电磁波传播与GPS卫星信号.

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λ、相位φ及其相互关系：T=1/f，λ=T.v，φ=2πft。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卫星定位常用波普符号频率GHz平均波长（cm）P0.22~0.30115L1~220S2~410C4~85X8~12.53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。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n1n1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=-c40.28NΣ/f2NΣ——断面为1m2传播路径上的电子数总合。若NΣ=5×1017，而f1=1.57542GHz,f2=1.22760GHzdion1=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，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。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：L11.57542GHz。L21.22760GHz。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名称二进制序列符号序列1110信号电位-1-1-11信号波形模二加法：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：1110100111010011101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/7。1110100111010011101001110101R(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+4321钟冲置1脉冲状态号各级状态1，2，3，4输出111111周日子夜零时置1脉冲与钟冲1同时作用201111钟冲2300111钟冲3400011钟冲4510000钟冲5601000钟冲67001008100119110001001100四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。第四节GPS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C/A码捕获P码用。3、传输参数：定位精度，9可用于导航，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:\ＧＰＳ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第五节GPS卫星信号的调制与解调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。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（如图）。热启动，冷启动后有记忆，以后启动不必一一比较。数据接收