卫星导航实验报告

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1、电子科技大学通信与信息工程学院本科教学卫星与导航系列实验标准实验报告课程名称：l定位与导航原理与应用l定位与导航工程电子科技大学教务处制表电子科技大学通信与信息工程学院标准实验报告实验名称：导航信号传输模型仿真电子科技大学教务处制表电子科技大学实验报告学生姓名：侯玉皓学号：2012019030016提交日期：2015.6.24得分项目名称：实时卫星位置、速度和时间解算（PVT解算）及结果分析【实验目的】1)理解实时卫星位置解算在卫星导航解算过程中所起的作用，了解为完成卫星位置解算所需的条件；1)了解GPS时间、卫星的额定轨道周期的含义，了解星历的

2、构成、周期及应用条件；2)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；3)了解Doppler频移的变化范围及其与卫星仰角之间的关系；4)能够根据实验数据编写求解Doppler频移的相关程序。【实验原理】实时卫星位置解算在整个导航解算过程中具有举足轻重的作用，通常我们为了获得接收机的地理位置，需要对卫星发射导航电文时的时间及运行速度有所了解，所以可以说，卫星的实时速度和时间是解算卫星实时位置的基础，而卫星的实时位置又是解算接收机三维位置坐标的基础。可见卫星实时位置、时间及速度在整个定位过程中的重要地位。一般来说要

3、确定接收机的三维位置，需要同时解算出至少四颗卫星的实时位置。卫星某一时刻发出的信号可以分为三部分：载波（L1）、测距码（CA）、导航电文。对GPS某颗卫星进行实时位置的解算，需要已知这颗卫星的星历和周内时，这些信息都包含在速率为50bps的导航电文中（图3.1中的数据码）。导航电文通过测距码（C/A码）进行扩频，然后用扩频的信号去调制频率为L1的正弦波载波，然后卫星将调制后的载波信号播发出去。其模型可以用如下公式表示：数据码测距码载波(3.1)其中和是调制幅度，是精码和粗码，它们都是对数据码的扩频码，数据码经过扩频后分为两路进行调制。在本地接收

4、机收到卫星信号后，通过剥离载波L1，还原其扩频之后的信号，然后按照导航电文的格式最终将数据码编译成导航电文（数据码）。它可分为5个部分：l遥测字导航电文前导+授权用户信息l交接字由于P码数据长，不易捕获，需要CA码的辅助来捕获l数据块1钟修正参数、期龄、星期编号等l数据块2星历（在子帧2、3中），用于计算卫星位置l数据块3历书（子帧4、5中）提供卫星布局，健康状况等信息本实验的一个重点在于通过导航电文来获取其卫星发射时间和星历从而得到卫星的实时位置。GPS卫星在空间中的位置是时间t的函数，要计算卫星的位置首先要收集齐时钟和星历参数，然后需要确定

5、卫星的发射时刻。导航信号的发射时刻可以通过导航电文在每一子帧的的交接字中的周内时计数器（Z计数）得知，通过该计数器可以得到估算的发射时刻。同时在子帧1中包含钟改正参数来对估算的时钟进行修正。导航电文中的数据块2是卫星星历信息，数据块3是卫星的历书信息。星历主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息，而历书主要向用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态等。在数据块2（子帧2和3）中包含有许多重要星历参数。星历数据参数如下表所示（一颗卫星）:表3.1星历数据参数参数（子帧2中）意义参数（子帧3中）意义轨道半径的正弦调和修正幅度倾斜角的余弦调和修正项

6、幅度Δn计算值的平均移动误差Ωe在每星期历元轨道平面上升点的经度参考时间的平近点角倾斜角的正弦调和修正项的幅度纬度辅角的余弦调和修正项幅度参考时间的倾斜角离心率轨道半径的正弦调和修正项幅度纬度辅角的正弦调和修正项幅度近地点的幅度长半轴平方根Ω赤径的速度参考时间星历IODE数据与星历发布号IDOT倾斜角的速度后续导航解算单元根据导航电文中相应的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。也就是说，根据收到的导航电文，接收端就可以通过相关公式计算出发送电文时刻卫星的大致位置，这对于解算出接收机的

7、地理位置尤为重要。卫星的角速度和切向速度可以通过卫星轨道模型来进行估计。GPS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。由此可以计算得到卫星的运行的角速度和切向速度（如图3.3）：ω=2π/(11*3600+58*60+2.05)≈0.0001458rad/s(3.2)然后通过角速度ω和已知的轨道半径rs（26560km）计算切向速度vs=rs*ω≈26560km*0.0001458≈3874m/s（3.3）本实验的另一个重要内容是Dopple

8、r频移的预测，即通过对卫星进行相隔时间为1s的多点测量（本实验给出了三点），进而估计Doppler频移。lDoppler频移产生原理：由