卫星运动及卫星信号.ppt

1,第三章 卫星运动的基础知识与GPS卫星信号,第一部分：卫星的无摄运动与受摄运动 一、卫星的无摄运动,卫星运动不仅受地心引力的作用，而且还受到非地心引力、日月引力、行星引力、太阳光压、地球潮汐、大气阻力等影响。除地心引力外的其它作用力称为摄动力。 只考虑地心引力的卫星运动叫无摄运动，考虑其它作用力的卫星运动叫受摄运动。,2,1、卫星运动的开普勒定律,第一定律：卫星轨道是椭圆，一个焦点是地心。,3,第二定律：卫星与地心连线在相同时间内扫过的面积相等。 卫星速度的变化,4,第三定律：卫星运行的周期平方与轨道长半径立方成比例。,5,2、无摄运动的轨道参数,轨道形状与大小：轨道长半径as；偏心率es； 轨道平面与地球体之间的相对定向：升交点赤经；轨道面倾角i。 轨道椭圆在轨道平面上的定向：近地点角距； 卫星在轨道平面上的位置：真近点角fs（变量）； 辅助参数平近点角Ms和偏近点角Es。,6,7,偏近点角Es,8,Ms=n(t-t0) t是观测时刻，t0是过近地点的时刻。,平近点角,9,3、偏近点角与真近点角的计算,偏近点角： Es=Ms+es.sinEs 真近点角：,10,4、无摄卫星位置计算,在轨道直角坐标系中的位置： 卫星在天球坐标系和地球坐标系中的位置通过坐标系的转换求得。但在转换前需加摄动改正。,11,在轨道直角坐标系中卫星的位置： 取直角坐标系的原点与地球质心相重合，xs轴指向升交点、zs轴垂直于轨道平面向上 , ys轴在轨道平面上垂直于xs轴构成右手系，则卫星在任意时刻的坐标为：,12,在地球坐标系中卫星的位置 在轨道平面直角坐标系中只确定了卫星在轨道平面上的位置，而轨道平面与地球体的相对定向尚需由轨道参数、i和us确定。 地球坐标系（x,y,z）与轨道坐标系(xs, ys, zs)具有相同的原点，差别在于坐标系的定向不同，为此需将轨道坐标系作如下旋转： 绕xs轴顺转角度i，使zs轴与z轴重合。 绕zs轴顺转角度，使x轴与xs轴重合。,13,14,用旋转矩阵表示如下：,15,考虑极移的影响，最后得到在协议地球坐标系中的空间直角坐标,16,二、卫星的受摄运动,受摄运动的卫星位置是在无摄位置的基础上加相应的改正数求得。 1、地球赤道隆起的影响 1）引起升交点赤经变化，变率； 2）引起近地点角距变化，变率； 3）引起平近点角M变化，变率M或n或n； 2. 太阳和月亮摄动影响 由于太阳很远，其影响较小。月亮的影响是主要因素。此外，太阳、月亮 引起的潮汐改变了地球内部物质的分布，不过是很小的。 3. 太阳辐射压摄动影响 太阳光子对卫星的作用引起扰动加速度，其大小取决于卫星质量和光照面 积的大小。当卫星位于阴影区时，该项影响为零。 另外，还有大气阻力摄动、地球固体潮和海潮摄动等的影响，对GPS卫星 而言，他们的影响较小。,17,三、GPS卫星星历,卫星星历是描述卫星运行轨道的参数，分预报星历和后处理星历。 1、预报星历 由卫星向用户播发。可用于实时定位。 内容：分三部分，开普勒六参数、轨道摄动九参数、时间二参数。,预报星历的内容： 1）开普勒六参数 A0.5 ,e, i0, s, 0, M0， 0星期日子夜零时的格林威治子午面与参考时刻toe时的升交点所在子午面之间的夹角。,18,2)轨道摄动九参数 3）时间二参数 toe星期日子夜零时起算的星历参考时刻。取值范围：0604800s。 AODE数据龄期，即用于推算星历的监测站观测数据的最后观测时刻tL到toe的时间间隔，AODE= toe- tL。 4)卫星钟差改正参数：ts=a0+a1(t-toC)+a2(t-toC)2 toC星钟参考时刻。 5)GPD星期数，取值范围01024，1980.1.61999.8.22，1999.8.222019.4.6,19,20,2、后处理星历,为了满足大地测量学和地球动力学对高精度定位的要求，一些国家的有关部门，根据各自建立的GPS卫星跟踪站所获得的GPS卫星精密观测资料，采用确定预报星历的相似的方法，计算出任一时刻的卫星星历。目前，这样的组织至少有两个：一个是美国国防制图局(DMA),另一个是国际GPS动力学服务IGS（International GPS service for geodynamics)。 DMA主要提供精密星历。其精密星历是基于GPS系统5个监测站的平滑伪距数据产生的，以等间隔时间上位置和速度形式给出，位置精度在2m左右，供军方用户使用，一般民间用户不易得到。 IGS是国际大地测量协会为支持大地测量和地球动力学研究活动1993年建立的国际科学服务组织，1994年正式运作。其机构包括GPS跟踪网站、数据中心、分析中心、分析协调员、中央局和管理委员会。其主要任务是利用GPS空间对地观测技术研究地壳运动、监测海(冰)面变化、地球自转、极移以及大地坐标系维持等地球科学问题。,21,第二部分：电磁波传播与GPS卫星信号,一、 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， =2 ft。 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,22,卫星定位常用波谱,23,二、大气层对电磁波传播的影响,1、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 n1 n1,24,电离层对不同频率电磁波折射,25,2、电离层影响及对策,电离层影响： dion=-c40.28N/f 2 N断面为1m2传播路径上的电子数总合。 若N=51017，而f 1=1.57542GHz, f 2=1.22760GHz dion 1=8.11m， dion2=-13.36m。 对策： 双频观测； 利用电离层模型改正（是否改正取决于数据处理软件）； 同步观测求差（相对定位或差分定位）。 载波相位观测与码相位观测取平均。 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。,26,3、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： 模型改正； 作为未知数求解； 同步观测值求差； 用水汽辐射计求路径折射率。,27,三、 GPS卫星的测距码信号,1、GPS卫星信号概述 载波信号： L1 1.57542GHz。 L2 1.22760GHz 。 测距码信号：C/A码，P码。 数据码信号：导航电文。 2、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。 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。,28,符号与波形,29,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U（t）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： 11101001110100 11101001110100 R（t）=(7-0)/7=1。 11101001110100 11101001110101 R(t)=(5-6)/11=-1/11,30,3）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。 111100010011010111100010011010,31,码的产生,状态号 各级状态1，2，3，4 输出 1 1 1 1 1 1 周日子夜零时置1脉 冲与钟冲1同时作用 2 0 1 1 1 1 3 0 0 1 1 1 4 0 0 0 1 1 5 1 0 0 0 0 6 0 1 0 0 0 7 0 0 1 0 0 8 1 0 0 1 1 9 1 1 0 0 0 10 0 1 1 0 0,32,四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)。,33,3、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： 0.97752s 1023=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。,34,2）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。,35,四、GPS卫星的导航电文,导航电文按帧传送，每帧电文包含1500个二进制码元，周期为30秒。每帧又分为5个子帧，每个子帧都包含300个二进制码，6秒钟。每个子帧又分为10个字，这样一个字就包含30个二进制码，其最后6个比特是奇偶校验位，用以检查传送的信号是否出错，并能纠正单个错误，故通常又称为纠错码。完整的导航信息由25帧数据组成。由于播送速度为50 bit/s，所以全部播完要12.5分钟，其结构如图所示。,36,37,38,1、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。 8、卫星健康及其它。,39,五、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。,1、计算卫星运行的平均角速度n n0卫星电文给出的摄动改正数,第三部分：卫星坐标计算,2、计算归化时间tk,tk=t-toe t=t-t t=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2,计算的值应当计及一个星期的开始和结束，当302400s时，应当减去604800s。,3、观测时刻卫星平近点角Mk的计算,Mk=M0+ntk,4、计算偏近点角Ek,Ek=Mk+esinEk,Mo卫星电文给出参考时刻的平近点角,e:轨道偏心率,5、真近点角Vk的计算,6、升交距角k的计