卫星导航系统-第9讲-卫星导航基本方法-1

卫星导航系统-第9讲-卫星导航基本方法-1

卫星位置已知，卫星在向用户接收机发送信号，信号里面包含的分量：导航电文（卫星星历等信息，计算卫星的实际位置），测距码（自相关性正确实现卫星信号的解调），载波（用于远距离传输信号）；接收机接收到这三个信号之后，这所有的工作我们是看不到的，它的第一步工作是解调出导航电文，测距码，载波，第二步是利用导航电文，测距码，载波计算接收机自己的位置，这个就需要卫星导航基本方法来做；

卫星定位方法的分类

分类1：按接收机天线所处位置

静态定位和动态定位；

静止定位：

如果待定点相对于周围的固定点没有可以觉察到的运动，或者虽有可觉察到的运动，但由于这种运动是如此缓慢以致在一次观测期间（一般为数小时至若干天）无法被觉察到，而只有在两次观测之间（一般为几个月至几年）这些运动才能被反映出来，确定这些待定点的位置称为静态定位。

静态定位应用

静态定位在大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域内得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。

动态定位

如果在一次观测期间待定点相对于周围的固定点有可觉察到的运动或者显著的运动，因而在处理该时段的观测资料时待定点的位置将随时变化，确定这些运动的待定点的位置称为动态定。

动态定位特点

用户多样性、速度多异性、定位实时性、精度要求多变性、、、、、

动态定位应用

导航——探险、车辆、船舶、航空器等；

跟踪、监控与调度——车辆、船舶、航空器等；

制导            ——武器制导、自动驾驶等；

定轨            ——卫星、航天器等；

姿态确定    ——卫星、航天器、航空器等。

静态定位与动态定位区别

严格地说，静态定位和动态定位的根本区别并不在于待定点本身是否在运动，而在于建立数学模型中待定点的位置是否可看成常数。也就是说，在观测期间待定点的位移量和允许的定位误差相比是否显著，能否忽略不计。由于进行静态定位时待定点的位置可视为固定不动，因而就有可能通过大量重复观测来提高定位精度 。随着快速解算整周模糊度技术的出现，静态定位的作业时间可大为减少，因而在普通测量和一般工程测量等领域内也将得到广泛应用。

分类2 按是否具有参考基准：

绝对定位、相对定位

绝对定位（单点定位）

独立确定待定点在坐标系中的绝对位置的方法称为单点定位，也称为绝对定位；

由于目前GPS系统采用WGS-84系统，因而单点定位的结果也属该坐标系统。

单点静态定位：

地质矿产勘探、暗礁定位、建立浮标等低精度领域。

单点动态定位：船舶、火车和汽车等不需要太高精度的移动用户。

单点定位基本原理

以卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。

相对定位

同步跟踪相同GPS卫星信号的若干台接收机之间确定相对位置的一种定位方法。

相对定位的结果是各同步跟踪站之间的基线向量，因而至少需给出网中一点的坐标后才能求出其余各点的坐标。

优点：各同步测站的卫星钟的时钟误差、卫星星历误差、卫星信号在大气中的传播误差等相同的或近似的，在相对定位的过程中这些误差可得以消除或大幅度削弱，因而可获得很高精度的相对位置。

缺点：多台（至少两台）接收机进行同步观测，若其中一台接收机因未能正常工作，都将使得与该测站有关的相对定位工作无法进行。所以相对定位中观测的组织和实施就较单点定位更为复杂，数据处理也更为麻烦。

相对定位的应用

分类3 按定位观测信息的性质

测码伪距定位

通过伪随机码测定传播时间实现定位的方法；（时间乘以光速度）

测相伪距定位

通过载波相位测量实现定位的方法

多普勒定位

通过测量多普勒频移（或称多普勒频率）实现定位的方法。

射电干涉定位

通过测量观测类星体、导航卫星信号时间延迟实现定位的方法

2、卫星定位基本观测量（导航电文、测距码、载波）

接收机收到的信号

伪随机码：利用m序列自相关特性可测量时间延迟；

载波频率：利用载波相位的变化实现距离测量；高频的正弦信号

导航电文：卫星星历、时钟改正、电离层延时改正；

多普勒频移：多普勒频移中包含有位置信息；

测码伪距

通过伪随机码测量传播时间t实现定位的方法。

上面波形是一个伪随机码的波形，接收机在t时刻，任取一个长度为码周期的伪随机码，我们知道接收机在t时候会接收到很多卫星的信号，我们选择其中一个，假设伪随机码的相位为tao，伪随机的周期为1ms，一个周期内还有1023个码元，那么tao=N/1023（N=0，1，...1022）.假设接收机在接收到的这个码元，在卫星发射的时候它的相位为0；这个信号经过n个码周期以及时间tao之后被接收到。那么就可以知道卫星发射的这个伪随机码了C(t-tao-nT)；接收机在接收到这个信号以后，利用本地码，通过本地时钟，来控制

本地码的发生器，来产生一个与接收信号形式完全一致的波形；用C（t+delta_t）来表示；那么在收到这个信号之后，开始对本地码进行移位；

卫星的发射信号：C（t-tao-nTc/a）

接收机产生的信号：C（t+delta_t）；delta_t为接收机的时钟误差；

为了找到传播时间，对本地码进行移位，移位tao一撇的时间，就得到一个新的信号

C(t+delta_t - tao一撇），那么再得到这个信号与卫星信号以后，我们对这两个信号进行相关性处理，

求出delta_tao = (t - tao - nTc/a) - (t - delta_t - tao一撇)

如果说对本地码进行移位，移位之后。本地码的形式与接收到的码的形式完全同步，那么上面的先关函数达到最大值，那么上面R右边两个函数完全一抹一样，那么意思就是通过移位的方式使上面两个信号完全同步的；那么delta_tao就等于0。

那么就可以得到tao一撇的结果

我们测码伪距的目的是什么呢，为了得到卫星发送的时间和接收时间的这个传播时间差；那么这个时间就等于n个码周期+上面的tao一撇；

那么通过移位的方式得到传播时间，再乘上传播的速度c，就得到了卫星到用户之间的距离；

当考虑说卫星时钟也有钟差的时候的情况呢，结果如下：

delta_tk是接收机时钟的钟差，delta_ts是卫星时钟的钟差；卫星的钟差可以通过导航电文中的钟差给到；

接收机的钟差是不可能消除的，

从上面可以看出我的移位时间tao一撇就等信号传播时间加上接收机的钟差delta_t;

问一个问题，本地码在移位的过程中，如果移位tao+delta_t,相关值可能是最大，如果是移位tao+delta_t+1T相关值可能最大，那么要把上面的那个n找出来，找不出来可能就不对了；针对这个问题，如下

卫星的导航电文一个子帧（有十个码字，每个码字30个bit，导航电文频率为50Hz,周期为0.02s）的时间是6s，有300个数据位，每个数据位里面有20个C/A码，每个C/A码的周期为1ms；

想要知道确切的时间，就需要知道它持续了多少个子帧数，那么怎么得到呢，从卫星上，每个周日的零时开始，导航电文里面有个Z计数值，它以6s为一间隔来计数，它在计数的同时，卫星也在往外发送导航电文，在接收机接收到的导航电文里面，用这个Z计数-1再乘以6，就可以知道当前这个导航电文的这一帧的起始时刻是什么时候发送出来的了。

其实我们就想知道两个结果，卫星在什么时间t1发射信号出来，以及接收机在什么时间把这个信号接收到t2;二者相减t2-t1就得到了传播时间；如果不到一个子帧的数据怎么办呢，下图的delta_t等于多少；它等于这一子帧里面包含的导航电文数，下图中的delta_t计算；

上式右边第一项为这一子帧里面包含的导航电文数(导航电文周期为0.02s)，第二项为导航电文里面读到的C/A码周期数，第三项为不到一个c/a码周期里面的码片数，第四项为不到一个码片的值的时间。

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