电磁波传播及GPS卫星信号

1、第四章 电磁波传播与GPS卫星信号第一节 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卫星定位常用波普第二节 大气层对电磁波传播的影响一、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。电离层对不同频率电磁波折射二、电离层影响及对策 1、电离层影响： dion=-c40.28N/

2、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。 2、对策： 1）双频观测； 2）利用电离层模型改正（是否改正取决于数据处理软件）； 3）同步观测求差（相对定位或差分定位）。 4） 载波相位观测与码相位观测取平均。 3、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

3、于零。58，69，80，91，02年最高。三、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： 1）模型改正； 2）作为未知数求解； 3）同步观测值求差； 4）用水汽辐射计求路径折射率。第三节 GPS卫星的测距码信号一、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。二、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。（波形与序列见下一幻灯片。） 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

4、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。 码元、信息的传播速度、码元宽度三概念应牢固掌握符号与波形模二加法：110 , 101 , 000 , 011 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

5、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：自相关系数：11101001110100 11101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/7。11101001110100 11101001110101R(t)=(3-4)/7=-1/73）噪声码 信号强度远低于噪声强度的信号码。 优点：耗能少；隐蔽性好。4）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码的产生输出+4

6、321钟冲置1脉冲状态号 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 钟冲2 3 0 0 1 1 1 钟冲3 4 0 0 0 1 1 钟冲4 5 1 0 0 0 0 钟冲5 6 0 1 0 0 0 钟冲6 7 0 0 1 0 0 8 1 0 0 1 1 9 1 1 0 0 0 10 0 1 1 0 0四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：

7、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)。三、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：2997924

8、58m/s9.775210-9=2.93m。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。第四节 GPSGPS卫星的导航电文 1、遥测码：主要是说明注入数据是否可靠。2、转换码：用

9、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。（G:教学数据课堂实习ASHTECH）8、卫星健康及其它。如何评价胰腺癌化疗的疗效 GPSGPS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。第六节 接收机的基本原理1、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制