GPS测距原理.ppt

* 北京合众思壮科技有限责任公司 徐 刚 卫星定位的基本知识 (二)测距原理 目 录 卫星定位的步凑 测距原理及其实现 不同测距方法比较 总 结 GPS 定位步骤 要解算用户的三维坐标位置，必须有若干个已知参考点 要解算出用户到参考点的基线结果，必须解空间三角形 要解三角形，必须测量用户接收机到卫星的距离 要测量距离，必须测量卫星信号到用户接收机的传输时间 用测量卫星信号的传输时间，需要使用“码相位技术” 要得到精确结果，还要消除信号在传输路径上的误差 目 录 卫星定位的步凑 测距原理及其实现 不同测距方法比较 总 结 测量用户接收机到卫星的距离 卫星离地球的平均距离为 20200 公里； 如何实现精确、快速测距 ? 测量卫星信号到用户接收机的传输时间 判断闪电离我们有多远 判断绽放的礼花离我们有多远 我们得到的启示：通过测量时间延迟来计算距离 生活中的测距实例 我们举例说明如何测量两个人之间的距离 使用“同步技术”，利用声波来测量两个人之间的距离。 同步声波特点：频率一样，结构一致 初始状态 通过加入1/4拍延时 通过加入 (1/4 + 1/8) 拍延时 红色信号部分是通过“等待”了 (1/4 + 1/8) 拍来得到和绿色信号同步的，即二者的时延就是 (1/4 + 1/8) 拍。 从聆听者的角度来说，当两首歌曲听起来感觉没有一前一后的效果时，就可以认为两首歌曲已经达到同步效果了，是同时到达聆听者的耳朵里。这个效果是由红色信号部分人为地加上延时造成的。 聆听者 通过测定红色信号的延时值，可以得到两点间的距离。 距离 = Δt × 声速 为了使我们的测距尽可能的快，结果又要准确，我们在设计整个测距方案时，用于测定时延的“歌曲”在选定或编制中不得存在歌词重复的现象。 什么叫“整周模糊度”？ 歌词长短对测距精度的影响 假如用于同步的歌曲长度为 60 秒，总共含 10 个字，则每个字平均占 6 秒。当两个音频信号进行同步时，误差最大可到 5 秒。 如果单位时间内包含的歌词太少，每个歌词所占用的时间较长，这给同步精度带来了较大误差。如果我们把歌曲调整一下，使得歌曲在同等时间内包含更多的歌词，则每个歌词所占用的时间(即码元宽度)就会较短，在相同的分辨率下，达到同步对应的误差就会大大减少。 假如用于同步的歌曲长度为 60 秒，总共含 120 个字，则每个字平均占 0.5 秒。当两个音频信号到达同步时，误差最大为接近 0.5秒。 这好比要把两把尺子对齐，如果尺子的最小刻度为厘米，则对齐后所带来的系统误差最大为 0.9 厘米；如果尺子的最小刻度是毫米，则对齐后所带来的误差最大为 0.9 毫米。二者为10倍的关系。可见，刻度越小，同步对应的精度就越高。 由此可见，我们用于同步的信号源应具有码元短的特性。 歌曲长度为 60 秒，当歌曲包含10个字时，每个字平均占用 6 秒，则同步误差最大为 5.9 秒；当歌曲包含1200个字时，每个字平均占用 0.005 秒，则同步误差最大为0.0049 秒。音速为 344米/秒，则二者对应的最大测距误差分别为 1720 米和 1.68 米。 综上，为保证测距精度，我们需要关注以下几点指标： 为保证同步的精度，单位时间内，歌词应尽可能地多，这样每个字对应的时间(码元宽度)则会较短； 保证两个人同时唱歌(具有相同的初相和相位)； 聆听者必须有较高的灵敏度，能在最佳时刻同步(满足相关峰值最大)； 在GPS 测距技术中，用于同步的“歌曲”叫伪噪声码，即 C/A 码。C/A 码为民用码，码长很短，周期只有 1 毫秒，结构较为简单，在一个周期内码结构不会出现重复现象，可实现快速测距。 用于测距的C/A码结果简单，可实现快速测距。 C/A 码的码长为1023 bit，码元宽度是 0.97752 微秒。在一个周期内(1毫秒)，码结构不会出现重复。 当卫星发射一伪随机码，接收机内也产生一个相同结构的伪随机码。当卫星信号经过传播距离的延迟 ζ 后到达接收机，与本地码进行相关运算；通过移动本地码，使相关函数达到最大值(即峰值)。这样，本地码所移动的时间延迟值就是卫星信号在空间的传播时间 ζ，乘以光速就可以得到所测距离。 需要说明的是，测距仅仅是定位的一个中间环节，测距精度并不等同于定位精度。电离层误差、对流层误差、多路径效应、星历误差等因素都会导致定位精度的降低。但测距精度是衡量接收机性能的一个重要指标。 测距精度对定位精度的影响 #1 #2 #3 #4 SF2050M 目 录 卫星定位的步凑 测距原理及其实现 不同测距方法比较 总 结 很难 非常高 ( 3 ~ 50 毫米) 载波相位 较难 较高 ( 3 ~ 5 米 ) P 码 容易 一般 ( 10 ~ 15 米 )