哈工大衛(wèi)星定位導(dǎo)航原理實(shí)驗(yàn)報告

1、衛(wèi)星定位導(dǎo)航原理實(shí)驗(yàn)專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 姓 名：日 期：實(shí)驗(yàn)一實(shí)時衛(wèi)星位置解算及結(jié)果分析一、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)時衛(wèi)星位置解算在整個GPS接收機(jī)導(dǎo)航解算過程中占有重要的位置。衛(wèi)星位置的解算是接收機(jī)導(dǎo)航解算（即解出本地接收機(jī)的緯度、經(jīng)度、高度的三維位置）的基礎(chǔ)。需要同時解算出至少四顆衛(wèi)星的實(shí)時位置，才能最終確定接收機(jī)的三維位置。對某一顆衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時位置的解算需要已知這顆衛(wèi)星的星歷和GPS時間。而星歷和GPS時間包含在速率為50比特/秒的導(dǎo)航電文中。導(dǎo)航電文與測距碼（C/A碼）共同調(diào)制L1載頻后，由衛(wèi)星發(fā)出。本地接收機(jī)相關(guān)接收到衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將導(dǎo)航電文解碼得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)。后續(xù)導(dǎo)航解算單元根據(jù)導(dǎo)航

2、數(shù)據(jù)中提供的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行衛(wèi)星位置解算、各種實(shí)時誤差的消除、本地接收機(jī)位置解算以及定位精度因子（DOP）的計(jì)算等工作。關(guān)于各種實(shí)時誤差的消除、本地接收機(jī)位置解算以及定位精度因子（DOP）的計(jì)算將在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中陸續(xù)接觸，這里不再贅述。衛(wèi)星的額定軌道周期是半個恒星日，或者說11小時58分鐘2.05秒；各軌道接近于圓形，軌道半徑（即從地球質(zhì)心到衛(wèi)星的額定距離）大約為26560km。由此可得衛(wèi)星的平均角速度和平均的切向速度vs為：=2/(11*3600+58*60+2.05)0.0001458rad/s(1.1)vs=rs*26560km*0.00014583874m/s(1.2)因此，衛(wèi)星是在高速運(yùn)動中

3、的，根據(jù)GPS時間的不同以及衛(wèi)星星歷的不同（每顆衛(wèi)星的星歷兩小時更新一次）可以解算出衛(wèi)星的實(shí)時位置。本實(shí)驗(yàn)同時給出了根據(jù)當(dāng)前星歷推算出的衛(wèi)星在11小時58分鐘后的預(yù)測位置，以此來驗(yàn)證衛(wèi)星的額定軌道周期。本實(shí)驗(yàn)另一個重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是對衛(wèi)星進(jìn)行相隔時間為1s的多點(diǎn)測量（本實(shí)驗(yàn)給出了三點(diǎn)），根據(jù)多個點(diǎn)的測量值，可以估計(jì)Doppler頻移。由于衛(wèi)星與接收機(jī)有相對的徑向運(yùn)動，因此會產(chǎn)生Doppler效應(yīng)，而出現(xiàn)頻率偏移。Doppler頻移的直接表現(xiàn)是接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號不恰好在L1（1575.42MHz）頻率點(diǎn)上，而是在L1頻率上疊加了一個最大值為±5KHz左右的頻率偏移，這就給前端相關(guān)器進(jìn)

4、行頻域搜索，捕獲衛(wèi)星信號帶來了困難。如果能夠事先估計(jì)出大概的Doppler頻偏，就會大大減小相關(guān)器捕獲衛(wèi)星信號的難度，縮短捕獲衛(wèi)星信號的時間，進(jìn)而縮短接收機(jī)的啟動時間。GPS接收機(jī)的啟動時間是衡量接收機(jī)性能好壞的重要參數(shù)之一，而衛(wèi)星信號的快速捕獲，縮短接收機(jī)的啟動時間也是目前GNSS業(yè)界的熱點(diǎn)問題。本實(shí)驗(yàn)中Doppler頻移的預(yù)測與后續(xù)可視衛(wèi)星位置預(yù)測實(shí)驗(yàn)是緊密聯(lián)系的，可視衛(wèi)星位置預(yù)測中也包括對Doppler頻移的預(yù)測。本實(shí)驗(yàn)將給出根據(jù)衛(wèi)星位置和本地接收機(jī)的初始位置預(yù)測Doppler頻移的方法。有了衛(wèi)星位置和本地接收機(jī)的初始位置，就可以根據(jù)空間兩點(diǎn)間的距離公式，得出衛(wèi)星距接收機(jī)的距離d。記錄同

5、一衛(wèi)星在短時間t內(nèi)經(jīng)過的兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)S1和S2，就可以分別得到這兩點(diǎn)距接收機(jī)的距離d1和d2。只要相隔時間t取的較?。ū緦?shí)驗(yàn)取t=1s），|d1-d2|/t就可以近似認(rèn)為是衛(wèi)星與接收機(jī)在t時間內(nèi)的平均相對徑向運(yùn)動速度，再將此速度轉(zhuǎn)換為頻率的形式就可以得到大致的Doppler頻移。設(shè)本地接收機(jī)的初始位置為R（xr，yr，zr），記錄的衛(wèi)星兩點(diǎn)空間坐標(biāo)為S1（x1，y1，z1）、S2（x2，y2，z2），相隔時間為t，衛(wèi)星與接收機(jī)平均相對徑向運(yùn)動速度為vd，光速為c，Doppler頻移為fd，則Doppler頻移預(yù)測的具體公式如下所示：d1=(x1-xr)2+(y1-yr)2+(z1-zr)21

6、/2(1.3)d2=(x2-xr)2+(y2-yr)2+(z2-zr)21/2(1.4)vd=|d1-d2|/t(1.5)fd=vd×1575.42MHz/c(1.6)Doppler頻移同衛(wèi)星的仰角有很密切的關(guān)系。Doppler頻移隨衛(wèi)星仰角的增大而減小。當(dāng)衛(wèi)星的仰角為90度（即衛(wèi)星在接收機(jī)正上方的天頂上）時，理論上Doppler頻移為零。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)衛(wèi)星位置和本地接收機(jī)的初始位置算出衛(wèi)星的仰角，來驗(yàn)證Doppler頻移同衛(wèi)星仰角的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 理解實(shí)時衛(wèi)、星位置解算在整個GPS接收機(jī)導(dǎo)航解算過程中所起的作用及為完成衛(wèi)星位置解算所需的條件；2、 了解GPS時間的含義、周期，衛(wèi)

7、星的額定軌道周期以及星歷的構(gòu)成、周期及應(yīng)用條件；3、 了解Doppler頻移的成因、作用以及根據(jù)已知條件預(yù)測Doppler頻移的方法；4、 了解Doppler頻移的變化范圍及其與衛(wèi)星仰角之間的關(guān)系；5、 能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)編寫求解Doppler頻移的相關(guān)程序。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、 運(yùn)行主程序以取得目前可視衛(wèi)星的實(shí)時導(dǎo)航數(shù)據(jù)（如GPS時間、各顆衛(wèi)星的星歷等）；2、 運(yùn)行本實(shí)驗(yàn)程序，步驟1中截取的所有GPS時間就會出現(xiàn)在“選擇GPS時刻”列表框的下拉菜單中，任意選擇一個GPS時刻；3、 如圖1.1所示，在“所選時刻可視衛(wèi)星星歷”列表框中，就會出現(xiàn)所選時刻天空中所有可視衛(wèi)星當(dāng)前發(fā)出的星歷信息，學(xué)生可

8、以在教師講解的基礎(chǔ)上了解星歷的構(gòu)成、周期，并對星歷信息中比較重要的參數(shù)做相應(yīng)的記錄；圖1.14、 在“選擇衛(wèi)星號”列表框的下拉菜單中，就會出現(xiàn)所選時刻天空中所有可視衛(wèi)星的序號，選擇一個序號；5、 如圖1.2所示，在“衛(wèi)星位置信息”列表框中會出現(xiàn)所選衛(wèi)星在所選的GPS時間所對應(yīng)的仰角以及其在ECEF坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，在附表中記錄其值；6、 在“衛(wèi)星位置信息”列表框中同時會出現(xiàn)所選衛(wèi)星在所選的GPS時間加一秒和加兩秒后的GPS時間所對應(yīng)的ECEF坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)以及接收機(jī)在ECEF坐標(biāo)系下的初始位置坐標(biāo)，這些數(shù)據(jù)用于求解Doppler頻移，根據(jù)附表記錄其值；7、 在“衛(wèi)星位置信息”列表框中還會

9、出現(xiàn)根據(jù)衛(wèi)星在所選GPS時間發(fā)送的星歷推算出的這顆衛(wèi)星在11小時58分后的ECEF坐標(biāo)系下的大致位置，用以驗(yàn)證衛(wèi)星的額定軌道周期。根據(jù)附表記錄其值；8、 同時“所選衛(wèi)星在ECEF坐標(biāo)系下的星座圖”中，會出現(xiàn)該衛(wèi)星在ECEF坐標(biāo)系中的大致位置，便于學(xué)生直觀理解所求數(shù)據(jù)；圖1.29、 學(xué)生根據(jù)步驟六記錄的數(shù)據(jù)，在TurboC環(huán)境下自己編程實(shí)現(xiàn)對于Doppler頻移的求解，將所得數(shù)據(jù)記錄在附表中；10、 重復(fù)步驟四到步驟九，記錄并解算出所選時刻天空中所有可視衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)，按附表格式將所得數(shù)據(jù)記錄下來；11、 重復(fù)步驟二到步驟十，在同一時間段中至少選三個不同的GPS時刻記錄并解算相應(yīng)數(shù)據(jù)，比較并分析

10、不同時刻同一衛(wèi)星的仰角、ECEF坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及Doppler頻移的差異；12、 重復(fù)步驟二到步驟十一，至少選擇三個不同時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、求解、分析。四、實(shí)驗(yàn)報告1、 按附表格式整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并整理所編程序。2、 對同一時刻不同仰角衛(wèi)星的Doppler頻移進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)得出衛(wèi)星仰角與Doppler頻移之間的關(guān)系。3、 比較并分析不同時刻同一衛(wèi)星的仰角、ECEF坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及Doppler頻移的差異。4、 由接收機(jī)在ECEF坐標(biāo)系下的初始位置坐標(biāo)及同一衛(wèi)星不同時刻在ECEF坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)得出的衛(wèi)星到接收機(jī)之間的不同距離分析衛(wèi)星的運(yùn)動趨勢。5、 比較當(dāng)前時刻衛(wèi)星在ECEF坐標(biāo)

11、系下的位置坐標(biāo)及由當(dāng)前星歷推算出的這顆衛(wèi)星在11小時58分后的ECEF坐標(biāo)系下的大致位置坐標(biāo)，思考為什么兩個坐標(biāo)只是大致位置相同而不是絕對一致？附圖：衛(wèi)星軌道與地球在ECEF坐標(biāo)系下的相對位置及各個參量示意圖數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)論1、按附表格式整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并整理所編程序。（1）求解多普勒頻移的matlab程序：close all;clear all:x1 = -24694279.137380 -19009967.888852;y1 = 6575734.723182 10287246.280505;z1 = 7191784.757179 15439199.206628;x2 = -24695209

12、.619169 -19009034.470315;y2 = 6575524.62845 10285499.728903;z2 = 7188786.293582 15441472.971776;xr = -24699430.593049 -19022466.913819 ;yr = 6563802.583704 10452107.378324;zr = 7185002.929001 15314676.547441;d1=(x1-xr).2+(y1-yr).2+(z1-zr).2).0.5;d2=(x2-xr).2+(y2-yr).2+(z2-zr).2).0.5;vd=abs(d1-d2);fd

13、=vd.*1575.42./300000000;（2）衛(wèi)星多普勒頻移信息記錄GPS時間可視衛(wèi)星序號ECEF坐標(biāo)仰角Doppler頻移4532416X:-24694279.13738029.2566174.3325e-03MHzY:6575734.723182Z:7191784.7571794532426X:-24695209.61916929.2566174.2722e-03MHzY:6575524.62845Z:7188786.2935824532436X:-24699430.59304929.2566170.0014MHzY:6563802.583704Z:7185002.929001GP

14、S時間可視衛(wèi)星序號ECEF坐標(biāo)仰角Doppler頻移45324113X:-19009967.88885253.7987080.0018MHzY:10287246.280505Z:15439199.20662845324213X:-19009034.47031553.7987080.0018MHzY:10285499.728903Z:15441472.97177645324313X:-19022466.91381953.7987080.0018MHzY:10452107.378324Z:15314676.5474412、對同一時刻不同仰角衛(wèi)星的Doppler頻移進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)得出衛(wèi)星仰角

15、與Doppler頻移之間的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：對于同一時刻不同仰角衛(wèi)星的多普勒頻移，仰角越大，多普勒頻移越小。3、比較并分析不同時刻同一衛(wèi)星的仰角、ECEF坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及Doppler頻移的差異。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同時刻同一衛(wèi)星的仰角不變；ECEF坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變化緩慢，但按照一定的規(guī)律改變，因?yàn)樾l(wèi)星是運(yùn)動的；多普勒頻移變化與衛(wèi)星仰角相關(guān)，仰角高的衛(wèi)星多普勒頻移幾乎沒有變化，仰角低的衛(wèi)星多普勒頻移有少許變化。4、由接收機(jī)在ECEF坐標(biāo)系下的初始位置坐標(biāo)及同一衛(wèi)星不同時刻在ECEF坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)得出的衛(wèi)星到接收機(jī)之間的不同距離分析衛(wèi)星的運(yùn)動趨勢。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)，可以計(jì)

16、算出來：衛(wèi)星2，前后兩時刻衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離分別為d1=2.0526e+7，d2=2.0525e+7，所以衛(wèi)星的運(yùn)動趨勢是靠近接收機(jī)的；衛(wèi)星5，前后兩時刻衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離為別為d1=2.0683e+7，d2=2.0682e+7，所以衛(wèi)星的運(yùn)動趨勢是靠近接收機(jī)的。5、比較當(dāng)前時刻衛(wèi)星在ECEF坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)及由當(dāng)前星歷推算出的這顆衛(wèi)星在11小時58分后的ECEF坐標(biāo)系下的大致位置坐標(biāo)，思考為什么兩個坐標(biāo)只是大致位置相同而不是絕對一致？因?yàn)樾l(wèi)星在運(yùn)動的過程中會受到攝動力的作用，是的衛(wèi)星運(yùn)動產(chǎn)生一些小的附加變化而偏離上述的理想軌道，同時，這種偏離量的大小也隨時間而改變。所以每次衛(wèi)星運(yùn)行

17、的軌道不會完全與上一次重合，兩個坐標(biāo)只是大致位置相同。實(shí)驗(yàn)二實(shí)時傳輸誤差計(jì)算與特性分析及信噪比與衛(wèi)星仰角關(guān)系一、實(shí)驗(yàn)原理GPS測量中出現(xiàn)的各種誤差按其來源大致可分為三種類型：1、 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：主要包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星時鐘的誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對論效應(yīng)的影響等。2、 信號實(shí)時傳輸誤差：因?yàn)镚PS衛(wèi)星屬于中軌道衛(wèi)星，GPS信號在傳播時要經(jīng)過大氣層。因此，信號傳輸誤差主要是由于信號受到電離層和對流層的影響。此外，還有信號傳播的多徑效應(yīng)的影響。電離層和對流層的實(shí)時傳輸誤差是本實(shí)驗(yàn)的一個研究重點(diǎn)。3、 接收設(shè)備有關(guān)的誤差：主要包括觀測誤差、接收機(jī)鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不確

18、定性影響。第一部分：電離層和對流層實(shí)時傳輸誤差的計(jì)算與特性分析：地球表面被一層很厚的大氣所包圍。由于地球引力的作用，大氣質(zhì)量在垂直方向上分布極不均勻，主要集中在大氣底部，其中75%的質(zhì)量分布在10km以下，90%的以上質(zhì)量分布在30km以下。同時大氣在垂直方向上的物理性質(zhì)差異也很大，根據(jù)溫度、成分和荷電等物理性質(zhì)的不同，大氣可分為性質(zhì)各異的若干大氣層。按不同標(biāo)準(zhǔn)有不同的分層方法，根據(jù)對電磁波傳播的不同影響，一般分為對流層和電離層。大氣折射對GPS觀測結(jié)果的影響，往往超過了GPS精密定位所容許的精度范圍。如何在數(shù)據(jù)處理過程中通過模型加以改正，或在觀測中通過適當(dāng)?shù)姆椒▉頊p弱，以提高定位精度，已經(jīng)成

19、為廣大用戶普遍關(guān)注的重要問題。1、電離層折射的影響（Ionosphericdelay）：電離層延遲是對GPS接收機(jī)測量定位影響非常大的一項(xiàng)實(shí)時傳輸誤差。它在夜里（晚8時到早8時左右）的變化比較平緩，誤差也比較小，但在白天（早8時到晚8時左右）隨著太陽的升高變化就會非常劇烈，變化趨勢近似鐘型曲線。最大垂直延遲誤差可以達(dá)到50米左右；水平方向可達(dá)150米左右。因此，消除或減弱電離層延遲誤差是提高定位精度的重要保證。電離層分布于地球大氣層的頂部，約在地面向上70km以上范圍。由于原子氧吸收了太陽紫外線的能量，該大氣層的溫度隨高度上升而迅速升高，同時由于太陽和其它天體的各種射線作用，使大部分大氣分子發(fā)

20、生電離，具有密度較高的帶電粒子。電離層中電子的密度決定于太陽輻射強(qiáng)度和大氣密度，因而導(dǎo)致電離層的電子密度不僅隨高度而異，而且與太陽黑子的活動密切相關(guān)。GPS載波為單一頻率，其傳播速度為相速度；偽隨機(jī)碼是多種波的疊加，其傳播速度為群速度。電離層中，相折射率和群折射率是不同的。GPS定位中，對于碼相位測量和載波相位測量的修正量，應(yīng)采用群折射率和相折射率分別計(jì)算。當(dāng)電磁波沿天頂方向通過電離層時，由于折射率的變化而引起的傳播路徑距離差和相位延遲，一般可寫為：由相折射率和群折射率引起的路徑傳播誤差(m)和時間延遲(ns)分別為：由相折射率引起：由群折射率引起：其中N為電磁波傳播路徑上的電子總量，f為電磁

21、波頻率。顯然，電磁波在電離層中產(chǎn)生的各種延遲都與電磁波傳播路徑上的電子總量N有關(guān)。電離層中的電子密度是變化的，它與太陽黑子活動狀況、地球上地理位置的不同、季節(jié)變化和不同時間有關(guān)。據(jù)有關(guān)資料分析，電離層電子密度白天約為夜間的5倍；一年中，冬季與夏季相差4倍；太陽黑子活動最激烈時可為最平緩時的4倍。另外，電磁波傳播延遲還與電磁波傳到GPS天線的方位有關(guān)。當(dāng)電磁波傳播方向偏離天線頂時，電子總量會明顯增加，最大時水平方向延遲是天頂方向延遲的3倍。由于電離層延遲主要取決于信號頻率和傳播路徑上的電子總量,因此對于電離層延遲的影響，可以通過以下途徑解決：1）利用電離層模型加以修正：對單頻接收機(jī)，一般采用由導(dǎo)

22、航電文提供參數(shù)的電離層模型或其它適宜的電離層模型對觀測量進(jìn)行改正。目前模型改正的有效性約為75%。即當(dāng)電離層的延遲為50m，經(jīng)過模型改正后，仍含有約12.5m的殘差。這種方法至今仍在完善中。2）利用雙頻觀測：電離層延遲是信號頻率的函數(shù)，對不同頻率電磁波信號進(jìn)行觀測，可確定其影響大小，并對觀測量加以修正。其有效性不低于95%。3）利用同步觀測值求差：用兩臺接收機(jī)在基線的兩端進(jìn)行同步觀測，取其觀測量之差。因?yàn)楫?dāng)兩觀測站相距不太遠(yuǎn)時，衛(wèi)星至兩觀測站電磁波傳播路徑上的大氣狀況相似，大氣狀況的系統(tǒng)影響可通過同步觀測量的差分而減弱。該方法對小于20km的短基線效果尤為明顯，經(jīng)過電離層折射改正后，基線長度的

23、相對殘差約為10-6。故在短基線相對定位中，即使使用單頻接收機(jī)也能達(dá)到相當(dāng)高的精度。但隨著基線長度的增加，精度將明顯降低。2、對流層折射的影響（Troposphericerror）：一般而言，對于地球上地理位置固定的點(diǎn)，其對流層誤差隨時間變化的趨勢比較平緩。因此，對流層誤差對GPS接收機(jī)測量定位的影響比電離層延遲的影響要小。電磁波在對流層中傳播速度除與大氣的折射率有關(guān)外，還與電磁波傳播方向有關(guān)，而與頻率無關(guān)。在天頂方向延遲可達(dá)2.3米，在高度角10度時可達(dá)20米。因此，在精密定位中，對流層誤差必須考慮。對流層是指從地面向上約40km范圍內(nèi)的大氣底層，占整個大氣質(zhì)量的99%。對流層與地面接觸，從

24、地面得到輻射熱能，溫度隨高度的上升而降低。對流層雖僅有少量帶電離子，但卻具有很強(qiáng)的對流作用，云、霧、雨、雪、風(fēng)等主要天氣現(xiàn)象均出現(xiàn)其中。該層大氣中除了含有各種氣體元素外，還含水滴、冰晶和塵埃等雜質(zhì)，對電磁波的傳播有很大影響。對流層的折射率與大氣壓力、溫度和濕度關(guān)系密切，由于該層對流作用強(qiáng)，大氣壓力、溫度和濕度變化復(fù)雜，對該層大氣折射率的變化和影響，目前尚難以模型化。通常將對流層中大氣折射率分為干分量和濕分量兩部分。干分量引起的電磁波傳播路徑距離差主要與地面的大氣壓力和溫度有關(guān)；濕分量引起的電磁波傳播路徑距離差主要與傳播路徑上的大氣狀況（即大氣濕度和高度）密切相關(guān)。沿天頂方向電磁波傳播路徑的距離

25、差為：Nd和Nw分別表示干、濕分量的折射數(shù)，S0為電磁波在真空中的傳播路徑，Hd為當(dāng)Nd趨近于0時的高程值（約40km），Hw為當(dāng)Nw趨近于0時的高程值（約10km）。Sd為由干分量引起的距離差，Sw為由濕分量引起的距離差。在衛(wèi)星大地測量中，不可能沿電磁波傳播路線直接測定對流層的折射數(shù)，一般根據(jù)地面的氣象數(shù)據(jù)來描述折射數(shù)與高程的關(guān)系。根據(jù)理論分析，折射數(shù)的干分量與高程H的關(guān)Nd0為地系為：Nd0為地面大氣折射數(shù)的干分量：由于Hd不易確定，H·Hopfield通過分析全球高空氣象探測資料，推薦了如下經(jīng)驗(yàn)公式（式中Tk為絕對溫度）：由于大氣濕度隨地理緯度、季節(jié)和大氣狀況而變化，尚難以建立

26、折射數(shù)濕分量的理論模型，一般采用與干分量相似的表示方法：Nw0為地面大氣折射數(shù)的濕分量；高程的平均值取為Hw=11000m。積分可得沿天頂方向?qū)α鲗訉﹄姶挪▊鞑ヂ窂接绊懙慕脐P(guān)系：式中P為大氣壓力（mbar）Tk為絕對溫度,e0為水汽分壓（mbar）。數(shù)字分析表明，在大氣的正常狀態(tài)下，沿天頂方向，折射數(shù)干分量對電磁波傳播路徑的影響約為2.3m，約占天頂方向距離總誤差的90%，濕分量的影響遠(yuǎn)比干分量影響小。若衛(wèi)星信號不是從天頂方向，而是沿某一高度角的方向傳播，對流層延遲誤差會加大，最大可達(dá)20米左右。目前采用的各種對流層模型，即使應(yīng)用實(shí)時測量的氣象資料，經(jīng)過對流層折射改正后的殘差，仍保持在對流層

27、影響的5%左右。減少對流層折射對電磁波延遲影響的方法有：1、利用模型改正。實(shí)測地區(qū)氣象資料利用模型改正，能減少對流層對電磁波的延遲達(dá)92%-93%。而且，對流層大氣折射的改正模型也在不斷完善。2、利用同步觀測修正。當(dāng)基線模型較短時，氣象條件較穩(wěn)定，兩個測站的氣象條件基本一致，利用基線兩端同步觀測求差，可以更好地減弱對流層折射的影響。第二部分：信噪比與衛(wèi)星仰角關(guān)系：GPS衛(wèi)星信號的信噪比（即相對強(qiáng)度噪聲）定義為單位帶寬（Hz）內(nèi)信號功率與噪聲功率之比的分貝量（dB），即dB/Hz。經(jīng)實(shí)踐測試表明，當(dāng)GPS衛(wèi)星信號的信噪比過低（一般認(rèn)為低于26dB/Hz）時，GPS接收機(jī)就無法正常跟蹤該衛(wèi)星信號。

28、因此，衛(wèi)星信號信噪比的大小直接影響到GPS接收機(jī)能否正常工作。實(shí)踐表明，信噪比與衛(wèi)星仰角的關(guān)系十分密切。一般認(rèn)為，衛(wèi)星的仰角越低，如前所述，衛(wèi)星信號在傳播過程中受到的諸如電離層延遲、對流層誤差等實(shí)時傳輸誤差的影響就越大；另一方面，就越可能受到地面障礙物的遮擋。因此，衛(wèi)星信號的信噪比就應(yīng)該越?。ㄟ@只是一個趨勢，并不排除特殊情況出現(xiàn)）。本實(shí)驗(yàn)在實(shí)時衛(wèi)星信號下測量衛(wèi)星信號的信噪比和各可視衛(wèi)星的仰角，使學(xué)生可以直觀看到各種可能發(fā)生的情況，總結(jié)信噪比與衛(wèi)星仰角的關(guān)系。二實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解GPS測量過程中按誤差來源分有哪三類主要誤差，各是什么；2、 理解信號實(shí)時傳輸誤差中的電離層延遲、對流層誤差的來源、特

29、性、計(jì)算方法以及消除或減弱的手段；3、 總結(jié)衛(wèi)星信號信噪比與衛(wèi)星仰角的關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、 運(yùn)行主程序以取得目前可視衛(wèi)星的實(shí)時導(dǎo)航數(shù)據(jù)（如GPS時間、各顆衛(wèi)星的星歷以及信噪比等）；2、 運(yùn)行本實(shí)驗(yàn)程序，步驟1中截取的所有GPS時間就會出現(xiàn)在“選擇GPS時刻”列表框的下拉菜單中，任意選擇一個GPS時刻；3、 如圖2.1所示，由于可視衛(wèi)星仰角的解算需要解算本地接收機(jī)位置，因此如果在所選GPS時間天空中的可視衛(wèi)星數(shù)小于4顆，則不能解算出此時刻的本地接收機(jī)位置，會彈出“無法計(jì)算衛(wèi)星仰角”對話框。學(xué)生需要選擇其它時間進(jìn)行解算。圖2.14、 如圖2.2所示，若所選GPS時間天空中的可視衛(wèi)星數(shù)在4顆

30、以上，則在程序界面的實(shí)時衛(wèi)星分布圖中會出現(xiàn)本時刻所有可視衛(wèi)星位置，同時在其左面的衛(wèi)星仰角列表框中會出現(xiàn)本時刻所有可視衛(wèi)星的仰角。圖2.25、 如圖2.3所示，點(diǎn)擊“顯示本段時刻可視衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)曲線”鍵，就可看到運(yùn)行主程序期間所記錄時刻的電離層延遲、對流層誤差以及信噪比隨時間變化的曲線，并在程序界面右面會顯示不同顏色曲線所對應(yīng)的衛(wèi)星序號。圖2.36、 根據(jù)附表記錄不同時刻天空中可視衛(wèi)星的仰角及信噪比，比較并得出衛(wèi)星信號信噪比與衛(wèi)星仰角的關(guān)系。7、 根據(jù)不同時間段電離層延遲、對流層誤差隨時間變化的曲線，大致得出此兩項(xiàng)誤差隨時間變化規(guī)律，并大致估計(jì)此兩項(xiàng)誤差的誤差范圍。四、實(shí)驗(yàn)報告1、 按附表格式整

31、理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2、 根據(jù)附表數(shù)據(jù)比較并得出衛(wèi)星信號信噪比與衛(wèi)星仰角的關(guān)系（包括對整體趨勢及特殊情況兩方面的分析）。3、 取不同時段（至少2個，相隔30分鐘以上）的電離層延遲、對流層誤差隨時間變化的曲線，大致得出此兩項(xiàng)誤差隨時間變化規(guī)律，并大致估計(jì)此兩項(xiàng)誤差的誤差范圍。附表（以可視衛(wèi)星數(shù)等于4為例）GPS時間可視衛(wèi)星數(shù)目可視衛(wèi)星序號可視衛(wèi)星仰角可視衛(wèi)星信噪比45379941046.77335647dB/Hz1362.95248449dB/Hz919.55047739 dB/Hz569.43011944dB/Hz數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)論1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理結(jié)果如上表所示。2、根據(jù)附表數(shù)據(jù)比較并得出衛(wèi)星信號信噪

32、比與衛(wèi)星仰角的關(guān)系（包括對整體趨勢及特殊情況兩方面的分析）。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：衛(wèi)星信號信噪比隨著衛(wèi)星仰角的增加而增加，這是變化的整體趨勢；也會出現(xiàn)特殊情況，原因可能是在某個仰角的通信鏈路上，存在遮擋或其他的額外損耗，導(dǎo)致衛(wèi)星信噪比降低，與整體變化趨勢不同。3、取不同時段（至少2個，相隔30分鐘以上）的電離層延遲、對流層誤差隨時間變化的曲線，大致得出此兩項(xiàng)誤差隨時間變化規(guī)律，并大致估計(jì)此兩項(xiàng)誤差的誤差范圍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所繪得的圖像，可以看出：電離層延遲誤差隨時間變化曲線基本是一條水平直線，略微有一點(diǎn)下降趨勢；對流層延遲誤差隨時間變化曲線略微程下降趨勢。電離層延遲誤差范圍：3m2m；對流層延遲誤差范圍：

33、9m7m。實(shí)驗(yàn)三幾何精度因子（DOP）的實(shí)時計(jì)算與分析一、實(shí)驗(yàn)原理不同的GPS接收機(jī)由于采用了不同的定位算法，其輸出的位置/時間解的精度是不同的。但是在定位精度已知的情況下，其輸出值的可信程度是靠什么來判定的呢？這就涉及到本實(shí)驗(yàn)要研究的內(nèi)容：幾何精度因子（DOP）。利用GPS進(jìn)行絕對定位或單點(diǎn)定位時，位置/時間解的精度主要取決于：（1）所測衛(wèi)星在空間的幾何分布（通常稱為衛(wèi)星分布的幾何圖形），即幾何精度因子；（2）觀測量精度，即偽距誤差因子。它是由觀測中各項(xiàng)誤差所決定的。粗略地講，GPS解的誤差用下式來估計(jì)：（GPS解的誤差）=（幾何精度因子）×（偽距誤差因子）即：X=DOP×

34、;0其中X是GPS解的誤差，DOP（幾何精度因子）是權(quán)系數(shù)陣主對角線元素的函數(shù)，0是偽距測量中的誤差。權(quán)系數(shù)陣的定義如下：其中G為由接收機(jī)到可視衛(wèi)星的方向余弦距陣，而元素qij表達(dá)了全部解的精度及其相關(guān)性信息，是評價定位結(jié)果的依據(jù)。在前序?qū)嶒?yàn)中已經(jīng)涉及到各種偽距誤差：如衛(wèi)星時鐘誤差、星歷預(yù)測誤差、相對論效應(yīng)誤差、對流層誤差、電離層誤差等實(shí)時傳輸誤差，這里不再贅述。在實(shí)踐中，根據(jù)不同要求，可選用不同的精度評價模型和相應(yīng)的精度因子，通常有：l 高程幾何精度因子VDOP(VerticalDOP):相應(yīng)的高程精度為：l 空間三維位置幾何精度因子PDOP(PositionDOP)：相應(yīng)的三維定位精度為：

35、l 二維水平位置幾何精度因子HDOP(horizontalDOP)：相應(yīng)的平面位置精度為：l 接收機(jī)鐘差幾何精度因子TDOP(TimeDOP)：鐘差精度：l 總幾何精度因子GDOP(GeometricDOP)：描述空間位置誤差和時間誤差綜合影響的精度因子，總的測量精度為：由以上討論可知，幾何精度因子就是觀測衛(wèi)星幾何圖形對定位精度影響的大小程度。在觀測量精度相同的情況下，幾何精度因子越小，定位精度越高；反之則越低。所以，它實(shí)質(zhì)上是幾何放大因子。因此，幾何精度因子對定位和鐘差的精度有重大的影響。由于幾何精度因子與所測衛(wèi)星的空間分布有關(guān)，因此也稱之為觀測衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度因子。由于衛(wèi)星的運(yùn)動以及觀測衛(wèi)星

36、的選擇不同，所測衛(wèi)星在空間分布的幾何圖形是變化的，導(dǎo)致幾何精度因子的數(shù)值也是變化的。為提高定位精度，應(yīng)選擇幾何精度因子最小的4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測。這稱之為最佳星座選擇。其兩條基本原則為：一是觀測衛(wèi)星的仰角不得小于5-10度，以減小大氣折射誤差的影響；二是四顆衛(wèi)星的總幾何精度因子GDOP值最小，以保證獲得最高的定位和定時精度?？値缀尉纫蜃覩DOP與衛(wèi)星幾何圖形的關(guān)系如下：假設(shè)觀測站與4顆觀測衛(wèi)星所構(gòu)成的六面體體積為G，研究表明，總幾何精度因子GDOP與該六面體體積的倒數(shù)成正比。GDOPµ1/G。六面體的體積越大，所測衛(wèi)星在空間的分布范圍也越大，GDOP值越?。环粗?，衛(wèi)星分布范圍越小，GD

37、OP值越大。理論分析得出：在由觀測站至4顆衛(wèi)星的觀測方向中，當(dāng)任意兩方向之間的夾角接近109.5度時，其六面體的體積最大。但實(shí)際觀測中，為減弱大氣折射的影響，所測衛(wèi)星的高度角不能過低。因此在滿足衛(wèi)星高度角要求的條件下，盡可能使六面體體積接近最大。實(shí)際工作中選擇和評價觀測衛(wèi)星分布圖形：一顆衛(wèi)星處于天頂，其余3顆衛(wèi)星相距120度時，所構(gòu)成的六面體體積接近最大。四星定位法主要用于早期的GPS接收機(jī)中，隨著接收機(jī)跟蹤通道的增加，選星已經(jīng)不十分重要，如果可見衛(wèi)星多于4顆（如6顆或8顆），人們越來越傾向于使用全部可視衛(wèi)星進(jìn)行觀測，這樣定位比選擇4顆衛(wèi)星定位具有更高的精度。為了測定必須的定位精度，應(yīng)規(guī)定幾何

38、精度因子的最大值限制差，一旦超過限制值就應(yīng)停止觀測。一般低動態(tài)接收機(jī)的GDOP門限值可以設(shè)得比較小，一般不大于6，因?yàn)槠淇梢陨釛壱恍缀尉纫蜃舆^大的值，而正常輸出基本不受影響；而對于高動態(tài)接收機(jī)而言，其所輸出的每一點(diǎn)都很重要。這樣，GDOP門限值就設(shè)的比較大，一般不大于9。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 理解幾何精度因子在整個GPS接收機(jī)導(dǎo)航解算過程中所起的作用及解算幾何精度因子的必要性；2、 了解GDOP、VDOP、PDOP、HDOP、TDOP等不同幾何精度因子的計(jì)算過程及所起的作用；3、 理解DOP值與衛(wèi)星幾何分布的關(guān)系。包括DOP值較小或較大時衛(wèi)星的幾何分布情況；4、 了解不同應(yīng)用場合對DOP門限值

39、的要求。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、 運(yùn)行主程序以取得目前可視衛(wèi)星的實(shí)時導(dǎo)航數(shù)據(jù)（如GPS時間、衛(wèi)星星歷等）；2、 運(yùn)行本實(shí)驗(yàn)程序，步驟1中截取的所有GPS時間就會出現(xiàn)在“選擇GPS時刻”列表框的下拉菜單中，任意選擇一個GPS時刻；3、 如圖3.1所示，由于DOP值的解算需要已知本地接收機(jī)位置以及不少于4顆的可視衛(wèi)星的位置，如果在所選GPS時間天空中的可視衛(wèi)星數(shù)小于4顆，則不能解算出此時刻的DOP值，會彈出“無法計(jì)算DOP值”對話框。學(xué)生需要選擇其它時間進(jìn)行解算。圖3.14、 如圖3.2所示，若所選GPS時間天空中的可視衛(wèi)星數(shù)在4顆以上，則在程序界面的實(shí)時衛(wèi)星分布圖中會出現(xiàn)本時刻所有可視衛(wèi)星位置，同

40、時在右面的相應(yīng)位置會出現(xiàn)本時刻的各個DOP值。5、 根據(jù)表1記錄不同時刻的DOP值，比較不同時刻（如相隔30秒）DOP值的變化情況，尤其是可視衛(wèi)星個數(shù)發(fā)生變化的時刻，初步總結(jié)DOP值與衛(wèi)星幾何分布關(guān)系。圖3.26、 如圖3.3所示，點(diǎn)擊“定量分析”鍵，進(jìn)入對DOP值的準(zhǔn)確分析階段。此時，程序界面內(nèi)的衛(wèi)星分布圖上會出現(xiàn)4顆衛(wèi)星，同時會出現(xiàn)每顆衛(wèi)星的方位角和仰角，在右面的相應(yīng)位置會出現(xiàn)衛(wèi)星在這種分布情況下的DOP值。7、 移動這4顆衛(wèi)星，可得到衛(wèi)星在不同幾何分布情況下的實(shí)時DOP值以及各個衛(wèi)星準(zhǔn)確的方位角和仰角。根據(jù)表2記錄4顆衛(wèi)星在不同幾何分布情況下，各個衛(wèi)星的方位角和仰角以及對應(yīng)的各個DOP值，比較各條記錄，總結(jié)并驗(yàn)證課本中講到的DOP值與衛(wèi)星幾何分布的關(guān)系。圖3.3四、實(shí)驗(yàn)報告1、 按附表格式整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2、 對不同GPS時刻DOP值進(jìn)行分析，比較兩時刻可視衛(wèi)星個數(shù)未發(fā)生變化和發(fā)生變化的兩種不同情況下，DOP值的變化幅度及變化趨勢，得出結(jié)論。3、 對給定的4顆衛(wèi)星在不同分布情況下的DOP值進(jìn)行比較，得出DOP值較好時的衛(wèi)星分布狀況以及DOP值較差時的衛(wèi)星分布狀況，進(jìn)而得出DOP值隨各個衛(wèi)星方位角及仰角的不同關(guān)系而變化的趨勢，分析并驗(yàn)證課本中講到的DOP值與衛(wèi)星幾何分布的關(guān)系。4、 比較各種不同情況下各個DOP值的變化幅度，得