GPS定位器的測距原理與信號系統

主動測距與被動測距

GPS屬于被動式衛星定位系統，在被動式測距系統中，用戶天線只需要接收來自這些衛星的導航定位信號，從而就可測得用戶天線至衛星的定位距離或定位距離差。這種發送測距信號和接收測距信號分別位居兩個不同地方的測距方式，稱為被動測距。用它所測得的站星定位距離，并利用已知的衛星在軌位置，可推算出用戶天線的三維位置。這種基于被動測距原理的定位，稱為被動定位。如果發送設備所發射的測距信號經過反射器的反射或轉發，又返回到發送點，為其接收設備所接收，進而測得測距信號所經歷的定位距離。這種發送和接收測距信號位于同一個地方的測距原理，稱為主動測距。用它所測得的站星定位距離和已知的衛星在軌位置，也可推算出用戶現時的三維位置。這種基于主動測距原理的定位，稱為主動定位 。

GPS偽距測量

GPS全球定位系統采用多星高軌測距體制，以定位距離作為基本觀測量，通過對4顆衛星同時進行偽距測量，即可推算出接收機的位置。由于測距可在極短的時間內完成，即定位是在極短的時間內完成的，故可用于動態用戶。

現代測距實質上是使用無線電信號測量其傳播時間來推算定位距離。可以測量往返傳播延遲，也可以測量單程傳播延遲。往返傳播測距即主動測距，要求衛星與用戶均具備收發能力。對用戶來說，這不僅大大增加了儀器的復雜程度，而且從隱蔽性來看也是十分不利的，因為發射信號易造成暴露。單程測距（即被動測距）則在很大程度上避免了上述的缺點。但單程測距要求衛星與用戶接收機的時鐘同步。如果兩個時鐘不同步，那么在所測量的傳播延時時間中，除了因衛星至用戶接收機之間定位距離所引起的傳播延遲之外，還包含了兩個時鐘的鐘差。要達到衛星與用戶時鐘同步，在實際工作中很難做到，但可通過適當方法解決。

偽隨機碼與偽隨機碼測距

在有噪聲干擾的情況下，綜合考慮測距精度、信號帶寬、所需功率及不同衛星識別等問題，全球定位系統采用了偽隨機碼測距技術。偽隨機碼又稱為偽噪聲碼，是一種可以預先確定并可以重復地產生和復制，又具有隨機統計特性的二進制碼序列。在深空通信場合，利用偽隨機編碼信號可以實現低信噪比接收，大大改善了通信的可靠性，且可實現碼分多址通信。此外，利用偽隨機編碼信號可以實現高性能的保密通信。這些特點正符合GPS系統的技術要求。

根據信號檢測理論的普遍結果，在噪聲為具有均勻功率譜的白噪聲條件下，測距的最佳接收機是一個相關接收機。這種接收方式是用發射信號的復制信號（稱為本地信號）和所接收到的信號與噪聲之和進行相關計算，然后通過測量相關函數的最大值的位置來確定目標的定位距離。從相關接收的方式來看，要求測距信號具有類似白噪聲的自相關特性。偽隨機碼測距技術就是這一思想的體現 。

用偽隨機碼測定信號傳播延遲，需檢測相關輸出的極大值。這只能靠逐碼位地移動本地碼進行檢測。考慮到檢測是在積分器進行積分之后進行的，積分時間又不宜太短，這樣檢測到最大相關輸出就要花費一定的時間，即需要一定的捕獲時間。在事先不知道待測定位距離及站鐘鐘差的情況下，碼越長，所需要的捕獲時間就越長。為了縮短捕獲時間，GPS衛星還播發一種短碼，即C/A碼，也稱租碼。由于C/A碼是采用兩個具有良好互相關特性的同碼序列構成的戈爾德碼族，與P碼保持同步，所以在捕獲C/A碼后，可以很方便地捕獲P碼