GPS测量原理及其应用 p43 44距离测量与定位方法（三）

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以下是根据视频转录内容整理的详细笔记：

1. 测距码测距的先决条件原片 @ 00:00*

利用测距码（Range Code）进行距离测量存在一个核心的先决条件：

接收机（Receiver）复制信号的能力：接收机必须能够产生与卫星完全相同的测距码结构。
相关处理（Correlation）：
- 卫星发射测距信号，接收机在本地产生同样的信号。
- 接收机通过调节延迟时间（Delay），使本地信号与接收到的卫星信号在时间上对齐。
- 只有当两者的码结构（Code Structure）和极性完全一致时，通过调整延迟才能使相关系数达到最大（即“相关系数等于1”）。
不匹配的后果：如果本地产生的信号结构与卫星信号不同（例如正交或结构差异），无论如何调整延迟时间，相关系数都不可能达到最大值，从而无法完成测距。

即使测距码技术复杂，GPS系统仍采用它主要基于以下几个关键原因：

信号强度极低：
- GPS卫星位于距离地面约 20,000 公里的高空。
- 卫星依靠太阳能帆板供电，发射功率有限（仅几十瓦）。
- 到达地面的信号极其微弱，淹没在各种背景噪声（干扰信号）中。
- 信噪比：接收到的卫星信号强度可能仅为环境干扰信号强度的万分之一（1/10000）。
相关检测原理：
- 测距码具有独特的伪随机噪声（Pseudo-Random Noise）结构。
- 干扰信号的结构与测距码完全不同。
- 提取过程：接收机产生特定的测距码与接收信号进行相关处理。由于干扰信号与测距码不相关（相关系数 \approx 0），而真实的卫星信号与本地码相关（相关系数 \approx 1），从而能从“噪信汪洋大海”中提取出微弱的卫星信号。

Screenshot-[06:47]

相比于脉冲信号，测距码能显著提高测量精度：

脉冲信号（Pulse Signal）的局限：
- 脉冲测距通常依赖信号的前沿（Leading Edge）或幅度最大的时刻作为基准。
- 如果仅依赖某一个时刻（如前沿），一旦该时刻的信号受到干扰变形，测距误差会直接反映在结果中。
测距码的优势（积分平均效应）：
- 测距码不是依赖单一时刻，而是利用整个积分间隔（Integration Interval）内的所有码元进行比对。
- 信号畸变处理：
  - 卫星信号经过长距离传输，受电离层、对流层及干扰影响，波形会发生畸变（不再是标准的方波）。
  - Screenshot-[08:47]
  - 在相关处理时，接收机寻找的是相关系数最大值（Maximum Correlation Coefficient）。
- 统计平均：
  - Screenshot-[09:02]
  - 相关处理相当于对积分间隔内的成千上万个码元进行了一次“统计平均”。
  - 即使单个码元发生畸变，只要整体结构匹配，通过寻找整个序列的最佳对齐点（相关峰），可以获得比单点测量更高的精度。
  - 这相当于几百个信号共同参与比对，取其平均效果，从而平滑了随机噪声带来的误差。

利用测距码可以实现 码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA），区分不同的卫星信号。

正交性（Orthogonality）：
- 不同卫星（如3号卫星、5号卫星）使用结构不同且相互正交的测距码。
- 数学特性：
  - 同一卫星的码自相关特性强（R \approx 1）。
  - 不同卫星的码互相关特性极弱（R \approx 0）。
单频多星：
- 所有卫星使用相同的载波频率发射信号。
- Screenshot-[14:02]
- 天线接收到的是所有卫星信号和干扰的混合波。
- 物理上不可分，逻辑上可分：在物理层面无法将信号分开，但在信号处理层面，通过通道（Channel）分配特定的码结构进行过滤。
工作原理：
- 若通道被分配跟踪3号卫星，接收机就产生3号卫星的测距码。
- 该通道对输入混合信号进行相关处理：
  - 只有混合信号中的3号卫星成分能产生相关峰（R_{max}）。
  - 8号、11号等其他卫星信号由于码结构正交，相乘积分为0，不会对测量产生干扰。
- 结论：一台接收机可以利用多个通道，通过产生不同的码，同时跟踪和测量多颗卫星的距离。

测距码技术赋予了系统管理者（如军方）对GPS系统的控制权（AS政策, Anti-Spoofing）。

控制机制：
- 系统管理者可以通过控制码结构（Code Structure）的公开程度来限制用户使用。
- 公开码 vs. 保密码：
  - C/A码（粗码）是公开的，任何厂商都可以制造接收机。
  - P码（精码）后期被加密为 Y码（通过叠加W码）。
拒绝服务（Access Denial）：
- Y码的生成算法和电路结构是保密的（仅告知授权厂家或军方用户）。
- 如果接收机无法产生本地的Y码，就无法与卫星发射的Y码进行相关处理。
- 结果：普通用户虽然能接收到Y码信号，但无法利用它进行测距和定位。
- 这使得美国军方能够由对系统进行权限管理：让谁用谁就能用，不让谁用谁就无法使用高精度服务。

本节课程深入讲解了GPS测距码（Range Code）的核心原理及其在定位中的关键作用。