电磁波的传播与GPS卫星的信号

教学内容：电磁波传播的基本概念，大气层对电磁波传播的影响，GPS卫星的测距码信号，GPS卫星的导航电。知识目标：了解电磁波的基本概念和其参数的构成；了解大气环境对电磁波传播的主要影响因素和其相应的减弱影响的措施；掌握码的相关概念、码的构成及其相应的特性；掌握GPS导航电文的格式及其内容。学习情境4电磁波的传播与GPS卫星的信号一、电磁波及其参数周期T、频率f、速度v、波长λ、相位φ及其相互关系：T=1/f，λ=T*v子情境1电磁波传播的基本概念若设电磁波的波长为λ，相位常数为k，则有关系式：电磁波在真空中的传播速度为c二、电磁波的传播速度与大气折射折射率n折射数群波的传播速度为群速Vg通过大气层的电磁波频率f，则相应的折射率表4-1给出了常用波段的划分方法及其表示符号电磁波的频谱图4-1电磁波的频子情境2大气层对电磁波传播的影响一、大气的结构及性质1.大气结构概况众所周知，地球的表面包围着一层很厚的大气，大气的总质量约为3.9×1018kg，大约是地球总质量的百万分之一。由于地球吸引力的作用，引起大气的质量在垂直方向分布极不均匀，主要集中在大气层的底部，其中75％的质量分布在10km以下，而90％以上的质量分布在30km以下。图4-2大气层的分类2.对流层的性质对流层，指从地面向上约40km范围内的大气底层。整个大气层质量的99％，几乎都集中在该大气层中。对流层与地面接触，并从地面得到辐射热能，其温度一般随高度的上升而降低，平均每升高1km降低约6.5℃。而在水平方向（南北方向），温度差每100km一般不会超过1℃。有少量电子，对电磁波的传播几乎没有影响。电磁波的传播速度与频率无关。大气中含有水滴、尘埃等杂质，对电磁波的传播具有很大的影响。图4-3折射数N0随高度的变化为了说明高度角的变化对对流层折射的影响，现将电磁波传播路径的差值随高度角的变化情况列于表4-2。3.电离层的性质电离层是高度位于50～1000km的大气层。由于原子氧吸收了太阳紫外线的能量，故该大气层的温度，随高度的上升而迅速升高。含高密度的带电粒子：与大气辐射强度、大气密度、高度、太阳黑子活动相关。当电磁波穿过电离层时，信号的路径会发生弯曲，所以大气对电磁波的传播属于弥散性介质。影响带电离子密度的因素电离层高度，200~400km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。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n>1 n<1二、对流层的影响和改正

对于频率小于30GHz的电磁波传播为非弥散性介质由于对流层折射的影响，在天顶方向，可使电磁波的传播路径差2.3m，高度角为10°时可达20m。

3、对流层影响与电磁波频率无关，1）完善大气折射改正模型；2）作为未知数求解；3）尽可能充分地掌握观测站周围地区的实时气象资料；4）用水汽辐射计计算大气湿分量的改正项。水汽辐射计

三、电离层的影响和改正电离层中，电磁波的折射率<1

折射率与大气电子密度成反比，与通过的电磁波频率的平方成正比。对于确定的电磁波频率来说，电子密度与辐射强度、季节、时间、地理位置、太阳黑子的活动强度等有关。图4-4太阳黑子数的预报值当电磁波的传播方向偏离天顶方向时，电子总量会明显地增加。若在倾角为hs的方向上，电子总数设为Nh，则有近似式：据实际资料分析可得，对于GPS来说，由于电离层折射引起的电磁波传播路径的距离差，延天顶方向，最大可达50m，延水平方向最大可达150m。当电磁波的频率不同时，电离层对传播路线的影响见表4-3。1.利用两种不同的频率进行观测表4-4列出了经不同双频观测改正后，仍可能含有的电离层折射影响的残差2.两观测站同步观测量求差3.电离层改正模型

图4-7电离层改正模型

伪距测量值与载波相位测量值的电离层折射改正大小相同，符号相反。因而有人建议用载波相位测量观测值来改正伪距测量中的电离层折射。方法很简单，只需将同一观测时刻的载波相位测量观测值和伪距测量观测值取中数即可消除电离层折射的影响，这种方法被称为半和改正法。但这会引入一个整周未知数N，造成诸多不便，因而未被广泛采用。注意不能反过来利用伪距观测值来求改正载波相位观测值中的电离层折射。4.半和改正法子情境3GPS卫星的测距码信号1、GPS卫星信号概述载波信号：

L11.57542GHz。

L21.22760GHz。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。

模二加法：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（1/2），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——将随即序列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

11101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/7。11101001110100

11101001110101R(t)=(3-4)/7=-1/73）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（P38）；也可用程序产生。111100010011010111100010011010码的产生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：τ0=1/fc

；码长：Nu=24-1=15bit；周期：T=τ0.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：τ0=1/fc

；码长：Nu=2r-1；周期：T=τ0.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1~1023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：0.97752μs，码长：210-1=1023bit，周期：0.97752μs×1023=1ms，测尺长度：300km，测时精度：0.97752μs/100=0.0097752μs，测距精度：299792458m/s×9.7752×10-9=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：0.097752μs，码长：2.35×1014bit，周期：0.097752μs×2.35×1014=267天测时精度：0.097752μs/100=9.7752×10-10s，测距精度：299792458×9.7752×10-10=0.293m。1、接收机接收卫星发射的测距码并产生相同的复制码；2、接收码比复制码滞后一段时间；3、时延器将复制码延后（向后移位），直到与接收码对齐为止，记录延后时间，即为电磁波在星站间传播所用时间。复制码１１１１０００１００１１０１０１１１接收码１１１１０００１００１１０１０4*、冷启动，接收码(来自某卫星）与50多个复制码（接收机产生）一一比较，两者相同叫锁定。热启动，冷启动后有记忆，以后启动不必一一比较。四、接收机的基本原理数据接收五、ＧＰＳ卫星信号的构成１、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：299792458/1.57542×109=19.03cm。测距精度：19.03cm/100=1.9mm。L2频率：1.22760GHz。波长：299792458/1.22760×109=24.42cm。测距精度：24.42cm/100=2.4mm。子情境4GPS卫星的导航电文

一、导航电文及其格式

图4-19导航电文格式二、导航电文的内容

图4-20一帧导航电文的内容1.遥测码TLW主要是说明注入数据是否可靠2.转换码HOW用C/A码捕获P码用图4-21Z计数3.数据块I卫星钟改正参数参考历元toe钟数据龄期AODC现时星期编号WN4.数据块ⅡGPS实时定位的基本数据5.数据块ⅢGPS卫星概略星历、卫星工作状态的信息用户搜到一颗卫星后，可从中获得其他所有卫星的概略位置、卫星钟概略改正数及工作状态等信息年11月9日2时0秒19