GPS定位器的测距原理与信号系统

主动测距与被动测距

GPS属于被动式卫星定位系统，在被动式测距系统中，用户天线只需要接收来自这些卫星的导航定位信号，从而就可测得用户天线至卫星的定位距离或定位距离差。这种发送测距信号和接收测距信号分别位居两个不同地方的测距方式，称为被动测距。用它所测得的站星定位距离，并利用已知的卫星在轨位置，可推算出用户天线的三维位置。这种基于被动测距原理的定位，称为被动定位。如果发送设备所发射的测距信号经过反射器的反射或转发，又返回到发送点，为其接收设备所接收，进而测得测距信号所经历的定位距离。这种发送和接收测距信号位于同一个地方的测距原理，称为主动测距。用它所测得的站星定位距离和已知的卫星在轨位置，也可推算出用户现时的三维位置。这种基于主动测距原理的定位，称为主动定位 。

GPS伪距测量

GPS全球定位系统采用多星高轨测距体制，以定位距离作为基本观测量，通过对4颗卫星同时进行伪距测量，即可推算出接收机的位置。由于测距可在极短的时间内完成，即定位是在极短的时间内完成的，故可用于动态用户。

现代测距实质上是使用无线电信号测量其传播时间来推算定位距离。可以测量往返传播延迟，也可以测量单程传播延迟。往返传播测距即主动测距，要求卫星与用户均具备收发能力。对用户来说，这不仅大大增加了仪器的复杂程度，而且从隐蔽性来看也是十分不利的，因为发射信号易造成暴露。单程测距（即被动测距）则在很大程度上避免了上述的缺点。但单程测距要求卫星与用户接收机的时钟同步。如果两个时钟不同步，那么在所测量的传播延时时间中，除了因卫星至用户接收机之间定位距离所引起的传播延迟之外，还包含了两个时钟的钟差。要达到卫星与用户时钟同步，在实际工作中很难做到，但可通过适当方法解决。

伪随机码与伪随机码测距

在有噪声干扰的情况下，综合考虑测距精度、信号带宽、所需功率及不同卫星识别等问题，全球定位系统采用了伪随机码测距技术。伪随机码又称为伪噪声码，是一种可以预先确定并可以重复地产生和复制，又具有随机统计特性的二进制码序列。在深空通信场合，利用伪随机编码信号可以实现低信噪比接收，大大改善了通信的可靠性，且可实现码分多址通信。此外，利用伪随机编码信号可以实现高性能的保密通信。这些特点正符合GPS系统的技术要求。

根据信号检测理论的普遍结果，在噪声为具有均匀功率谱的白噪声条件下，测距的最佳接收机是一个相关接收机。这种接收方式是用发射信号的复制信号（称为本地信号）和所接收到的信号与噪声之和进行相关计算，然后通过测量相关函数的最大值的位置来确定目标的定位距离。从相关接收的方式来看，要求测距信号具有类似白噪声的自相关特性。伪随机码测距技术就是这一思想的体现 。

用伪随机码测定信号传播延迟，需检测相关输出的极大值。这只能靠逐码位地移动本地码进行检测。考虑到检测是在积分器进行积分之后进行的，积分时间又不宜太短，这样检测到最大相关输出就要花费一定的时间，即需要一定的捕获时间。在事先不知道待测定位距离及站钟钟差的情况下，码越长，所需要的捕获时间就越长。为了缩短捕获时间，GPS卫星还播发一种短码，即C/A码，也称租码。由于C/A码是采用两个具有良好互相关特性的同码序列构成的戈尔德码族，与P码保持同步，所以在捕获C/A码后，可以很方便地捕获P码