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GPS定位器:导航仪的定位原理


发布时间:2014-08-02 00:53:18   文章来源:【博翔腾达科技】

 

GPS 的定位是利用卫星基本三角定位原理,GPS 接收装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离,以距离来判定卫星在太空中的位置,这是一种高轨道与精密定位的观测方式。假设卫星在11,000英哩高处,测量我们的距离,首先以11,000英哩为半径,以此卫星为圆心画一圆,而我们位置正处于球面上。 再假设第二颗卫星距离我们12,000英哩,而我们正处于这二颗球所交集的圆周上。现在我们再以第三颗卫星做精密定位,假设高度13,000 英哩,我们即可进一步缩小范围到二点位置上,但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点,因此,我们舍弃这一点参考点,选择另一点为位置参考点。

如果要获得更精确的定位,则必定要再测量第四个颗卫星,从基本物理的观念上来说,以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离,我们将此测得的距离称为虚拟距离,在 GPS 的测量上,我们测的是无线信号,速度几乎达18万6千英哩/Sec的光速,而时间却短的惊人,甚至只要0.06秒,时间的测量需要二个不同的时表,一个时表装置于卫星上以记录无线电信号传送的时间,另一个时表则装置在接收器上,用以记录无线电信号接收的时间,虽然卫星传送信号至接收器的时间极短,但时间上并不同步,假设卫星与接收器同时发出声音给我们,我们会听到二种不同的声音,这是因为卫星从11,000英哩远的地方传来,所以会有延迟的时间,因此,我们可以延迟接收器的时间,从此延迟的时间╳速度,就是接收器到卫星的距离,此即为 GPS 的基本定位原理。

伪随机码 (Pseudo Random Code)

在一般状况下,卫星传送伪随机码(Pseudo Random Code.) 信号,伪随机码是GPS最基本部份,其实它是最复杂的,它是一串 0 与 1 的脉冲讯号,由于他是如此复杂,以致于看起来像杂乱的讯号一般,这也就是我们称为伪随机码的原因。

我们为什么要将编码设计如此复杂呢?让我们为您说明如下:

复杂的格式能让我们确定接收器所得的讯号并不会碰巧与一些不相干的讯号同步,也就是说这种复杂的讯号格式不可能与存在于大自然中的杂散讯号相同,每个卫星都有其独一无二的伪随机码(PRC),此种编码方式才不致与其他讯号相混淆,事实上,PRC也给了美国国防部 (DoD)控制此系统的方法,而为什么将PRC设计的如此复杂还有一个重要的原因,就是为了使GPS变得更经济,这种码利用信息论放大GPS讯号,而不需要如同电视天线般的大碟天线来接收卫星讯号,您可能好奇为什么电视天线不也如此设计,来舍弃这种大碟天线呢?其中的原因便在于速度,GPS信号所含的信息量极低,基本上它只是一个时间脉冲,所以我们可以一再地比较它的讯号,但电视讯号传送了许多信息量,而且变化极快,若是利用这样的比较系统的话,速度必会变得太慢而且更麻烦,关于伪随机码的数据,我们将另辟一章为您说明。

一般而言,GPS卫星传送两种频率的载波, L1 (Link 1) 载波的频率为1575.42 MHZ,L2 (Link 2)载波的频率为1227.60MHZ。

这两种载波可修正电离层迟滞效应的误差,在载波上除了状态消息之外,并调制了 2个供定时的伪乱码(PRC):

1.C/A码 (Coarse Acqusition Code),频率为 1.023 MHZ,仅在L1载波上作调变,每1023位重复一次,以 1 MHZ 的数据作调变,提供给一般民间使用。但基于国家安全的考虑,美国国防部刻意以无线电讯号干扰卫星上的原子钟,并宣告一些不准确的轨道参数来造成定位误差。这即是所谓的SA (Selective Availability)效应。

2.P码 (Precise Code),频率为10.23MHZ,每七天重复一次可同时采用L1及L2载波调变,主要提供军事用途,P码的频率大约是C/A码的10倍不但更为精确,也更不易被干扰,另外美国国防部增加了一种 A.S.码 (Anti - Spoofing),以将 P码加密之后转换成Y码,一般用户无法译码,因此必须加装译码器,才可取得较高精度的观测量,况且使用P(Y) 码必须经过相关单位的核准,因此,这种伪乱码大部份只提供军方来使用。

 

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