GPS定位的误差来源及其

第四章电磁波传播与GPS卫星信号,第一节电磁波的基本知识1、参数周期T、频率f、速度v、波长、相位及其相互关系：T=1/f，=T.v，=2ft。2、电磁波普1）全普与窗口2）卫星大地测量常用普,全普与窗口,卫星定位常用波普,第二节大气层对电磁波传播的影响,一、大气结构及性质对流层：40km以下，冷热、雨雪风、水蒸气。属非弥散介质。电离层：70km以上，空气分子以带电粒子的形式存在，属弥散介质，对电磁波传播影响显著，折射率主要取决于带电子数的多少和电磁波频率的高低。折射数N0=(n-1)106。,对流层与电离层比较对流层电离层H越大，t越低H越大，t越高与气象有关与气象无关与f无关与f有关n1n1,电离层对不同频率电磁波折射,二、电离层影响及对策,1、电离层影响：dion=-c40.28N/f2N断面为1m2传播路径上的电子数总合。若N=51017，而f1=1.57542GHz,f2=1.22760GHzdion1=8.11m，dion2=-13.36m。2、对策：1）双频观测；2）利用电离层模型改正（是否改正取决于数据处理软件）；3）同步观测求差（相对定位或差分定位）。4）载波相位观测与码相位观测取平均。3、影响带电离子密度的因素电离层高度，200400km时密度最大；地方时，白天是晚上的5倍，地方时11时最大；季节，夏天是冬天的4倍；测站纬度，赤道最高，南北极最低；年份，太阳黑子活动周期为11年，最高年份可达1016/m2,最低年份近于零。58，69，80，91，02年最高。,三、对流层影响及对策,与电磁波频率无关，与传播路径上的大气状况、大气压、温度、高程、高度角等有关。减弱措施：1）模型改正；2）作为未知数求解；3）同步观测值求差；4）用水汽辐射计求路径折射率。,第三节GPS卫星的测距码信号,一、GPS卫星信号概述载波信号：L11.57542GHz。L21.22760GHz。测距码信号：C/A码，P码。数据码信号：导航电文。二、码的概念及其产生1）码的基本概念码表达不同信息的二进制数及其组合。（波形与序列见下一幻灯片。）码元一位二进制数叫一个码元。编码用二进制数表示信息的过程。信息量某种事物有2r种类型，可用r位二进制数表示，即含有r比特的信息量。信息的传输速度单位时间内传输的比特数。码元宽度传输一个码元所用时间。码元、信息的传播速度、码元宽度三概念应牢固掌握,符号与波形,模二加法：,二进制码的模二加法等价于电位的乘法。码序列将r比特的二进制数看作是由0、1组成的序列。2）随机码在一个码序列中，0和1出现的概率相等，而某一码元是0或是1却是随机的，事先无法确定的，这样的码序列叫随机码。随机码特点：非周期性序列；自相关性好；无法复制。自相关性用自相关系数表示，自相关系数将U（t）平移k个码元，平移后与平移前两序列相同码元个数A，相异个数B，（A-B）/（A+B）叫自相关系数，用R（t）表示。自相关性好原码与复制码对齐R（t）=1，不对齐0。,自相关系数：1110100111010011101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/7。1110100111010011101001110101R(t)=(3-4)/7=-1/7,3）噪声码,信号强度远低于噪声强度的信号码。优点：耗能少；隐蔽性好。4）伪随机噪声码及其产生伪随机码有良好的自相关性且按周期重复出现的二进制码。产生：多级反馈移位寄存器；也可用程序产生。111100010011010111100010011010,码的产生,状态号各级状态1，2，3，4输出111111周日子夜零时置1脉冲与钟冲1同时作用201111钟冲2300111钟冲3400011钟冲4510000钟冲5601000钟冲67001008100119110001001100,四级移位寄存器产生的伪随机码的特性,码序列：111100010011010111100010011010钟频：fc；码元宽度：0=1/fc；码长：Nu=24-1=15bit；周期：T=0.Nu；自相关系数：对齐：1，不对齐：-1/15。r级移位寄存器产生的伪随机码的特性码元宽度：0=1/fc；码长：Nu=2r-1；周期：T=0.Nu；自相关系数：对齐：1，不对齐：-1/(2r-1)。,三、GPS的测距码,1）C/A码两个10级移位寄存器产生两个伪随机码G1、G2。G2平移11023码元，得1023个新码，与G1模二相加。不同卫星用不同码。钟频：1.023MHz；码元宽度：0.97752s，码长：210-1=1023bit，周期：0.97752s1023=1ms，测尺长度，300km，测时精度：0.97752s/100=0.0097752s，测距精度：299792458m/s9.775210-9=2.93m。,2）P码,4个12级移位寄存器，每个移位寄存器产生的伪随机码的码长为：212-1=4095bit，设4个码为：A，B，C，D；将其组合成复杂的复合码，如：ADDBACAADCBA等。钟频：10.23MHz；码元宽度：0.097752s，码长：2.351014bit，周期：0.097752s2.351014=267天测时精度：0.097752s/100=9.775210-10s，测距精度：2997924589.775210-10=0.293m。,第四节GPS卫星的导航电文,1、遥测码：主要是说明注入数据是否可靠。2、转换码：用C/A码捕获P码用。3、传输参数：定位精度，9不能导航。4、电离层改正。5、钟差改正。6、星历，各卫星播发的自已的位置参数，文件类型为E文件，用于定位。7、历书，各卫星播发的所有卫星的概略位置参数，文件名以al开头，用于估算可见卫星数。（G:教学数据课堂实习ASHTECH）8、卫星健康及其它。,第五节GPS卫星信号的调制与解调,、调制调制就是在载波上加上信号码，方法是用调相技术将信号调制到载波上。二进制码（电位）1(-1)0(1)载波相位改变180不变2、解调解调就是去掉二进制码，只留下载波。方法有两种：1）复制码与信号码对齐时相乘（电位相乘，二进制数模二相加）2）平方解调（电位平方）解调后得载波，用载波可进行载波相位测量（原理是测出载波由卫星传播到接收机产生的载波相位延迟）。3、载波精度L1频率：1.57542GHz。波长：299792458/1.57542109=19.03cm。测距精度：19.03cm/100=1.9mm。L2频率：1.22760GHz。波长：299792458/1.22760109=24.42cm。测距精度：24.42cm/100=2.4mm。,第六节接收机的基本原理,1、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；2、接收码比