GPS卫星定位原理及其应用

y = Ae sin(ωt + ϕ 0 )
ϕ0 ω
初相角 角频率
ϕ0 ωt + ϕ 0
y = Ae sin ϕ 0 y = Ae sin(ωt1 + ϕ0 )
Ae 振幅
Ae
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电磁波传播中常用公式的转换
ω = 2π f
1 f = T t Φ = +Φ T ϕ 0 = 2π Φ 0
0
t y = A ⋅ sin 2 π ( + Φ 0 ) T T 其中 λ 为波长
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v = λ ⋅ f =
λ
大气层对电磁波传播的影响
根据电磁波传播的不同影响，一般可将大气层分为： 1.对流层 系指从地面上约40Km范围内的大气底层。 对流层具有很强的对流作用，云、雾、雨、雪、风 等主要天气现象，均出现在其中，这些对电磁波的 传播具有很大的影响。 2.电离层 约为地面上70Km以上的范围。 由于太阳和其它天体的各种射线作用，使该层的大 气分子发生电离。从而具有密度较高的带电粒子，对电 磁波的传播具有很大的影响。
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GPS卫星的导航电文（数据码）
导航电文主要包括： 1.与卫星有关的星历 2.卫星的工作状态 3.时间系统 4. 4.卫星钟运行状态 5.轨道摄动改正 6.大气摄动改正 7.导航信息的数据码
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GPS卫星信号的构成
•每 个 GPS 卫 星 播 发 一 组 信 号 •每 组 信 号 包 括 两 个 不 同 频 率 的 载 波 信 号 (L1 和 L2)、两 个 不 同 的 测 距 码 信 号 (C/A 码 调 制 在 L1 载 波 上，P 码 或 Y 码 同 时 调 制 在 L1 及 L2 载 波 上) 以 及 卫 星 的 轨 道 信 息
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减弱电离层影响的措施
1.利用两种不同的频率进行观测
ρ ρ
f1
δρ δρ
f1
= − 40 . 28 = − 40 . 28 = δρ f1 f 2
N Σ 2 f1 N Σ 2 f2
2
= ρ = ρ
0
+ δρ + δρ − ρ
f1
f2
0
f2
= ρ = δρ
1.尽可能充分地掌握观测站周围地区的实时气象资料。
2.利用水汽辐射计，准确地测定电磁波传播路径上的水汽积 累量，以便精确的计算大气湿分量的改正项。
3.利用相对定位的差分法来减弱对流层大气折射的影响。
4.完善对流层大气折射改正模型。
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电离层改正模型
NΣ δρ f1 = −40.28 2 f1 NΣ δρ f 2 = −40.28 2 f2 注：NΣ为信号传播路径上电子 的总量。
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对流层的处理办法
采用模型进行改正。 将对流层大气对电磁波的影响可以分为干分量和湿 分量的联合影响
δS = δS +δS
d d w
δ S = 1 . 552 × 10 − 5
P [ 40136 + 148 . 72 (T k − 273 . 16 ) − H T ] Tk e0 (11000 − H T ) 2 Tk 大气压力和温度有关 路径上的大气状况湿度 密切相关
载波相位观测
载 波 L1 的 波 长 为 19 cm ，L2 的 波 长为 24 cm 接收仪将接收到的卫星载波 信 号的 相 位 与 其 自 身 产 生 的 参 考 载 波信 号 的 相 位 进 行 比 较 接 收 仪 开 机 后，相 位 整 周 数 未 知 (带 有 整 周 模 糊 度 ) 跟踪卫星时间较长时距离的 变 化可 以 测 定 ( 整 周 数 保 持 不变)
0
+ δρ
f1
f1 f 2
δρ = ρ
f1
f2
f1
f 2 2 − f12 2 f2

2
f
2
δρ
f
2
f1
2 f2 δρ f 1 = δρ 2 2 f 2 − f1 2 f2 ρ 0 = ρ f 1 − δρ 2 2 f 2 − f1
D = V (dT)
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接收到的 卫星测距码
接收仪 复制出的 测距码
dT
GPS卫星定位原理及其应用
电磁波的传播与GPS卫星的信号
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GPS定位的基本观测量
GPS定位的基本观测量 是观测站（用户接收机天线）到GPS卫星（信号发 射天线）的距离（或称为信号传播路径）。 是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间 延迟），或测定卫星载波信号相位在该路径上变化的周 数（相位延迟）来导出的。
2.两观测站同步观测量求差
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GPS卫星的测距码信号
GPS卫星所发射的信号包括： 载波信号 P码（或Y码） C/A码 数据码（又称作D码）
其中：C/A码和P码统称为测距码。
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GPS卫星信号的产生与构成的要求
1.适应多用户系统的要求 2.满足实时定位的要求 3.满足高精度定位的要求 4.满足军事保密的要求
基准频率
10.23 MHz /10 L1 1575.42 MHz L2 1227.60 MHz C/A 码 1.023 MHz P (Y) 码 10.23 MHz P (Y)-Code 10.23 MHz
x 154 x 120
50 bit/s
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卫星信悉 ( 状态信悉和星历)
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载波相位测距
D = c ∆T + λN
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接收到的 卫星相位
接收仪复制 出的相位
∆T
测距码伪距测定
测距伪随机码 每一卫星播发一个伪随机测 距 码 信 号，该 信 号 大 约 每 1 毫 秒播发一次 接收仪同时复制出一个同 样 结 构的 信 号 并 与 接 收 到 的 卫 星 信 号 进行 比 较 由 信 号 的 延 迟 时 间 (dT) 推 算出卫星至接收仪的距离 接收仪时钟应与卫星钟校 时
δ S = 7 . 46512 × 10 − 2
w
其中： δ S d 为干分量，主要与地面
δ S 为湿分量，主要与传播
w
H T 为观测站的高程 P 为大气压力（ T k 为绝对温度（ e 0 为水汽分压
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mbar ）
ο
k = C + 273 . 2 )
ο
减弱对流层折射改正项残差影响的主要措施
ρ = v ⋅ ∆t
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距离测定原理
Xll
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距离测定原理
Xll
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Vl
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距离测定原理
Xll
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Vl
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距离测定原理
Xll
距离 = 传播时间 x 光速
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Vl
电磁波传播原理简述
电磁波是一种随时间 t变化的正弦（或余弦）波。其数学表 达式为：