内容发布更新时间 : 2024/5/1 7:28:00星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

卫星定位导航原理实验

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实验一 实时卫星位置解算及结果分析

一、实验原理

实时卫星位置解算在整个GPS接收机导航解算过程中占有重要的位置。卫星位置的解算是接收机导航解算（即解出本地接收机的纬度、经度、高度的三维位置）的基础。需要同时解算出至少四颗卫星的实时位置，才能最终确定接收机的三维位置。

对某一颗卫星进行实时位置的解算需要已知这颗卫星的星历和GPS时间。而星历和GPS时间包含在速率为50比特/秒的导航电文中。导航电文与测距码（C/A码）共同调制L1载频后，由卫星发出。本地接收机相关接收到卫星发送的数据后，将导航电文解码得到导航数据。后续导航解算单元根据导航数据中提供的相应参数进行卫星位置解算、各种实时误差的消除、本地接收机位置解算以及定位精度因子（DOP）的计算等工作。关于各种实时误差的消除、本地接收机位置解算以及定位精度因子（DOP）的计算将在后续实验中陆续接触，这里不再赘述。

卫星的额定轨道周期是半个恒星日，或者说11小时58分钟2.05秒；各轨道接近于圆形，轨道半径（即从地球质心到卫星的额定距离）大约为26560km。由此可得卫星的平均角速度ω和平均的切向速度vs为：

ω=2π/(11*3600+58*60+2.05)≈0.0001458rad/s (1.1)

vs=rs*ω≈26560km*0.0001458≈3874m/s (1.2)

因此，卫星是在高速运动中的，根据GPS时间的不同以及卫星星历的不同（每颗卫星的星历两小时更新一次）可以解算出卫星的实时位置。本实验同时给出了根据当前星历推算出的卫星在11小时58分钟后的预测位置，以此来验证卫星的额定轨道周期。

本实验另一个重要的实验内容是对卫星进行相隔时间为1s的多点测量（本实验给出了三点），根据多个点的测量值，可以估计Doppler频移。

由于卫星与接收机有相对的径向运动，因此会产生Doppler效应，而出现频率偏移。Doppler频移的直接表现是接收机接收到的卫星信号不恰好在L1（1575.42MHz）频率点上，而是在L1频率上叠加了一个最大值为±5KHz左右的频率偏移，这就给前端相关器进行频域搜索，捕获卫星信号带来了困难。如果能够事先估计出大概的Doppler频偏，就会大大减小相关器捕获卫星信号的难度，缩短捕获卫星信号的时间，进而缩短接收机的启动时间。GPS接收机的启动时间是衡量接收机性能好坏的重要参数之一，而卫星信号的快速捕获，缩短接收机的启动时间也是目前GNSS业界的热点问题。

本实验中Doppler频移的预测与后续《可视卫星位置预测》实验是紧密联系的，可视卫星位置预测中也包括对Doppler频移的预测。本实验将给出根据卫星位置和本地接收机的初始位置预测Doppler频移的方法。

有了卫星位置和本地接收机的初始位置，就可以根据空间两点间的距离公式，得出卫星距接收机的距离d。记录同一卫星在短时间t内经过的两点的空间坐标S1和S2，就可以分别得到这两点距接收机的距离d1和d2。只要相隔时间t取的较小（本实验取t=1s），|d1-d2|/t就可以近似认为是卫星与接收机在t时间内的平均相对径向运动速度，再将此速度转换为频率的形式就可以得到大致的Doppler频移。

设本地接收机的初始位置为R（xr，yr，zr），记录的卫星两点空间坐标为S1（x1，y1，z1）、S2（x2，y2，z2），相隔时间为t，卫星与接收机平均相对径向运动速度为vd，光速为c，Doppler频移为fd，则Doppler频移预测的具体公式如下所示：

d1=[(x1-xr)2+(y1-yr)2+(z1-zr)2]1/2 (1.3) d2=[(x2-xr)2+(y2-yr)2+(z2-zr)2]1/2 (1.4)

vd=|d1-d2|/t (1.5) fd=vd×1575.42MHz/c (1.6)

Doppler频移同卫星的仰角有很密切的关系。Doppler频移随卫星仰角的增大而减小。当卫星的仰角为90度（即卫星在接收机正上方的天顶上）时，理论上Doppler频移为零。本实验根据卫星位置和本地接收机的初始位置算出卫星的仰角，来验证Doppler频移同卫星仰角的关系。

二、实验目的

1、 理解实时卫、星位置解算在整个GPS接收机导航解算过程中所起的作用及为完成

卫星位置解算所需的条件；

2、 了解GPS时间的含义、周期，卫星的额定轨道周期以及星历的构成、周期及应用

条件；

3、 了解Doppler频移的成因、作用以及根据已知条件预测Doppler频移的方法； 4、 了解Doppler频移的变化范围及其与卫星仰角之间的关系； 5、 能够根据实验数据编写求解Doppler频移的相关程序。

三、实验内容及步骤

1、 运行主程序以取得目前可视卫星的实时导航数据（如GPS时间、各颗卫星的星历

等）；

2、 运行本实验程序，步骤1中截取的所有GPS时间就会出现在“选择GPS时刻”列

表框的下拉菜单中，任意选择一个GPS时刻；

3、 如图1.1所示，在“所选时刻可视卫星星历”列表框中，就会出现所选时刻天空中

所有可视卫星当前发出的星历信息，学生可以在教师讲解的基础上了解星历的构成、周期，并对星历信息中比较重要的参数做相应的记录；

图1.1

4、 在“选择卫星号”列表框的下拉菜单中，就会出现所选时刻天空中所有可视卫星的

序号，选择一个序号；