r mt h ea m b i g u i t yt oav e r ys m a l lv a l u eb ys e v e r a ld e c a d st i m e s ，a n dt h e n m a k et h ea m b i g u i t yr e s o l u t i o nv e r ys i m p l e a d d i t i o n a l l y , t h er e g u l a rc h a n g i n go ft h ep h a s ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt w o 伽t i e r s i g n a l ss h o w ss o m ea c c u r a t et i m ei n f o r m a t i o n i fw ca m e l i o r a t et h er e c e i v e rp r o p e r l y , p i c k i n gu pt h et i m ei n f o r m a t i o n , t h e nt h i sa p p r o a c hc a nb eu s e di nt i m et r a n s f e ru s i n g g p sc a r r i e rp h a s em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y a sar e s u l lt h et r o u b l et om o d u l a t et i m e s i g n a lo n t ot h ec a r r i e rw i l lb er e m o v e d ，a n dl o wc o s to ft h ed e v i c eo ft i m et r a n s f e rc a n b ea c h i e v e d s ot h i si sa na d v a n c e dt e c h n o l o g yw i t hg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u ei nt h ef i e l d s o ft i m et r a n s f e ra n dp o s i t i o n i n gu s i n gc a r r i e rp h a s em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：g p sc a r r i e r , p h a s es u p e r p o s i t i o n ，a m b i g u i t y , t i m e t r a n s f e r 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：举幸垂一 日期： 关于论文使用授权的说明 芝l z ：z 孽 l 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后使用本授权书。 本人签名 朱望垒 风雷 醐：删 ) 蜘7 t i 第一章绪论 第一章绪论 为了保证美国军方及其盟国不受电子欺骗的攻击，美国国防部对载波工1 和l 2 上g p s 卫星发出的p 码信号进行了加密。这样，一般用户只能利用精度较低的c a 码进行民用项目的研究。这被称为a s ( a n t i s p o o f m g ) 措施。另外，美国军方还对 卫星时钟和星历进行处理，使一般用户获得的这两项参数与真实值有一定的误差。 这被称为s a ( s e l e c t i v ea v a i l a b i l i t y ) 措施。这两种措施都限制了非特权用户在g p s 的实际应用中所获得的精度。美国政府也在考虑在g p s 卫星上增加新的频率以供 民用，但新的频率最早在2 0 1 0 年能够得到应用。美国为获取巨大的商业利益和对 卫星导航定位领域的垄断地位，取消了黝限制，但在战时和紧急情况下，美国仍 会限制敌对国家和非特权用户对g p s 的使用。 1 1 整周模糊度确定方法的发展 为了避开上述的许多限制，各民用研究团体积极展开了载波相位测量技术的 研究。载波相位测量不需要g p s 发布的精确的码信息，只需根据两路载波信号的 相位变化就可解决实际应用的测量要求。所谓载波相位测量，指的是测量g p s 卫 星到接收机的传播过程中共有多少个载波周期，这个周期数与载波波长的乘积就 是载波信号经过的路程，也就是卫星与接收机的观测距离。但是由于载波波长太 短，整个路径中的相位变化是周期性重复的，到底经过了多少个周期无法确定， 也就是说相位变化的整数部分是无法确定的，所测得的只是载波相位差值的小数 部分，相位变化中这个无法确定的整周期数就是所谓的整周模糊度。解决整周模 糊度问题是载波相位测量的一个主要工作，由于小数部分是可以测定的，因而只 要知道了载波传输的确切周期数，就可以轻易的确定载波传输的距离，这样，通 过测量载波相位进行实际应用中的时间传输就成为可能。 要想确定载波相位的变化，需要知道卫星发射的载波的初始相位，这个初始 相位与接收机处载波的相位相减，就是所需测定的载波相位差。然而卫星上发出 的载波的初始相位是不可能测定的，这就需要在本地接收机上产生一个与卫星发 射的载波信号相同的信号，称为参考载波，实际中测定的就是接收到的载波相位 和参考载波相位的差值。这样，相位差就成了可以测定的量，只需确定整周模糊 度，就可以实现载波相位测量进行定位、授时等的需求。 整周模糊度的确定方法有多种，卫星和接收机上也存在影响整周模糊度的多 种因素，相应的也出现了多种消除这种影响的方法，本文第三章会对这些方法作 2 g p s 载波相位测量技术的改进 相关性的说明。 整周模糊度在一个测量过程中是始终存在的，在同一测量周期保持不变，可 以通过一定的方式估算出整周模糊度的近似实数值。这里，同一个测量周期指的 是在没有周跳和失锁的情况下，完成一次载波相位测量的全部过程。这种估算过 程就是确定模糊度的过程，也就是说在估算过程中，确定估算值与真实值的偏差， 利用这个偏差调整其它估算参数使之固定在一个整数值上。可以利用过滤或者直 接处理协方差的方法实现这种调整。这种确定模糊度方法的前提是假定载波相位 差应该是个整数，如此减少了需要处理的参数，提高了载波相位测量的准确度。 整周模糊度中含有与卫星和接收机有关的初始误差常量，传统上这种误差可 以通过双差法消除。用来自同一卫星和两个不同接收机的观测量相减可以消去卫 星影响，同样，用来自同一接收机和两个不同卫星的观测量相减可以消去接收机 影响。如果同时应用这两种差分方法，就是双差载波相位测量技术，可以同时消 除卫星和接收机的影响。双差法需要四个并发观测量，这种方法也可消除卫星和 接收机的钟差【1 0 1 1 1 4 1 。 双差法的一个缺点是至少需要两个接收机才能得到接收机的相对结果。如果 没有合适的接收机或需要控制成本的情况下这将是个制约性的问题。另外，在对 一个包含多个站点的网络进行处理时，比如一个包含上百个站点的网络，那么接 收机的数量和需要计算的数据将相当可观。由于大型网络的扩散分布，出现了一 种精密单点定位方法。精密单点定位技术对全球分布的网络中的接收机进行分析， 确定发射和接收设备的参数，然后分析网络中接收机接收到的数据，每次只分析 一个接收机，并保持其参数稳定不变。目前这种方法的缺点是无法使用双差法提 高整周模糊度的精度，这导致了基线精度无法提高。这样双差法和精密单点定位 方法就在准确度和易用性上产生了不可调和的矛盾。 载波相位测量技术测定卫星与接收机之间相位的改变，但相位差并不指信号 传播的绝对路程。载波相位测量的是一个未知的偏差值，即模糊度。这个未知值 代表卫星到接收机之间有多少个载波波长。基于高斯分布模型的估算算法只能估 算出一个实数的模糊度数值，经滤波后，得到一个实数的模糊度数值和对应的协 方差，由于模糊度是个整数，可以在估算模型上加一些约束，这样就会得到一个 整数的模糊度值。 一般情况下，一个模糊度确定算法应包括1 1 3 】： 1 、确定模糊度实数值的方法。 2 、从接近的实数值得到模糊度整数值的方法。 3 、把这些新的信息作为约束以提高其它量估算精度的方法。 大部分模糊度确定算法使用了双差法。双差法消除了相位差小数部分的系统 误差，只剩下模糊度的整周期数。双差法中没有消去的非整数影响，对卫星和接 第一章绪论 收机而言不是系统误差，而应是估算误差或短期变化 各自模糊度确定方法的区别之处在于实现上述步骤的方式不同和方法的应用 环境不同。最初的整周模糊度确定技术是把用于分析来自银河系外微弱射线的方 法用在了g p s 卫星信号的分析上，这种方法被称为几何方法( 又称模糊函数法 删) ，可以用于短基线上g p s 数据的处理。另外一种被称为快速模糊度确定方法 ( f a r a ) ，这种方法选择一系列的模糊度测试数据，分成若干组，计算相应的固定 解，然后用统计的方法对固定解进行测试。 最初，模糊度确定方法作为一种限制工具以提高短基线上的准确度，后来有 人提出电离层效应影响了模糊度确定方法在较长基线上的可用性。于是出现了把 对工l 和工2 上的相位观测和码观测结合起来的，一种对电离层敏感的模糊度解决方 法。 研究表明，对一组精确的卫星轨道而言，如果确定了较短基线上的模糊度， 那么在较长基线上的模糊度也可据以辅助确定，这就是著名的“靴带式牵引”l ”j 。 这种方法增加了对卫星轨道位置的敏感度，也增加了两个接收机间基线的长度。 一旦较短基线上的模糊度得到确定，则卫星轨道的不确定性就会降低，较长基线 上的模糊度也会容易确定。把靴带牵引技术与其它技术相结合，可以解决长达 2 0 0 0 a n 的长基线上的模糊度确定问题。 除了在整数约定条件下用简单搜索方法对模糊度进行确定以外，还出现了用 协方差矩阵对模糊度最小方程解相关，以保留其整数性质的方法。这种方法在精 度条件的约束下可以成功的计算出模糊度偏差，从而确定模糊度的固定值。 1 2 利用载波相位测量进行时间传输 目前公认的高精度时间传输技术是g p s 载波相位测量技术。利用g p s 进行时 间传输通常是使用共视法测量伪距，获取g p s ( u t c ) 时间或计算本地时钟与g p s ( u t c ) 时间的差值，从而校准本地时钟【1 5 】。这种方法在使用精确的卫星轨道数 据和电离层延迟测量的情况下，观测时问为1 0 0 0 s 的情况下可以获得的精度是几个 纳秒，频率比对精度可以达到1 3 x 1 0 - 1 4 。也可以用g p s 时频接收机接收工l 1 2 载 波上的p 码信号，从中解译出时间频率信息，以提供g p s ( u t c ) 时间和标准频 率信息。 利用g p s 测频的方法是在一个较长时间段内，通过测量时间间隔差，可求得在 这段时间内的平均频率。测频精度与测量精度和采样测量的测量时间长短有关。 测量时间越长，测频精度越高。由于g p s 载波相位测量是对由接收机产生的基准频 率与接收到的卫星载波频率的相位差进行测量，因此g p s 卫星、g p s 接收机的频 4 g p s 载波相位测量技术的改进 率变化都会反映在g p s 载波相位的观测值中。 上述方法除了受g p s 卫星原子频率标准本身的影响外，还受电离层、对流层 延迟传播的影响，为了提高定时测频精度，在数据处理上还需采取一些措施，才 能达到上述指标。共视定时测频是常用的一种方法，另外对多颗g p s 卫星同步测 量，并进行多次重复观测，也可优化定时精度。这些方法受翻的影响也很严重， 而且对接收机和测量时间、测量地点的要求也比较高。如果是在一个无法确定精 确坐标的地点使用单向法进行测量，是无法获得结果的，不经过一定的比对时间， 获得的精度也会降低。另外，使用p 码测量对非特权用户来说受美国军方的制约 太大，而且对导航电文的解译也是一个不小的工作量。这些限制无疑都增加了g p s 接收机的成本和复杂性，为了绕开这种限制，降低g p s 接收机的成本和复杂性， 利用g p s 载波信号本身的特征，获取精确的u t c 时间信息，对进行时间传输和频 率比对将是一种不错的选择。 时间测量的质量依赖于原子钟的性能和频率比对的平均时间，g p s 共视技术 的广泛应用提高了时频测量的精度和准确度，这使得对世界上最好的时频标准进 行比对以验证其最佳性能成为可能，用1 3 天的比对时间，所测得的原子钟的频 率差为l x l 0 。1 4 。然而，近年来原子频率标准的发展，表明这种比对效率已不能满 足需要。法国一种较新的铯原子喷泉钟频率的短期白噪声的指标已很高，其阿伦 方差为盯。( f - i s ) 一2 1 0 一，b 类不确定度为3 x 1 0 4 5 ( 1 a ) 。另外，基于线性离 子阱的频率标准也表现出优良的短期稳定性，经检测已达到盯，忙一l s ) 一6 x 1 0 “的 水平。如此高性能的频率标准，若用共视法对其频率进行比对，需要持续比对1 0 天，如此长的比对时间，对这些设备而言是不太现实的1 1 5 1 。 以往的研究表明，在测地型g p s 接收机上，用载波相位和p 码测量的方法仍 有提高精度的余地，但无疑的都无法从本质上改善测量设备的复杂性，目前还没 有出现应用新的原理的革命性方法。 1 3 本文提出的新方法 本文提出的这种改进g p s 载波相位测量的方法，是基于两路载波信号本身特 征研究，利用两路信号固有的相位关系，对现有的模糊度解决方法和时间传输提 供新的依据。这种改进方法不仅能有效的改善模糊度的确定问题，还可以应用在 时频传输领域，为载波相位测量技术扩展了选择空间。 g p s 的两路载波频率来自同一高精度的原子频率标准，因而两路频率存在确 定的相位关系，而且这种关系呈周期性的变化。由于上1 和：载波分别为卫星基准 第一章绪论 5 频率，0 的1 5 4 倍和1 2 0 倍，它们有着一个最大公因子频率为2 厂0 ，每经固定的时 间间隔这两路载波就会发生一次相位重合，这个固定的时间间隔就是它们的最小 公倍数周期( 为最大公因子频率的倒数) 。同时，两路信号规律性的相位变化实际 上携带了精确的时频信息，也就是它们的某些相位重合点总是对应于u t c 的秒脉 冲。如果对接收机进行适当改进，把这种时间信息提取出来，就可以实现高精度 的时间传递，以改善目前以g p s 载波相位进行时间传输的技术。这样不但不必在 载波上重新调制新的授时信号，还可以把时间发布和接收设备的成本节约下来， 而且这种方法基本可消除s a 的影响，电离层、对流层延迟误差也可以得到有效的 降低。 1 4 内容提要 本文对新观点的理论验证和实验证明，以及与原有技术的比较都有详细的论 述。第二章对g p s 系统作了概述，介绍了与本文相关g p s 技术，并对现有的载波 相位测量技术作了总结，重点说明g p s 载波相位测量中模糊度确定的方法和载波 相位测量在时间传输技术上的应用。第三章对双频相位关系测量方案作了详细介 绍，重点是说明本方案的理论依据、仿真试验结果以及在确定整周模糊度和提高 测量精度方面的优势。并说明本方法在时间传输技术上的应用，与传统的利用载 波相位测量进行时间传输的技术作了比较分析，说明本文所提方案的优势和先进 性。第四章是实验、结果和设计分析，对相位重合检测器的设计方案和对方案实 施有重要关系的降频处理作了分析性说明。 第二章g p s 系统概述 7 第二章g p s 系统概述 g p s 通过已知的卫星位置，可以对陆海空位置进行精密定位。g p s 信号提供 的位置与时间信息可用于地质测量、导航定位、精密授时、时间同步、气象监测 研究等多种领域。这是美国继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大空间工程。其 对情报收集、应急通讯、核爆监测和时频测控等应用领域同样具有深远的意义。 2 1g p s 的历史 g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m ) 是美国于上世纪7 0 年代由国防部正式批准， 陆海空三军共同研制的，被称为授时与测距导航全球定位系统( n a v i g a t i o ns y s t e m t n n i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的卫星定位系统，简称为全球定位 系统( g p s ) 。是美国为满足军事和民事对连续实时、高动态、高精度导航定位的 迫切需要，着手研究的新一代卫星导航系统。 表2 1g p s 卫星及主要性能 第1 种第2 种第3 种 项目 b l o c k ib l o c k b l o c ki i ab l o c ki i r 序号 1 1 11 3 2 1 2 2 4 0 4 1 6 2 卫星数 1 191 92 2 发射时间1 9 7 8 1 9 8 5 1 9 8 9 1 9 9 01 9 9 0 一1 9 9 1 71 9 9 7 用途 试验 正式工作正式工作 改进g p s 系统 设计寿命年 57 37 37 8 质量k g 7 7 48 4 58 4 51o j 7 5 1 台铯钟和2 台铯钟和2 台铯钟和 时标3 台铷钟 2 台铷钟2 台铷钟 2 台铷钟 翻能力无有有有 a s 能力无有有有 自主运行厌 1 41 41 8 0 1 8 0 卫星通信能力 无无有有 星问通信能力无 无无有 每天注入次数3 1 1( 1 注：1s a 选择可用性干扰 2 a s 反电子欺骗 注，本表摘自( g p s 技术与应用 国防工业出版社，2 0 0 4 f 9 6 b 第l 版p p 5 8 g p s 载波相位测量技术的改进 经过2 0 多年的研究和试验，耗资3 0 0 亿美元，g p s 于1 9 9 4 年全面建成，具 有了初始运行能力( 刀c ) ，1 9 9 5 年7 月具有全运行能力( f d c ) 。g p s 系统是具 有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系 统，它还提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和 应急通讯等一些军事目的。g p s 系统经历了三个主要阶段。第一阶段( 1 9 7 3 年一 1 9 7 8 年) 进行方案论证、理论研究和总体设计。第二阶段( 1 9 7 8 年一1 9 8 8 年) 进 行工程研制，发射了g p s 试验卫星，检验了g p s 的基本性能。此阶段发射的卫星 称为b l o c k i ，第一颗g p s 试验卫星于1 9 7 8 年2 月2 2 日发射成功。第三阶段( 1 9 8 9 年一1 9 9 3 年) 进行实际组网，投入运行，在此阶段发射的g p s 卫星称为b i d c ki i 和b l d c ki i a 。截止1 9 9 4 年3 月，由2 4 颗g p s 卫星在空间构成的卫星星座已 经布设完成，全球覆盖率高达9 8 。每颗卫星均为近圆形轨道，分布在6 个轨道 面上，轨道倾角为5 5 。，轨道高为2 0 2 0 0 k m 。这种分布使得在地球上和近地空间的 任何地方和任何时间可同时观测到4 颗以上卫星，提供了在时间上连续的全球导 航能力，并能保持良好的定位解算精度。此后，在1 9 9 7 年开始发射g p s b l o c ki i r 卫星，这种卫星旨在改善g p s 系统的性能。表1 1 列出了这三种g p s 卫星的发射 时间和性能。 2 0 余年的实践证明，g p s 系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、 定位和授时的多功能系统。目前g p s 技术在多种领域衍生出多种应用，已经发展 成为多领域、多模式、多用途、多机型的高新技术国际性产业。如今已遍及国民 经济各个部门，并已经逐步深入人们的日常生活。 2 2 g p s 的组成 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星星座；地面监控部分地 面监控系统；用户设备g p s 信号接收机( 如图2 1 ) 1 4 1 1 3 1 1 4 1 。 图2 1 g p s 系统的组成 第二章g p s 系统概述 9 2 2 1g p s 卫星星座 g p s 卫星星座由2 1 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成。2 4 颗卫星均匀分布在等间隔 的6 个轨道平面内，每个轨道平面4 颗卫星，轨道倾角为5 5 。各个轨道平面之间 相距6 0 度。在相邻轨道上，卫星的升交距角相差3 0 。每个g p s 卫星运行在近圆 形轨道上，轨道最大偏心率为o 0 1 ；半长轴为2 6 5 6 0 k m 轨道平均高度为2 0 2 0 0 d n ； g p s 卫星绕地球一周的时间为1 2 恒星时( 1 l h 5 8 m 打) ) 。这样对于地面观测者来说每 天见到同一颗g p s 卫星的时间将提前4 分钟。精确的g p s 卫星星历可以通过解读 添加了伪随机码的g p s 导航电文获知，也可从i g s ( i n t e r n a t i o n a lg e o d e t i cs e r v i c e ) 等组织获取。g p s 卫星星座图见图2 2 ，若某个工作卫星发生故障，备用卫星将会 根据指令代替它。 2 2 2 地面监控系统 图2 2g p s 卫星工作星座图 地面监控系统负责跟踪观测g p s 卫星星座并计算编制卫星星历，监测卫星的 健康状况和控制卫星进行必要调整，对g p s 星载钟进行校准使之精确；并把监测 信息和控制指令注入卫星的导航电文。 一、系统的组成 地面监控系统由位于美国科罗拉多州斯普林斯的联合航天操作中心c s c o 1 0g p s 载波相位测量技术的改进 ( c o n s o l i d a t e ds p a c eo p e r a t i o nc e n t e r ) 的1 个主控站、分别设在大西洋、印度洋 和太平洋的美军基地上的3 个注入站和5 个监测站组成。在主控站和3 个注入站 上均设立了个监测站，另外还在夏威夷设立了1 个监测站。5 个监测站均为无人值 守的数据采集站。详细的地面监控系统的信息可以查阅相关文献。 二、系统的主要功能 1 、跟踪g p s 卫星星座，计算卫星星历和时钟准确度，并把这些信息上传到 g p s 导航电文中。 2 、检测g p s 卫星的运行状况，调整星载钟保证其准确度。 3 、诊断状态。主控站监测整个地面监控系统是否正常工作，检验注入卫星的 导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发送给用户等。 4 、调度卫星。主控站控制g p s 卫星改变和修正轨道，还能进行卫星调度，用 备用星取代失效的卫星。 2 2 3 用户设备 用户设备由接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包组成。 g p s 用户设备的核心是g p s 接收机，一般由天线单元和接收单元两部分组成。 用户设备的主要功能是接收g p s 卫星发播的导航信号，捕获和跟踪各卫星信号的 伪随机噪声码( 简称伪码) 和载波，从中解调出必要的数据和参数。由g p s 接收 机获取的数据可以用来计算位置、速度和时间，也可通过这些数据来进行导航定 位和定轨、时间发布、地质测量、气象研究等。 g p s 接收机种类繁多，可按用途、接收信号、动态性能等标准来划分，根据 使用目的的不同，g p s 接收机的类型也各有差异。由于日益广泛的g p s 应用，为 争取巨大的经济效益和军事效益，许多国家和企业都竞相研制和生产各种类型的 g p s 接收机。目前，世界上研制、生产g p s 用户设备的企业有几十家，各种类型 的g p s 接收机也达几百种。各种类型的g p s 接收机体积越来越小，重量越来越轻， 精度也越来越高，便于野外观测和普通用户的使用。 2 3g p s 信号的组成 g p s 卫星发送的信号包含三种分量：载波信号、伪码和数据码。g p s 卫星频 率源产生的基准频率f o = 1 0 2 3 m h z ，其他所需的信号频率都是以此频率利用频率 合成器产生的，如图2 3 所示。 g p s 有工频段的两个载波频率，这与电离层延迟有关，使用两个载波频率， 第二章g p s 系统概述 1 1 便于测定信号传播中的电离层延迟。这两个载波分别为： 工1 载波：，工1 = 1 5 4f o = 1 5 7 5 4 2 m h z ，波长h = 1 9 0 3 e m 。 工2 载波：，工2 - - - - - 1 2 0 厂o = 1 2 2 7 6 0 m i i z ，波长k = 2 4 4 2 e m 。 其它的信号分量，诸如两个伪随机噪声码，卫星星历，电离层调整系数，状态信 息，系统时间，卫星时钟的钟差等都调制在这两个频率上。所测得的卫星信号到 接收机的传输时间用来计算伪距。 图2 3g p s 信号的构成 c a 码是粗码，有时也称标准定位服务( s i s ) ，是一种伪随机噪声码，调制在 工l 载波上。伪随机码是指一种二进制序列，这种序列具有随机噪声的一些特征， 比如符合随机噪声的正态分布特征等。但它还是一种规则码，在规定的时间间隔 内它是重复的，因而伪随机码是可以重现的。为限制非特权用户利用c a 进行定 位所能达到的精度，美国国防部对卫星施加了剐措施。跚措施是通过对卫星时 钟6 处理和对广播星历进行处理，对卫星时钟的基本频率引入误差，使卫星时钟 出现高频抖动，降低其准确度，从而影响测距和测速。对卫星星历施加副干扰会 截断导航电文中的轨道信息。有关部分可以控制引入的卫星抖动数据，以产生不 同的s a 干扰效果。 p 码，也被称为精确定位服务，被调制在厶和厶载波上，可以消除电离层影 响。y 码是p 和加密的码模2 组合，使用y 码的接收机需要美国国防部的授权。 y 码的信息内容与p 码相同，但施加了访问限制。起初为信号加密只是为使信号不 受噪声、人为干扰、伪造信号对g p s 签名造成破坏。为了防止电子欺骗，加密技 术作为a s 措施而被采用，a s 措施只有开和关两个状态，不象翩那样可以控制干 扰效果的大小。 虽然美国政府在1 9 9 8 年取消了剐措施的限制，并增加了新的民用信号1 6 1 ，但 g p s 载波相位测量技术的改进 在战时美国国防部随时有权恢复这些限制性措施。 2 4 载波相位测量原理 载波相位测量不需要卫星电文传输的实际信息，只是测量载波信号的相位变 化，计算相应的时间或距离。 载波相位测量是测定g p s 载波信号从卫星到接收机之间的周期数，以确定信 号传播距离或时间的方法。如图2 4 所示，卫星s 时刻f 发出相位为的载波信号， 经距离p 传播到接收机k 处后，信号相位为纯，则由s 至k 的相位变化为 ( 一钆) 。( 一吼) 包括了整周数和不足一周的小数部分，为方便计，载波相 位均以周数为单位。如果能测定( q s 一钆) ，则卫星s 至接收机k 的距离p 即为 p a b 一吼j a u + ，j ( 2 1 ) 式中：。为载波相位( 一吼) ( t 时刻) 的整周数部分； a 。为不足一周的小数部分 a 为载波的波长，是已知值。 伪随机码测距，其测量精度大约是一码元宽度的1 1 0 0 ，p 码约为3 0 c m ，c a 码约为3 m 。由于载波频率高，波长短( = 1 9 0 5 c m ，屯= 2 4 4 5 c m ) ，所以，载波 相位测量的精度可以达到很高。目前，测地型g p s 接收机的载波相位测量精度一 般为l m m 一2 m m 。有的接收机( 如a s h t e c hx h ) 声称每m s 进行一次载波相位测量， 每秒给出的平均值的测量精度可优于0 0 1 m m 。采用载波相位测量值进行相对测量， 在几千米以下的短基线上，其相对测量精度可达几个毫米；在1 0 0 k m - 5 0 0 k m 中等 基线上可达l o - 6 l o - 7 ；在1 0 0 0k m 左右的长基线上，可达1 0 r 8 。所以，在高精度时 间传输和定位技术中，普遍采用载波相位测量方法。 。 妒 图2 4 载波相位测量示意图 第二章g p s 系统概述 载波信号是一种周期性的正弦信号，实际中的相位测量只能测定不足一周的 小数部分，因此存在整周数。模糊度问题。另外，在载波相位测量中，必须连续 跟踪载波，但由于接收机故障和外界干扰等因素的影响，经常会引起跟踪的暂时 中断，而产生周跳问题。整周模糊度和周跳是载波相位测量的两个主要问题，给 数据处理工作增加不少麻烦和困难。 2 4 1 重建载波 要测量载波相位，首先在接收机内要重新获取纯净的载波，这一工作称为重 建载波 4 1 。g p s 信号的载波已用p s k 方式调制了测距码和导航电文，因此在载波 相位测量之前，首先要进行解调，将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重 新获取纯净的载波。 重建载波一般可采用两种方法，即码相关法和平方法。采用码相关法重建载 波信号，用户必须知道测距码的结构，即接收机必须能产生与测距码结构完全相 同的本地码。用码相关法恢复载波时用户可同时获得测距值和卫星导航电文。 平方法是利用调制波取值为1 的二进制信号波形，其自乘结果恒等予1 ，来 获取纯净的载波。用户天线接收到g p s 信号以后，经过变频而得到一个中频g p s 信号后者的结构没有发生变化，仅载波频率被降低了。将中频g p s 信号进行自 乘。鼾 j 2 u 2 - a 2 c o s 2 ( + 力一二 1 + c o s ( 2 w e t + 2 妒) 】 ( 2 2 ) 二 因中频g p s 信号u 的调制波a 是取值l 的二进制信号波形，其自乘结果恒等 于1 。因此，乘法器日的输出信号是一种纯净载波，只不过它的频率是中频频率的 两倍。 图2 5 平方法重建载波 1 4 g p s 载波相位测量技术的改进 平方法的优点是，用户无需掌握测距码的结构，采用此方法进行载波相位测 量的接收机称为无码接收机。但是平方法无法获得卫星的导航电文，需另外提供 g p s 卫星星历，才能进行定位解算。图2 5 是平方法重建载波的方框图。 2 4 2 载波相位测量原理 在式( 2 - 1 ) 中，我们假设在同一时刻t i 既测定载波在卫星s 处的相位仇，又 测定载波在接收机处的相位钆，求得( 一纯) 。但实际上，我们无法测量到妒。， 因此这种方法是无法实施的。解决这一问题的办法是：如果接收机的振荡器能产 生一个频率和初相与卫星载波信号完全相同的基准信号，则任一时刻 在接收机的 基准信号的相位就等于卫星上载波信号的相位。因此，只要测定接收机基准信号 相位，问题即可解决。图2 6 是载波相位测量的原理图。图2 6 中显示，在任一时 刻t i 载波在卫星，处的相位，如) 等于接收机基准信号的相位，即f 雄o _ - f 文0 。 此信号于岛时刻到达接收机k 处，此时接收机基准信号的相位为厂k ( 岛) 。因此，测 定基准信号与接收到的卫星载波信号的相位差矿黝_ ，黼】，即可求得g p s 信号 传播的距离，p = a 旷k - - f 以i ) 1 。 由于g p s 载波信号在传播中有多普勒效应，接收机接收到的载波频率与本机 基准信号的频率是有差别的。经混频后，得到差频率后的中频信号。该中频信号 的相位值即为所接收到的载波信号与本机基准信号的相位差。因此，实际的载波 相位测量是通过测定中频载波信号的相位值，来获得接收机基准信号与接收到的 载波信号的相位差。 相缮 一 接收的卫星信号 航i：a ：a ：a ：a ：7 ，娥!：a ：a ：a ：a ：乒 本地参考信号 。 0 采样时刻 图2 6 载波相位测量原理图 第二章g p s 系统概述 2 4 - 3 载波相位测量的基本观测量 如前节载波相位测量原理中所述，载波相位测量是测定g p s 载波信号在传播 路径上的相位变化值，即某一时刻由接收机产生的参考信号的相位与此时接收到 的卫星载波信号的相位之差。由于实际相位测量只能测定不足一周的小数部分， 测量中需要连续跟踪卫星，所以载波相位实际的观测量包括两个部分：整周数部 分和不足一周的小数分。下面将具体进行讨论。 为了论述方便，这里规定一些表示载波的符号：矿表示载波原始相位；n 表 示相位变化的整周数；却表示相位变化中不足一周的小数部分；中表示既含有 整周部分又含有小数部分的相位变化值。时间标志如下，即r 表示理想g p s 时刻； f 表示实际钟面时；上角标表示卫星参数，下角标则表示接收机参数。 一、首次观测量 设在正时刻进行首次载波相位观测，此时接收机基准信号相位为纯佤) ，接收 到的来自卫星的载波信号的相位为( 五) ，因此要测定的相位差为m f 瓴) ，其中 包括整周数和不足一周的小数部分。 中f 佤) = 吼伍) 一( r 1 ) = 嘶+ 耐瓴) ( 2 3 ) 在实际测量中，只能测定不足一周的小数部分却? ( 瓦) ，整周模糊度嘶无法 测定，而成为一个待定的未知参数。所以首次载波相位观测量实际上是却z ( 五) 。 首次测量之后，在连续跟踪卫星的情况下，可连续测量载波信号的整周相位 变化。因此，可以测定五至五时刻的整周计数和不足一周的小数部分却? 佤) ， 所以 垂：亿) = 吼j 一以伍) = z + 以( t j ) + 酬伍) ( 2 4 ) 写成 中f ) = w - t - a 中i 伍) 即时刻互的相位观测量为中l ( i ) 。在随后的连续相位测量中，各次测量中 均包含一个共同的整周数? ，它是首次测量的整周数。 二、载波相位与传播时问的关系 在式( 2 4 ) 中，钆亿) 是时刻接收机基准信号的相位，它等于乃时刻在卫 生9 处的载波相位妒，伍) ；而训佤) 是乃时刻接收机接收到的卫星载波信号的相 位。就载波来说，以佤) 是发生在f 时刻的事件，即科佤) 是，时刻载波信号在 卫星9 处的相位，也就是说，是卫星9 在t j 时刻发射的载波信号妒7 仃7 ) ，即州 ) = 。设为卫星信号由9 至接收机k 的传播时间，则正- l + 。因此有 1 6g p s 载波相位测量技术的改进 中f ) = 吼伍) 一妒仃7 ) = 仇伍) 一妒伍一) ( 2 5 ) 对于一个稳定度良好的振荡器来说，当t 很小时，相位m 与频率，之间的 关系，一般可表示为 中口+ r ) 一中口) + i a t ( 2 - 6 ) 对于g p s 测量来说，信号传播时间f 艮小，0 0 6 6 s b ( 反之，即a 曰的情况亦具有同样的规律性) 。以，2 波 形的上升沿作为参照，在一个l 。周期时间里量化了的两信号间的相互相位状况 只可能有口种，如图3 1 所示。而两者之间相互相位差可能的变化范围是o 瓦。 由于两比对信号自身的周期性，所以在一个最大公因子频率的周期l 。之