GPS信號基礎——載波拍頻相位、GPS和都卜勒效應

2021-01-08 測繪科學與環境生態

39.載波拍頻相位

載波相位觀測有時被稱為重構或者重建載波相位或載波拍頻相位觀測。在這種情況下,拍頻是由兩種不同頻率的波組合而成的脈衝。當兩個不同音調的音符同時發出時,也會出現類似的情況。它們兩個頻率疊加在一起,形成了第三個音符,稱為拍頻。音樂家通過聽到兩個音調細微差別的拍頻來調整他們的樂器。第三次脈衝的頻率可能與兩個原始頻率的差值或和相同。

拍頻現象並不是音符所獨有的;當具有不同頻率的任一對振蕩器組合在一起時,就會發生。在GPS中,當GPS接收機產生的載波與從衛星接收到的載波相結合時,就會產生一個拍頻,如圖1所示。

圖1 載波成拍相位

最初,這似乎並不合理。如何將兩個完全相同的未調製載波組合來產生拍頻?衛星發出的L1載波和接收機產生的L1載波在頻率上應該沒有區別。它們具有相同頻率(1575.42 MHz)。如果頻率沒有差別,怎麼可能產生拍頻呢?但實際上,這兩個載波之間有一點細微的不同。當載波從GPS衛星到接收機的過程中,載波頻率發生了變化。這種頻率變化現象被稱為都卜勒效應。

40.都卜勒效應

聲音可為解釋這一現象提供一種模式。音調升高表示聲音頻率增加,反之低音是頻率降低的結果。一個靜止的觀察者聽到路過火車喇叭聲增加時,將會注意到火車越來越靠近,音調就越高,而當火車駛離時,音調就會降低。此外,站在軌道旁的觀察者能夠清楚地聽到聲音的變化,但是駕駛火車的工程師卻聽不到。他只能聽到一種持續、穩定的音調。火車與觀察者的之間相對運動引起了喇叭聲音頻率的明顯變化。

1842年,克裡斯蒂安.都卜勒描述了這種頻移,現在仍以他的名字來命名。他用海洋裡的一艘船與等間距波浪進行類比。在寓言中,當船靜止不動時,海浪會一秒一秒地不停地衝擊它。然而,如果船駛入波浪,它們會更頻繁地穿過船頭。如果此時船掉頭,順著波浪航行,它們就不那麼頻繁地襲擊船尾。海浪本身並沒有改變,它們的頻率是恆定的,但是對於船上的觀察者而言,它們的頻率似乎取決於船的運動。

41.GPS和都卜勒效應

從觀察者角度來看,無論是信號源,觀察者,還是他們都在運動,當它們相向移動時頻率增加,當它們向背運動時頻率減少。都卜勒效應與信號波長成反比。因此,如果GPS衛星朝向接收機運動,載波信號就會比衛星發出時更高的頻率進入接收機。如果GPS衛星遠離觀測者時,進入接收機的載波頻率要比衛星發出的頻率要低。GPS衛星相對於觀測者幾乎總是運動,所以,從GPS衛星接收到的任何信號都具有都卜勒頻移。

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