微波伪码测距课件

1、几何量电子传感测量微波伪码测距微波伪码测距即以伪随机码对微波进行调制，通过接收机测量伪随机码的时间延迟进而获得距离的测量方法。典型应用就是GPS。GPS 系统的组成空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨用户部分： 接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息空间部分24颗卫星（21+3）6个轨道平面55轨道倾角20200km轨道高度（地面高度）12小时（恒星时）轨道周期5个多小时出现在地平线以上（每颗星）地面控制部分一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亚(Di

2、ego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs 用户部分 通用接收机（定位型）：导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备天线前置放大器电源部分射电部分微处理器 数据存器 显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制 GPS 信号 GPS卫星信号采用伪随机码扩频技术将卫星导航电文（基带信号，D码）经伪随机码扩频技术成为组合码，再对L频段的载波进行正交调制（ BPSK调制）。作用：提高系统导航定位精度，使系统具有

3、很高的抗电子干扰能力和极强的保密能力。伪距：pseudo range，接收机到GPS卫星之间的距离。GPS卫星播发的信号 一、伪随机码PRNC：Pseudo Random Noise Code（1）二进制随机序列：1011110011110100100 11110011001111011。特点：非周期性序列，不能预先确定，不能复制。2、伪随机码（1）伪随机序列：具有非随机序列自相关特性的有周期性的二进制序列。由二进制码组成的伪随机序列，由“多级反馈移位寄存器”产生。（2）伪随机序列特点：二进制序列有周期性有自相关性3、伪随机码特征（1）m序列，周期：（2）伪随机码“0”、“1”出现的概率大致相

4、同。（3）当自相关系数为1，码元完全对齐。PRN码的优越特性：可以在接收机内复制产生，只有相同结构的PRN码完全对齐时才产生强相关。GPS接收机正是利用PRN码的这两个突出特性进行卫星识别和伪距测量。4、伪码扩频技术（PRN技术）（1）复合序列（复合码）：将多个周期较短的m序列按预定规则构成的一个周期较长的序列。（2）GPS基带信号（D码）：fundamental information 带宽 f = 50 HZ，传递速率V = 50 bit/s（3）伪随机码扩频技术：将基带信号（D码）通过扩频调制到伪随机码上（第一级调制）。 过程： 扩频-发射-传播-接收-解频码码或码码C/A码和P码GPS

5、定位系统采用码分多址技术（CDMA），给不同卫星指配不同结构的伪随机码。 CDMA:Code Division Multiple Access1、伪随机码技术（PRN技术）作用：（1）识别不同卫星，捕获卫星信号（CDMA）（2）测定伪距（C/A码和P码）（3）传递导航电文（D码）（4）提高抗干扰能力（ PRN技术）GPS定位系统通常采用两种伪随机码：C/A码和P码C/A码：粗码，Coarse Acquisition Code（1）定义：用于分址、搜捕卫星信号、粗测距，具有一定抗干扰能力，并提供民用的明码。（2）特性频率：f1 =1.023MHZ 数码率：Vu =1.023 M bit/s 码元

6、宽度：tu =1/f1=0.97752s (相当于293.1m)码长：Nu =210-1 = 1023bit （两个10级反馈移位寄存器组合产生） 周期：Tu =Nu tu = 10230.97752s =1 ms搜索时间：1023bit/（50bit/s）=20.5s (50bit/s 搜索速率)测量精度：29.32.93m（取误差为1/101/100）P码：精码，Precise Code（1）定义：用于分址、通过C/A码获取卫星信号，精密测距，具有较强抗干扰能力，提供特许用户使用的受控密码。（2）特性频率：f1 =10.23MHZ 数码率：Vu =10.23 Mbit/s码元宽度：tu =

7、1/f1=0.097752s (相当于29.3m)码长：Nu =2.351014 bit （两组12级反馈移位寄存器组合产生）周期：Tu =Nu tu = 2. 35 1014 0.097752 s = 266.4 d实用上P码被分成38部分，每部分周期约7d，码长为 6.19 1012bit搜索时间：6.191012 bit /（50bit/s）= 1.4 106 d (50bit/s 搜索速率)测量精度：2.930.293m（取误差为1/101/100）GPS卫星信号构成 基准频率：F=10.23MHZ，fundamental frequency码： f = 50 HZ（低频信号）C/A码

8、： tu =1/f1=0.97752s ，相当于293.1mP码（Y码）： tu =1/f1=0.097752s ，相当于29.3mL1载波： f1=154F=1575.42MHZ，1=19.03cmL2载波：f2=120F=1227.60MHZ，2=24.42cmGPS卫星信号测距码数据码(D码）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段GPS载波信号生成：f0 x 120f0 x 154f0卫星信号的调制 分为二级调制第一级是导航电文调制到测距随机码：采用二进制编码序列“模二和”算法，调制结果是把数据码(导航电文)从50Hz扩展到1.023MHz(对于C/A码) ，从而在接收信

9、号时，采用CDMA原理，可大大提高获取数据码的信噪比，提高比率为：1.023MHz/50Hz=20460。第二级是测距码调制到载波：采用二进制信号“波形相乘”的算法，将导航电文与测距码合成后的二进制码调制到载波上，这实现了第二次扩频，把测距码（C/A）从1.023MHz扩展到1575.42MHz（L1），在接收机接收GPS信号时，同样根据CDMA原理，可以提高C/A码的信噪比，比率为1575.42MHz/1.023MHz=1540。正是利用扩频原理，接收机在弱信号情况下(-160dBw，瓦分贝，弱于噪声)可以正确捕获信号，并且抗干扰性好。 关于载波调制L1、 L2载波信号 L2 载波P码（Y码

10、）数据码（D码）调制L1 载波C/A码P码（Y码）数据码（D码）调制GPS卫星信号 基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600 GPS卫星的导航电文 一、导航电文（D码）： Navigation Message用于确定卫星瞬间位置的信息，可以分为三类：1）卫星历书(Almanac，精度：数km)2）广播星历(Broadcast Ephemeris，精度： 1m)3）精密星历(Precise Ephemeris，精度： 520cm) 1

11、、组成：卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟偏差校正参数、轨道摄动改正参数、大气折射改正参数、遥测码、交换信息等。2、格式：组成数据帧，按帧向外播发。由25帧组成，播发时间12.5min，播发速度50bit/s。 25 * 1500bit/帧 = 25 * 5 * 300bit /子帧 导航电文卫星星历卫星工作状态时间系统卫星钟偏差校正参数轨道摄动改正参数大气折射改正参数遥测码交换信息子帧5子帧1子帧2子帧3子帧4Navigation MessageGPS 接收机原理 GPS接收机原理框图 伪随机码跟踪环路图载波跟踪环路图延迟锁定环的工作原理定位测量原理 接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地

12、心SiPijPj riRjRj = ri +Pij有关各观测量及已知数据如下：r 为已知的卫地矢量P为观测量（伪距）R为未知的测站点位矢量对卫星进行测距距离观测值的计算接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t单点定位结果的获取单点定位解可以理解为一个后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：精度 , 经度 , 高程 h , 钟差 t采用载波相位

13、观测值发自卫星的电磁波信号：信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm, L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度L1载波L2载波C/A码P-码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m 组成星际站际两次差分观测值可以消减卫星钟的误差可以消减接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消减轨道（星历）误差的影响可以削减大气折射对观测值的影响解算出初始整周未知数 测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成 （1）初始整周未知数n；（

14、2） t 0至ti时刻的整周记数Ci；（3）相位尾数i 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n 为了利用载波相位进行定位，必须先解算出初始整周未知数，取得总观 测值n+Ci+ iTime (0)AmbiguityTime (i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于1m随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数 快速静态定

15、位将这个过程缩短到2-5分钟m精度1.000.10 0.01整周未知数确定后整周未知数确定前00308025时间（分）经典静态定位快速静态定位GPS 定位的误差源1.与GPS 卫星有关的因素SA 美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（ 技术）、在GPS 基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS 进行导航定位时的精度。卫星星历误差在进行GPS 定位时，计算在某时刻GPS 卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。卫星钟差卫星钟差是GPS 卫星上所安装的原子钟的

16、钟面时与GPS 标准时间之间的误差。卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS 卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。电离层延迟 由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。对流层延迟 由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。多路径效应 由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还

17、包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。2. 与传播途径有关的因素 接收机钟差 接收机钟差是GPS 接收机所使用的钟的钟面时与GPS 标准时之间的差异。 接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心偏差是GPS 接收 机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。 接收机软件和硬件造成的误差 在进行GPS 定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。3.与接收机有关的因素4.其它因素GPS 控制部分人为或计算机造成的影响 由于GPS 控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。问题：GPS和光电

18、测距仪都是电磁波测距，为什么GPS不涉及温度气压改正？测量模式与误差消减单点定位载波相位精密测距差分技术相对定位单点定位首先我们可以得到GPS卫星的位置；其次，我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收

19、机接收此信息，使之与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。GPS接收机中的时钟，不可能象在卫星上那样，设置昂贵的原子钟，所以就利用测定第四颗卫星，在计算过程中校准GPS接收机的时钟。 单点定位精度1530米测量型GPS定位原理载波相位精密测距差分技术相对定位Slide 53GPS载波相位测量载波相位测量是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，通过相位差来求解接收机位置。由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P 码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm， L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下， L1载波的观测误差

20、约为2.0mm， L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。载波相位测量有效提高了伪距分辨力，缩小了伪距分辨误差。为进一步提高定位精度提供了可能。差分GPS定位技术差分定位技术来源于前边所讲的误差的差分消减原理。由于地面测量通常需要的是相对位置关系的精确。而且地面测量点之间的距离相对GPS卫星来说太小太小。对于相同的一组卫星来说，其本身的轨道误差等对这些地面观测站的误差的影响基本是相等的。所以通过定位测量结果的差分求解精确的相对位置关系是成立的。差分法所消减的误差源主要有：电离层和对流层效应卫星钟误差星历误差载波相位-消减了距离分辨误差差分算法-消减了电

21、离层和对流层效应、卫星钟误差、星历误差。所以差分定位可靠性大幅提高。实时载波相位差分RTK在地面测量站之间建立实时通讯，实现实时定位。参考站：发送双频载波相位差分信号。流动站：双频接收机动态接收卫星信号和参考站的差分信号。有效距离15km。精度：平面：15cm，高程：210cm。小 结电磁波测距脉冲式光电测距相位式光电测距干涉式激光测距干涉式微波测距（InSAR）伪码式微波测距（GPS）计数法计数+内插微延迟计数周期计数式（双频激光干涉仪）变频式（ME5000测距仪）这些测量原理都是根据米长定义来实现距离测量米长定义：真空-光速-时间。测量原理本质相同。差别仅仅在于实现方式。性能各有所长各有所

22、短。性能特点脉冲式光电测距精度：计数法分辨精度受限，一般只能达米级。内插法和微延迟计数法可达厘米或毫米级。测程：很远，便于实现瞬间大功率发射以实现远测程。速度：很快，单次测量瞬间完成。环境影响：误差受气象条件影响（大气内测量） 。适用场合：人卫测距、三维激光扫描等。技术复杂度：一般性能特点相位式光电测距精度：厘米或毫米级测程：中短程速度：稍慢，几秒种。环境影响：误差受气象条件影响（大气内测量）适用场合：测距仪、全站仪等技术复杂度：一般性能特点干涉式激光测距精度：周期计数法可达亚微米级，变频法可达亚毫米级别。但远距离时误差受气象条件影响大，精度会大打折扣。测程：计数法受激光相干长度限制，测程很短。变频法适用中短程。速度：很慢。环境影响：误差受气象条件影响