哈工大卫星定位导航原理实验报告

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1、卫星定位导航原理实验专业：班级：学号：姓名：日期：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

2、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

3、(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±

4、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，

5、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），

6、d1-d2

7、/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

8、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=

9、d1-d2

10、/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

11、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