GPS伪距定位原理解析

码
随机噪声码
-- 表达不同信息的二进制组合（0和1）。
-- 对于某一时刻，码元是0或1完全是随机的。
（编码无规律、非周期性、自相关性好、无法复制）
1 0 1111 00 1111 0 1 00 1 00 1111 00 11 00 1111 0 11
两组码元相互对齐
时间延迟
c t
伪随机噪声码 -- Pseudo Random Noise（PRN）
R -- 观测伪距（observed）
-- 卫地几何距离（geometric）
ts

-- 信号发射时刻（GPST）
tr
-- 信号接收时刻（GPST）
若考虑卫星钟和接收机钟的误差，则距离观测值就要 表示成：
Rrs (tr , ts ) c (tr tr ) (ts ts ) c (tr ts ) c ( tr ts )
GPS伪距定位原理
授课教师：刘志强 单 位：河海大学
主要内容

（一）GPS测距码及其特性 （二）伪随机码的测距原理
（三）卫星伪距导航基本原理
（四）导航定位精度的评估方法
一 GPS测距码及其特性

1.1 伪随机噪声码 1.2 GPS测距码

1.1 伪随机噪声码
码
随机噪声码
伪随机噪声码
特点：
① 先捕获C/A码，再根据导航电文信息捕获P码；
（50 bit/s 1.4x106 days）
② 码元宽度为C/A码的1/10； （对齐误差1/100 0.29m、精码）
③ AS (Anti-Spoofing)、P码 W码 P(Y)码
（01/31/1994、调制在L1、L2载波上、接收机技术 Z-tracking）
周期 -- 266 days 码长 -- 2.35x1014 bit 码元宽 -- 0.097752 s (29.30 m)
32 SVs -- P码37周不会有重复，这样就可以为不同的卫星指定P码不
同周的部分。每颗卫星所使用的P码不同部分，码长和周期相同，结构 不同。e.g. PRN 01、 PRN 02 … …
② 码元宽度较大、测距精度较低； （对齐误差1/100 2.93m、粗码） ③ 结构公开、民用；
（调制在L1、L2载波上）
④ 不同卫星发射不同C/A码序列。
（属于Gold码、低互相关性，快速区分不同卫星的信号）
1.2 GPS测距码(II)

P码（Precision code）
266/ 37 = 7 days 2.35x1014 bit
干扰信号
kW
离用户距离 数km ~ 数百km
测距码的独特结构

2）可提高测距精度
积分间隔 T 中所有码总体上对得最好
所有码分别测距取平均
2.2 测距码测定伪距特点(II)
3）便于码分多址技术对卫星信号的识别
码分多址 CDMA -- Code Division Multiple Access
PRN 01
二 伪随机码的测距原理

2.1 测距基本原理 2.2 测距码测定伪距特点 2.3 伪距观测方程


2.1 测定伪距原理(I)
卫星 卫星钟 测距码

接收机 接收机钟
t
时间延迟器
复制码
卫地距
c c t
【时间延迟的测定】
伪距
接收机产生 结构相同的测距码 复制码
不断变动延迟时间

相关系数
R 1
搜索卫星信号
锁定卫星信号
2.1 测定伪距原理(II)
对比时刻
t 对应的某一结构的测距码
u(t )
接收的来自卫星的测距码
经时延器延迟后的复制码
u (t t ) u(t )
两组信号的相关系数： 1 R T
原 因
u (t t )u (t )dt
T
理论值 实际值
te ts -- 卫星钟面时
tr tr -- 接收机钟面时
Rrs (tr , te ) rs (tr , ts ) ( tr ts )c
2.3 伪距观测方程(II)
若将所有的误差项考虑在内，则距离观测值可如下表 示：

Rrs (tr , te ) rs (tr , ts ) ( tr ts )c ion trop rel tide mul
R 1
（两组信号完全对齐） （所有码总体上对得最好）
R max
① 卫星钟和接收机钟存在误差，引起两组信号的码宽 度与理论值并不完全相同；
② 卫星信号在长距离传播过程中可能产生畸变。
最大相关性分析
信号传播时间
2.2 测距码测定伪距特点(I)

1）易于提取微弱的卫星信号
卫星信号 20 W 卫地距 2x104 km
未知参数：
接收机位置 -- ( xr , yr , zr )T
接收机钟差 --
tr
三 卫星伪距导航基本原理

3.1 伪距观测方程线性化 3.2 伪距单点定位实现

3.1 伪距观测方程线性化(I)
Rrs (tr , te ) ( xs xr )2 ( ys yr ) 2 ( zs zr ) 2 ( tr ts )c
PRN 02 PRN xx
nois e
4）便于对系统进行控制和管理
C/A码 P(Y)码
标准定位服务 SPS
…
ch1 ch2
…
chx
公开或加密码结构
精密定位服务 PPS
2.3 伪距观测方程(I)
在真空中且无误差的情况下，距离观测值等于卫地几 何距离，表示如下：

Rrs (tr , ts ) c (tr ts ) rs (tr , ts )

Rrs (tr , te ) ( xs xr )2 ( ys yr )2 ( zs zr )2 ( tr ts )c
伪距观测方程
Rrs (tr , te ) ( xs xr )2 Fra Baidu bibliotek( ys yr ) 2 ( zs zr ) 2 ( tr ts )c
（编码规则确定、周期性、自相关性好、可复制）
1.2 GPS测距码(I)

C/A码（Coarse/Acquisition code）
周期 -- 1 ms 码长 -- 1023 bit 码元宽 -- 0.97752 s (293.05 m)
特点：
① 码长短、易捕获；
（50 bit/s 20.5s）