電磁波的傳播與GPS衛(wèi)星的信號(hào)

教學(xué)內(nèi)容：電磁波傳播的基本概念，大氣層對(duì)電磁波傳播的影響，GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)，GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電。知識(shí)目標(biāo)：了解電磁波的基本概念和其參數(shù)的構(gòu)成；了解大氣環(huán)境對(duì)電磁波傳播的主要影響因素和其相應(yīng)的減弱影響的措施；掌握碼的相關(guān)概念、碼的構(gòu)成及其相應(yīng)的特性；掌握GPS導(dǎo)航電文的格式及其內(nèi)容。學(xué)習(xí)情境4電磁波的傳播與GPS衛(wèi)星的信號(hào)一、電磁波及其參數(shù)周期T、頻率f、速度v、波長(zhǎng)λ、相位φ及其相互關(guān)系：T=1/f，λ=T*v子情境1電磁波傳播的基本概念若設(shè)電磁波的波長(zhǎng)為λ，相位常數(shù)為k，則有關(guān)系式：電磁波在真空中的傳播速度為c二、電磁波的傳播速度與大氣折射折射率n折射數(shù)群波的傳播速度為群速Vg通過大氣層的電磁波頻率f，則相應(yīng)的折射率表4-1給出了常用波段的劃分方法及其表示符號(hào)電磁波的頻譜圖4-1電磁波的頻子情境2大氣層對(duì)電磁波傳播的影響一、大氣的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)1.大氣結(jié)構(gòu)概況眾所周知，地球的表面包圍著一層很厚的大氣，大氣的總質(zhì)量約為3.9×1018kg，大約是地球總質(zhì)量的百萬分之一。由于地球吸引力的作用，引起大氣的質(zhì)量在垂直方向分布極不均勻，主要集中在大氣層的底部，其中75％的質(zhì)量分布在10km以下，而90％以上的質(zhì)量分布在30km以下。圖4-2大氣層的分類2.對(duì)流層的性質(zhì)對(duì)流層，指從地面向上約40km范圍內(nèi)的大氣底層。整個(gè)大氣層質(zhì)量的99％，幾乎都集中在該大氣層中。對(duì)流層與地面接觸，并從地面得到輻射熱能，其溫度一般隨高度的上升而降低，平均每升高1km降低約6.5℃。而在水平方向（南北方向），溫度差每100km一般不會(huì)超過1℃。有少量電子，對(duì)電磁波的傳播幾乎沒有影響。電磁波的傳播速度與頻率無關(guān)。大氣中含有水滴、塵埃等雜質(zhì)，對(duì)電磁波的傳播具有很大的影響。圖4-3折射數(shù)N0隨高度的變化為了說明高度角的變化對(duì)對(duì)流層折射的影響，現(xiàn)將電磁波傳播路徑的差值隨高度角的變化情況列于表4-2。3.電離層的性質(zhì)電離層是高度位于50～1000km的大氣層。由于原子氧吸收了太陽紫外線的能量，故該大氣層的溫度，隨高度的上升而迅速升高。含高密度的帶電粒子：與大氣輻射強(qiáng)度、大氣密度、高度、太陽黑子活動(dòng)相關(guān)。當(dāng)電磁波穿過電離層時(shí)，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，所以大氣對(duì)電磁波的傳播屬于彌散性介質(zhì)。影響帶電離子密度的因素電離層高度，200~400km時(shí)密度最大；地方時(shí)，白天是晚上的5倍，地方時(shí)11時(shí)最大；季節(jié)，夏天是冬天的4倍；測(cè)站緯度，赤道最高，南北極最低；年份，太陽黑子活動(dòng)周期為11年，最高年份可達(dá)1016/m2,最低年份近于零。58，69，80，91，02年最高。對(duì)流層與電離層比較對(duì)流層 電離層H越大，t越低 H越大，t越高與氣象有關(guān) 與氣象無關(guān)與f無關(guān) 與f有關(guān)n>1 n<1二、對(duì)流層的影響和改正

對(duì)于頻率小于30GHz的電磁波傳播為非彌散性介質(zhì)由于對(duì)流層折射的影響，在天頂方向，可使電磁波的傳播路徑差2.3m，高度角為10°時(shí)可達(dá)20m。

3、對(duì)流層影響與電磁波頻率無關(guān)，1）完善大氣折射改正模型；2）作為未知數(shù)求解；3）盡可能充分地掌握觀測(cè)站周圍地區(qū)的實(shí)時(shí)氣象資料；4）用水汽輻射計(jì)計(jì)算大氣濕分量的改正項(xiàng)。水汽輻射計(jì)

三、電離層的影響和改正電離層中，電磁波的折射率<1

折射率與大氣電子密度成反比，與通過的電磁波頻率的平方成正比。對(duì)于確定的電磁波頻率來說，電子密度與輻射強(qiáng)度、季節(jié)、時(shí)間、地理位置、太陽黑子的活動(dòng)強(qiáng)度等有關(guān)。圖4-4太陽黑子數(shù)的預(yù)報(bào)值當(dāng)電磁波的傳播方向偏離天頂方向時(shí)，電子總量會(huì)明顯地增加。若在傾角為hs的方向上，電子總數(shù)設(shè)為Nh，則有近似式：據(jù)實(shí)際資料分析可得，對(duì)于GPS來說，由于電離層折射引起的電磁波傳播路徑的距離差，延天頂方向，最大可達(dá)50m，延水平方向最大可達(dá)150m。當(dāng)電磁波的頻率不同時(shí)，電離層對(duì)傳播路線的影響見表4-3。1.利用兩種不同的頻率進(jìn)行觀測(cè)表4-4列出了經(jīng)不同雙頻觀測(cè)改正后，仍可能含有的電離層折射影響的殘差2.兩觀測(cè)站同步觀測(cè)量求差3.電離層改正模型

圖4-7電離層改正模型

偽距測(cè)量值與載波相位測(cè)量值的電離層折射改正大小相同，符號(hào)相反。因而有人建議用載波相位測(cè)量觀測(cè)值來改正偽距測(cè)量中的電離層折射。方法很簡(jiǎn)單，只需將同一觀測(cè)時(shí)刻的載波相位測(cè)量觀測(cè)值和偽距測(cè)量觀測(cè)值取中數(shù)即可消除電離層折射的影響，這種方法被稱為半和改正法。但這會(huì)引入一個(gè)整周未知數(shù)N，造成諸多不便，因而未被廣泛采用。注意不能反過來利用偽距觀測(cè)值來求改正載波相位觀測(cè)值中的電離層折射。4.半和改正法子情境3GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)1、GPS衛(wèi)星信號(hào)概述載波信號(hào)：

L11.57542GHz。

L21.22760GHz。測(cè)距碼信號(hào)：C/A碼，P碼。數(shù)據(jù)碼信號(hào)：導(dǎo)航電文。2、碼的概念及其產(chǎn)生

1）碼的基本概念碼——表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合碼元——一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)碼元。編碼——用二進(jìn)制數(shù)表示信息的過程。信息量——某種事物有2r種類型，可用r位二進(jìn)制數(shù)表示，即含有r比特的信息量。信息的傳輸速度——單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。碼元寬度——傳輸一個(gè)碼元所用時(shí)間。

模二加法：碼序列——將r比特的二進(jìn)制數(shù)看作是由0、1組成的序列。2）隨機(jī)碼——在一個(gè)碼序列中，0和1出現(xiàn)的概率相等（1/2），而某一碼元是0或是1卻是隨機(jī)的，事先無法確定的，這樣的碼序列叫隨機(jī)碼。隨機(jī)碼特點(diǎn)：非周期性序列；自相關(guān)性好；無法復(fù)制。自相關(guān)性用自相關(guān)系數(shù)表示，自相關(guān)系數(shù)——將隨即序列U（t）平移k個(gè)碼元，平移后與平移前兩序列相同碼元個(gè)數(shù)A，相異個(gè)數(shù)B，（A-B）/（A+B）叫自相關(guān)系數(shù)，用R（t）表示。自相關(guān)性好——原碼與復(fù)制碼對(duì)齊R（t）=1，不對(duì)齊≈0。自相關(guān)系數(shù)：11101001110100

11101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/7。11101001110100

11101001110101R(t)=(3-4)/7=-1/73）偽隨機(jī)噪聲碼及其產(chǎn)生偽隨機(jī)碼——有良好的自相關(guān)性且按周期重復(fù)出現(xiàn)的二進(jìn)制碼。產(chǎn)生：多級(jí)反饋移位寄存器（P38）；也可用程序產(chǎn)生。111100010011010111100010011010碼的產(chǎn)生四級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的特性碼序列：111100010011010111100010011010鐘頻：fc

;碼元寬度：τ0=1/fc

；碼長(zhǎng)：Nu=24-1=15bit；周期：T=τ0.Nu

；自相關(guān)系數(shù)：對(duì)齊：1，不對(duì)齊：-1/15。r級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的特性碼元寬度：τ0=1/fc

；碼長(zhǎng)：Nu=2r-1；周期：T=τ0.Nu

；自相關(guān)系數(shù)：對(duì)齊：1，不對(duì)齊：-1/(2r-1)。三、GPS的測(cè)距碼1）C/A碼兩個(gè)10級(jí)移位寄存器產(chǎn)生兩個(gè)偽隨機(jī)碼G1、G2。G2平移1~1023碼元，得1023個(gè)新碼，與G1模二相加。不同衛(wèi)星用不同碼。鐘頻：1.023MHz；碼元寬度：0.97752μs，碼長(zhǎng)：210-1=1023bit，周期：0.97752μs×1023=1ms，測(cè)尺長(zhǎng)度：300km，測(cè)時(shí)精度：0.97752μs/100=0.0097752μs，測(cè)距精度：299792458m/s×9.7752×10-9=2.93m。2）P碼4個(gè)12級(jí)移位寄存器，每個(gè)移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的碼長(zhǎng)為：212-1=4095bit，設(shè)4個(gè)碼為：A，B，C，D；將其組合成復(fù)雜的復(fù)合碼，如：ADDBACAADCBA等。鐘頻：10.23MHz；碼元寬度：0.097752μs，碼長(zhǎng)：2.35×1014bit，周期：0.097752μs×2.35×1014=267天測(cè)時(shí)精度：0.097752μs/100=9.7752×10-10s，測(cè)距精度：299792458×9.7752×10-10=0.293m。1、接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼并產(chǎn)生相同的復(fù)制碼；2、接收碼比復(fù)制碼滯后一段時(shí)間；3、時(shí)延器將復(fù)制碼延后（向后移位），直到與接收碼對(duì)齊為止，記錄延后時(shí)間，即為電磁波在星站間傳播所用時(shí)間。復(fù)制碼１１１１０００１００１１０１０１１１接收碼１１１１０００１００１１０１０4*、冷啟動(dòng)，接收碼(來自某衛(wèi)星）與50多個(gè)復(fù)制碼（接收機(jī)產(chǎn)生）一一比較，兩者相同叫鎖定。熱啟動(dòng)，冷啟動(dòng)后有記憶，以后啟動(dòng)不必一一比較。四、接收機(jī)的基本原理數(shù)據(jù)接收五、ＧＰＳ衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)成１、調(diào)制調(diào)制就是在載波上加上信號(hào)碼，方法是用調(diào)相技術(shù)將信號(hào)調(diào)制到載波上。二進(jìn)制碼（電位）1(-1)0(1)載波相位改變180°不變2、解調(diào)解調(diào)就是去掉二進(jìn)制碼，只留下載波。方法有兩種。1）復(fù)制碼與信號(hào)碼對(duì)齊時(shí)相乘（電位相乘，二進(jìn)制數(shù)模二相加）2）平方解調(diào)（電位平方）解調(diào)后得載波，用載波可進(jìn)行載波相位測(cè)量（原理是測(cè)出載波由衛(wèi)星傳播到接收機(jī)產(chǎn)生的載波相位延遲）。3、載波精度L1頻率：1.57542GHz。波長(zhǎng)：299792458/1.57542×109=19.03cm。測(cè)距精度：19.03cm/100=1.9mm。L2頻率：1.22760GHz。波長(zhǎng)：299792458/1.22760×109=24.42cm。測(cè)距精度：24.42cm/100=2.4mm。子情境4GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文

一、導(dǎo)航電文及其格式

圖4-19導(dǎo)航電文格式二、導(dǎo)航電文的內(nèi)容

圖4-20一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容1.遙測(cè)碼TLW主要是說明注入數(shù)據(jù)是否可靠2.轉(zhuǎn)換碼HOW用C/A碼捕獲P碼用圖4-21Z計(jì)數(shù)3.數(shù)據(jù)塊I衛(wèi)星鐘改正參數(shù)參考?xì)v元toe鐘數(shù)據(jù)齡期AODC現(xiàn)時(shí)星期編號(hào)WN4.數(shù)據(jù)塊ⅡGPS實(shí)時(shí)定位的基本數(shù)據(jù)5.數(shù)據(jù)塊ⅢGPS衛(wèi)星概略星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)的信息用戶搜到一顆衛(wèi)星后，可從中獲得其他所有衛(wèi)星的概略位置、衛(wèi)星鐘概略改正數(shù)及工作狀態(tài)等信息年11月9日2時(shí)0秒19