衛(wèi)星定位原理與應(yīng)用第四章

衛(wèi)星定位原理與應(yīng)用第四章第一頁(yè)，共25頁(yè)。4.2GPS衛(wèi)星信號(hào)4.2.1概述GPS衛(wèi)星信號(hào)是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波。包括：載波信號(hào)測(cè)距嗎（C/A碼，P碼）數(shù)據(jù)碼（衛(wèi)星電文）第二頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.1概述注：GPS衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生、構(gòu)成與復(fù)制，涉及到現(xiàn)代數(shù)字通信理論和技術(shù)方面的復(fù)雜問題，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，可以不去深入研究，但要了解基本概念，有利于理解GPS的定位原理。第三頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.1概述載波作用搭載其它調(diào)制信號(hào)測(cè)距測(cè)定多普勒頻移類型目前L1–頻率：154f0=1575.43MHz；波長(zhǎng)：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長(zhǎng)：24.42cm現(xiàn)代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長(zhǎng)：25.48cm第四頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.1概述載波特點(diǎn)所選擇的頻率有利于測(cè)定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號(hào)所受的電離層折射影響選擇兩個(gè)頻率可以較好地消除信號(hào)的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號(hào)的頻率有關(guān)）第五頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.1概述補(bǔ)充：碼的概念及特點(diǎn)在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進(jìn)制數(shù)（0和1）及其組合，來(lái)表示各種信息。表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合，稱為碼。一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)碼元或一比特。比特為碼和信息量的度量單位。如果將各種信息例如聲音、圖象和文字等通過量化，并按某種預(yù)定規(guī)則，表示成二進(jìn)制數(shù)的組合形式，則這一過程稱為編碼。在二進(jìn)制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)稱為數(shù)碼率，表示數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為bit/s。第六頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.1概述碼及碼的特點(diǎn)（1）二進(jìn)制數(shù)與碼碼：用以表示各種不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合比特：一個(gè)二進(jìn)制數(shù)數(shù)碼率：在數(shù)字化信息傳輸中的每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)（2）隨機(jī)噪聲碼隨機(jī)噪聲碼：碼元的出現(xiàn)無(wú)規(guī)律，不能復(fù)制第七頁(yè)，共25頁(yè)。測(cè)距碼作用測(cè)距性質(zhì)為偽隨機(jī)噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）不同的碼（包括未對(duì)齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對(duì)齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為14.2.1概述第八頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.1概述類型目前C/A碼（Coarse/AcquisitionCode）–粗碼/捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)：1023；碼元寬度：293.05m；僅被調(diào)制在L1上P（Y）碼（PreciseCode）–精碼；碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數(shù)：60；碼元寬度：29.30m；被調(diào)制在L1和L2上現(xiàn)代化后在L2上調(diào)制C/A碼在L1和L2增加調(diào)制M碼第九頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.1概述調(diào)制：為有效傳播信息，將頻率較低的信號(hào)加載到頻率較高的載波上，這個(gè)過程即為調(diào)制。然后，載波攜帶有用信號(hào)傳送出去，到達(dá)用戶接收機(jī)。碼值為0，相應(yīng)的碼狀態(tài)為+1；碼值為1，相應(yīng)的碼狀態(tài)為-1；載波與相應(yīng)碼狀態(tài)的相乘便可實(shí)現(xiàn)載波的調(diào)制。第十頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.2偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征補(bǔ)充：模二和（模二相加）運(yùn)算規(guī)則二進(jìn)制信號(hào)：“1”表示二進(jìn)制“0”，“-1”表示二進(jìn)制“1”，則第十一頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.2偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征補(bǔ)充：隨機(jī)噪聲碼碼：二進(jìn)制的數(shù)據(jù)序列可表達(dá)為0和1的幅度的時(shí)間函數(shù)。設(shè)一組碼序列u（t），碼元0，1完全隨機(jī)，而概率為1/2。這種碼元幅度的取值完全無(wú)規(guī)律的碼序列，稱為隨機(jī)序列碼（隨機(jī)噪聲碼）。第十二頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.2偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征隨機(jī)噪聲碼：非周期性序列，無(wú)法復(fù)制。自相關(guān)性自相關(guān)系數(shù)：R(t)=(A-B)/(A+B)其中，A為m序列與其j次移位序列一個(gè)周期中對(duì)應(yīng)元素相同的數(shù)目;B為m序列與其j次移位序列一個(gè)周期中對(duì)應(yīng)元素不相同的數(shù)目。當(dāng)平移碼元數(shù)j=0時(shí)，即B=0，R(t)=1；當(dāng)平移碼元數(shù)j不為0時(shí)，若j趨向于無(wú)窮，則A約為B，R(t)約為0.第十三頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.2偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征對(duì)于GPS信號(hào)，衛(wèi)星發(fā)射的是一個(gè)隨機(jī)噪聲碼序列u(t)，由于傳播時(shí)間的延遲，使得接收到的u’(t)與u(t)間平移，即相應(yīng)的碼元錯(cuò)開了，因此R(t)約為0；若通過時(shí)間延遲器來(lái)調(diào)整u’(t)，使之與u(t)的碼元相互完全對(duì)齊，即使得R(t)=1，那么就可以從GPS接收機(jī)時(shí)間延遲器中，測(cè)出衛(wèi)星到接收機(jī)的準(zhǔn)確傳播時(shí)間，從而可準(zhǔn)確確定P。然而，u(t)為非周期的，不服從任何編碼規(guī)則，實(shí)際上無(wú)法復(fù)制和利用，所以引入偽隨機(jī)噪聲碼。第十四頁(yè)，共25頁(yè)。4.2.2偽隨機(jī)噪聲碼的產(chǎn)生和特征移位寄存器以四級(jí)反饋移位寄存器為例：假設(shè)初始狀態(tài)為（a3,a2,a1,a0）=(1,0,0,0),每次移位時(shí)a3和a0模二相加，輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)碼：1001思考題？第十五頁(yè)，共25頁(yè)。C/A碼C/A碼是由兩個(gè)10級(jí)反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生的.ShandongUniversityofscienceandtechnology第十六頁(yè)，共25頁(yè)。4.3GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置①計(jì)算思路首先計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)然后將上述坐標(biāo)分別繞X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-k角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)軌道平面坐標(biāo)系軌道參數(shù)第十七頁(yè)，共25頁(yè)。第十八頁(yè)，共25頁(yè)。4.3GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置③計(jì)算過程計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星的平近點(diǎn)角計(jì)算偏近點(diǎn)角第十九頁(yè)，共25頁(yè)。4.3GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置④計(jì)算過程（續(xù)）計(jì)算真近點(diǎn)角計(jì)算升交距角（未經(jīng)改正的）計(jì)算衛(wèi)星向徑第二十頁(yè)，共25頁(yè)。4.3GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置⑤計(jì)算過程（續(xù)）計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng)進(jìn)行攝動(dòng)改正計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的位置第二十一頁(yè)，共25頁(yè)。4.3GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算-根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置⑥計(jì)算過程（續(xù)）計(jì)算升交點(diǎn)經(jīng)度計(jì)算衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)第二十二頁(yè)，共25頁(yè)。精密星歷 按一定時(shí)間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的三維位置、三維速度和鐘差*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918