衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院本科教學(xué)衛(wèi)星與導(dǎo)航系列實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： l 定位與導(dǎo)航原理與應(yīng)用 l 定位與導(dǎo)航工程 電子科技大學(xué)教務(wù)處制表電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：導(dǎo)航信號(hào)傳輸模型仿真電子科技大學(xué)教務(wù)處制表電子科技大學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告學(xué)生姓名：侯玉皓 學(xué)號(hào)：2012019030016 提交日期：2015.6.24 得分 項(xiàng)目名稱：實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置、速度和時(shí)間解算（PVT解算）及結(jié)果分析【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?) 理解實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算在衛(wèi)星導(dǎo)航解算過程中所起的作用，了解為完成衛(wèi)星位置解算所需的條件； 2) 了解 GPS 時(shí)間、衛(wèi)星的額定軌道周期的含義，了解星歷的構(gòu)成、周期及應(yīng)

2、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(cè) 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?！緦?shí)驗(yàn)原理】實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算在整個(gè)導(dǎo)航解算過程中具有舉足輕重的作用，通常我們?yōu)榱双@得接收機(jī)的地理位置，需要對(duì)衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航電文時(shí)的時(shí)間及運(yùn)行速度有所了解，所以可以說，衛(wèi)星的實(shí)時(shí)速度和時(shí)間是解算衛(wèi)星實(shí)時(shí)位置的基礎(chǔ)，而衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置又是解算接收機(jī)三維位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)?？梢娦l(wèi)星實(shí)時(shí)位置、時(shí)間及速度在整個(gè)定位過程中的重要地位。一般來說要確定接收機(jī)的三維位置，需要同時(shí)解算

3、出至少四顆衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置。 衛(wèi)星某一時(shí)刻發(fā)出的信號(hào)可以分為三部分：載波（L1）、測(cè)距碼（CA）、導(dǎo)航電文。對(duì)GPS某顆衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)位置的解算，需要已知這顆衛(wèi)星的星歷和周內(nèi)時(shí)，這些信息都包含在速率為 50bps 的導(dǎo)航電文中（圖3.1中的數(shù)據(jù)碼）。導(dǎo)航電文通過測(cè)距碼（C/A 碼）進(jìn)行擴(kuò)頻，然后用擴(kuò)頻的信號(hào)去調(diào)制頻率為 L1的正弦波載波，然后衛(wèi)星將調(diào)制后的載波信號(hào)播發(fā)出去。其模型可以用如下公式表示： 數(shù)據(jù)碼測(cè)距碼 載波 (3.1)其中和是調(diào)制幅度，是精碼和粗碼，它們都是對(duì)數(shù)據(jù)碼的擴(kuò)頻碼，數(shù)據(jù)碼經(jīng)過擴(kuò)頻后分為兩路進(jìn)行調(diào)制。在本地接收機(jī)收到衛(wèi)星信號(hào)后，通過剝離載波L1，還原其擴(kuò)頻之后的信號(hào)，然后按照導(dǎo)

4、航電文的格式最終將數(shù)據(jù)碼編譯成導(dǎo)航電文（數(shù)據(jù)碼）。它可分為5個(gè)部分：l 遙測(cè)字 導(dǎo)航電文前導(dǎo)+授權(quán)用戶信息l 交接字 由于P碼數(shù)據(jù)長(zhǎng)，不易捕獲，需要CA碼的輔助來捕獲l 數(shù)據(jù)塊1 鐘修正參數(shù)、期齡、星期編號(hào)等l 數(shù)據(jù)塊2 星歷（在子幀2、3中），用于計(jì)算衛(wèi)星位置l 數(shù)據(jù)塊3 歷書（子幀4、5中）提供衛(wèi)星布局，健康狀況等信息本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重點(diǎn)在于通過導(dǎo)航電文來獲取其衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間和星歷從而得到衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置。GPS衛(wèi)星在空間中的位置是時(shí)間t的函數(shù)，要計(jì)算衛(wèi)星的位置首先要收集齊時(shí)鐘和星歷參數(shù)，然后需要確定衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)刻。導(dǎo)航信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻可以通過導(dǎo)航電文在每一子幀的的交接字中的周內(nèi)時(shí)計(jì)數(shù)器（Z計(jì)數(shù)）得

5、知，通過該計(jì)數(shù)器可以得到估算的發(fā)射時(shí)刻。同時(shí)在子幀1中包含鐘改正參數(shù)來對(duì)估算的時(shí)鐘進(jìn)行修正。導(dǎo)航電文中的數(shù)據(jù)塊2是衛(wèi)星星歷信息，數(shù)據(jù)塊3是衛(wèi)星的歷書信息。星歷主要向用戶提供有關(guān)計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行位置的信息，而歷書主要向用戶提供GPS衛(wèi)星的概略星歷及衛(wèi)星的工作狀態(tài)等。在數(shù)據(jù)塊2（子幀2和3）中包含有許多重要星歷參數(shù)。星歷數(shù)據(jù)參數(shù)如下表所示（一顆衛(wèi)星）: 表3.1 星歷數(shù)據(jù)參數(shù) 參數(shù)（子幀2中） 意義 參數(shù)（子幀3中） 意義 軌道半徑的正弦調(diào)和修正幅度 傾斜角的余弦調(diào)和修正項(xiàng)幅度 n計(jì)算值的平均移動(dòng)誤差 e在每星期歷元軌道平面上升點(diǎn)的經(jīng)度 參考時(shí)間的平近點(diǎn)角 傾斜角的正弦調(diào)和修正項(xiàng)的幅度 緯度輔角的余弦

6、調(diào)和修正項(xiàng)幅度 參考時(shí)間的傾斜角 離心率 軌道半徑的正弦調(diào)和修正項(xiàng)幅度 緯度輔角的正弦調(diào)和修正項(xiàng)幅度 近地點(diǎn)的幅度 長(zhǎng)半軸平方根 赤徑的速度 參考時(shí)間星歷 IODE數(shù)據(jù)與星歷發(fā)布號(hào) IDOT 傾斜角的速度后續(xù)導(dǎo)航解算單元根據(jù)導(dǎo)航電文中相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行衛(wèi)星位置解算、各種實(shí)時(shí)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。也就是說，根據(jù)收到的導(dǎo)航電文，接收端就可以通過相關(guān)公式計(jì)算出發(fā)送電文時(shí)刻衛(wèi)星的大致位置，這對(duì)于解算出接收機(jī)的地理位置尤為重要。衛(wèi)星的角速度和切向速度可以通過衛(wèi)星軌道模型來進(jìn)行估計(jì)。GPS衛(wèi)星的額定軌道周期是半個(gè)恒星日，或者說 11 小時(shí) 58 分鐘 2.05秒

7、；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。由此可以計(jì)算得到衛(wèi)星的運(yùn)行的角速度和切向速度（如圖3.3）： =2/(11*3600+58*60+2.05)0.0001458 rad/s (3.2)然后通過角速度和已知的軌道半徑rs（26560km）計(jì)算切向速度 vs=rs*26560km*0.00014583874m/s （3.3）本實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)重要內(nèi)容是 Doppler 頻移的預(yù)測(cè)，即通過對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行相隔時(shí)間為 1s 的多點(diǎn)測(cè)量（本實(shí)驗(yàn)給出了三點(diǎn)），進(jìn)而估計(jì) Doppler 頻移。l Doppler 頻移產(chǎn)生原理：由于衛(wèi)星與接收機(jī)存在相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)，因此信號(hào)接

8、收頻率會(huì)隨這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生偏移，稱為 Doppler頻移，其直接表現(xiàn)是接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)不在 L1 頻點(diǎn)（1575.42MHz）上，而是在其基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)大約為-5KHz到+5KHz 左右的頻率偏移。Doppler頻移的存在給前端相關(guān)器進(jìn)行頻域搜索和衛(wèi)星信號(hào)捕獲帶來了諸多困難。如果事先能夠估算出Doppler頻偏，就會(huì)降低捕獲難度，縮短捕獲時(shí)間，進(jìn)而縮短接收機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。接收機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間是衡量接收機(jī)性能好壞的重要參數(shù)之一，而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的快速捕獲，縮短接收機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間也是目前GNSS領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。l Doppler 頻移的計(jì)算：已知衛(wèi)星位置和本地接收機(jī)的初始位置，根據(jù)空間兩點(diǎn)間的距離

9、公式，可以得出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離d。設(shè)某衛(wèi)星在短時(shí)間 t 內(nèi)經(jīng)過點(diǎn) S1、S2，接收機(jī)到點(diǎn) S1、S2 的距離分別為d1、d2,。在 t 相對(duì)較小（本實(shí)驗(yàn)取 t=1s）的情況下，我們可近似認(rèn)是衛(wèi)星與接收機(jī)在 t 時(shí)間內(nèi)的平均相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)速度，再將此速度轉(zhuǎn)換為頻率的形式就可以得到 Doppler 頻移的估計(jì)值。設(shè)本地接收機(jī)的初始位置為 R（xr，yr，zr），衛(wèi)星所經(jīng)歷的空間兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 S1 （x1，y1，z1）、S2（x2，y2，z2），間隔時(shí)間為 t，衛(wèi)星與接收機(jī)平均相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)速度為 vd，光速為 c，Doppler 頻移為 fd，則 Doppler 頻移預(yù)測(cè)的具體公式如下所示：d1

10、d222L1vd22 圖 3.1其中，為一顆衛(wèi)星不同時(shí)刻到接收機(jī)的偽距，為兩個(gè)時(shí)刻之間的徑向速度。Doppler 頻移與衛(wèi)星的仰角有關(guān)，衛(wèi)星仰角越大，Doppler 頻移越小。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(shí)，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)星仰角之間的關(guān)系.【實(shí)驗(yàn)步驟】1) 查閱資料建立相應(yīng)模型，在C/C+或者M(jìn)atlab平臺(tái)上根據(jù)星歷數(shù)據(jù)及其定義實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星實(shí)時(shí)位置的解算；2) 運(yùn)行主程序以取得可視衛(wèi)星的實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)（如 GPS 時(shí)間、各顆衛(wèi)星的星歷等）。將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)儀器的USB

11、端口接入電腦，待驅(qū)動(dòng)安裝成功后，打開實(shí)驗(yàn)一程序；3) 在“選擇 GPS 時(shí)刻”列表框的下拉菜單中，任意選擇一個(gè)GPS 時(shí)刻。（注：北斗和 GPS 系統(tǒng)由于存在系統(tǒng)時(shí)差而具有不同的周內(nèi)時(shí)。這里的 GPS 時(shí)刻，對(duì)于GPS衛(wèi)星指其系統(tǒng)周內(nèi)時(shí)，對(duì)于北斗衛(wèi)星則表示將北斗的周內(nèi)時(shí)加上系統(tǒng)時(shí)差換算之后的 GPS 系統(tǒng)周內(nèi)時(shí)）；4) 在“所選時(shí)刻可視衛(wèi)星星歷”列表框中出現(xiàn)所選時(shí)刻天空中所有可視衛(wèi)星的星歷信息，如圖 3.6 所示。選定一顆衛(wèi)星，將“所選時(shí)刻可視衛(wèi)星星歷”中該衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的參數(shù)輸入到1）中的解算代碼中，計(jì)算衛(wèi)星位置。5) 在“選擇衛(wèi)星號(hào)”列表框的下拉菜單中，出現(xiàn)所選時(shí)刻天空中所有可視衛(wèi)星的序號(hào)。北斗

12、衛(wèi)星的編號(hào)從 101 開始，即北斗 1 號(hào)星的編號(hào)為 101。選擇與4）中對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星序號(hào)，在“衛(wèi)星位置信息”中會(huì)列出所選時(shí)刻該衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置如圖3.7。對(duì)比該位置與之前代碼解算的結(jié)果。并將其記錄在表格中（表格一）；6) 在“衛(wèi)星位置信息”列表框中同時(shí)會(huì)出現(xiàn)所選衛(wèi)星在所選 GPS 時(shí)刻一秒和兩秒后的所對(duì)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（表格一）；7) 在“衛(wèi)星位置信息”列表框中還會(huì)出現(xiàn)該衛(wèi)星在 11 小時(shí) 58 分后的ECEF 位置坐標(biāo)，這是根據(jù)衛(wèi)星在所選 GPS 時(shí)刻的星歷數(shù)據(jù)推算出來的，

13、用以驗(yàn)證衛(wèi)星的額定軌道周期。根據(jù)附表記錄其值（表格一）；8) 根據(jù)步驟 6）記錄的數(shù)據(jù)，在C/C+或Matlab環(huán)境下編寫代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)Doppler 頻移估值的求解，將所得數(shù)據(jù)記錄在附表中（表格一）；9) 重復(fù)前面實(shí)驗(yàn)，記錄并解算出所選時(shí)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（表格二）；10) 重復(fù)前面實(shí)驗(yàn)，比較并分析不同時(shí)刻同一衛(wèi)星的仰角、ECEF 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及Doppler頻移的差異和同一時(shí)刻不同衛(wèi)星仰角、坐標(biāo)及Doppler頻移差異；11) 重復(fù)步驟 2 到步驟 11，選擇不同時(shí)間段進(jìn)行記錄、求解、分析?！竞诵某绦虼a】% Find satellite'

14、;s position - %Restore semi-major axis a = eph(prn).sqrtA * eph(prn).sqrtA; %Time correction tk = check_t(time - eph(prn).t_oe); %Initial mean motion n0 = sqrt(GM / a3); %Mean motion n = n0 + eph(prn).deltan; %Mean anomaly M = eph(prn).M_0 + n * tk; %Reduce mean anomaly to between 0 and 360 deg M =

15、rem(M + 2*gpsPi, 2*gpsPi); %Initial guess of eccentric anomaly E = M; %- Iteratively compute eccentric anomaly - for ii = 1:10 E_old = E; E = M + eph(prn).e * sin(E); dE = rem(E - E_old, 2*gpsPi); if abs(dE) < 1.e-12 % Necessary precision is reached, exit from the loop break; end end %Reduce ecce

16、ntric anomaly to between 0 and 360 deg E = rem(E + 2*gpsPi, 2*gpsPi); %Compute relativistic correction term dtr = F * eph(prn).e * eph(prn).sqrtA * sin(E); %Ïà¶ÔÂÛÐÞÕýÏî %Calculate the true anomaly nu = atan2(sqrt(1 - eph(prn).e2) * sin(E),

17、 cos(E)-eph(prn).e); %Compute angle phi phi = nu + eph(prn).omega; %Reduce phi to between 0 and 360 deg phi = rem(phi, 2*gpsPi); %Correct argument of latitude u = phi + . eph(prn).C_uc * cos(2*phi) + . eph(prn).C_us * sin(2*phi); %Correct radius r = a * (1 - eph(prn).e*cos(E) + . eph(prn).C_rc * cos

18、(2*phi) + . eph(prn).C_rs * sin(2*phi); %Correct inclination i = eph(prn).i_0 + eph(prn).iDot * tk + . eph(prn).C_ic * cos(2*phi) + . eph(prn).C_is * sin(2*phi); %Compute the angle between the ascending node and the Greenwich meridian Omega = eph(prn).omega_0 + (eph(prn).omegaDot - Omegae_dot)*tk -

19、. Omegae_dot * eph(prn).t_oe; %Reduce to between 0 and 360 deg Omega = rem(Omega + 2*gpsPi, 2*gpsPi); %- Compute satellite coordinates - satPositions(1, satNr) = cos(u)*r * cos(Omega) - sin(u)*r * cos(i)*sin(Omega); satPositions(2, satNr) = cos(u)*r * sin(Omega) + sin(u)*r * cos(i)*cos(Omega); satPo

20、sitions(3, satNr) = sin(u)*r * sin(i);【結(jié)果記錄與分析】1、 按附表格式整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并整理所編程序。（以一顆衛(wèi)星為例）附表一衛(wèi)星時(shí)間 衛(wèi)星序號(hào):10仰角Doppler 頻移解算坐標(biāo)ECEF坐標(biāo)308640-6898114.365083-6898114.84023169.366891°4.836185542725942 KHz10231973.05697610231973.40023111426817.71196811426816.812402308641-6899460.241363-6899460.72645369. 366891°

21、4.836197123663138 KHz10232948.98024310232949.32603511424268.23045111424267.987032308642-6890805.435930-6890805.87403269. 366891°4.836208705610145 KHz10233924.76035410233924.78534311421718.24329911421718.20765311小時(shí)58 分后的坐標(biāo)ECEF 位置坐標(biāo)X:-6898413.749678Y:10229384.563445Z:11423157.6302542、對(duì)同一時(shí)刻不同衛(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Doppler頻移之間的關(guān)系。 附表二GPS 時(shí)間可視衛(wèi)星序號(hào)仰角Doppler 頻移3086411069. 366891°4.836197123663138 KHz3086412016.607849°4.893789169568091 KHz3086413244.365742°4.869897124663638 KHz由上表可得: 衛(wèi)星的仰角越大，其多普勒頻移越小。3、比較并分